基于單片機(jī)的接觸器控制器設(shè)計(jì)

1、    基于單片機(jī)的接觸器控制器設(shè)計(jì)    陳晶旗 儲鵬飛 周海霞 張鑫雨 王天成 郭雨陽摘 要：針對接觸器的工作噪音過大，能耗過高，使用觸頭磨損問題，提出了一種新型智能化的接觸器控制器模塊設(shè)計(jì)。主要stm32核心控制器模塊、有交流電壓實(shí)時(shí)檢測模塊、交流電壓變壓整流、buck降壓電路模塊。最后通過實(shí)驗(yàn)表明，利用此控制器模塊可以有效減少接觸器的能耗，降低接觸器吸合時(shí)的噪音，延長接觸器的使用年限。關(guān)鍵詞：交流電壓實(shí)時(shí)檢測;變壓整流;pwm波調(diào)壓;buck電路中圖分類號：tm562.;tp368.1       

2、60;                           文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a                                       doi：10.12296/j.2096-3475.2021.05.337引言：交流接觸器作為低電壓電子控制最根本的控制

3、器件之一，被廣泛的使用在各行各業(yè)的各種裝備設(shè)施中。作為一種遠(yuǎn)程控制閉合與斷開開關(guān)器件。隨著中國提出節(jié)能減排的號召，各個(gè)行業(yè)對高品質(zhì)的開關(guān)需求急切。但以往的接觸器由于耗能，噪聲大，使用壽命短、保有量大等各種問題，難以滿足當(dāng)前的發(fā)展需求，且難以通過更換新式接觸器來解決該問題。因此開發(fā)一種智能接觸器控制器模塊十分急迫。在滿足接觸器所有功能的現(xiàn)狀下，有如下的工作流程設(shè)計(jì)，來使得接觸器更加的智能節(jié)能。本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一種交流接觸器的控制單元，詳細(xì)分析了模塊中各個(gè)組件的工作原理，最后將模塊裝配到一臺220v交流接觸器上進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能。一、智能控制單元的硬件設(shè)計(jì)以stm

4、32f103zet6單片機(jī)為控制核心，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路。其中主要的模塊為電壓檢測模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、接觸器接通模塊、顯示模塊、降壓整流模塊、pwm波調(diào)壓電路.圖1所示的為整個(gè)只能控制模塊的原理框圖。為整個(gè)智能模塊通上電后，實(shí)時(shí)檢測交流電壓并顯示，當(dāng)線圈電壓在額定工作電壓的70%115%之間時(shí)為接觸器線圈通電;使線圈產(chǎn)生磁力，然后線圈與觸頭吸合;在接觸器吸合穩(wěn)定后，將接入接觸器線圈中的交流電斷開，延時(shí)一段時(shí)間待線圈中電壓穩(wěn)定后，為其接入低壓直流電，待接觸器線圈中的電壓穩(wěn)定后再接入經(jīng)buck電路輸出的直流電;待接觸器線圈中的電壓變得穩(wěn)定后，將低壓直流電撤去，使線圈中只接入使用pwm波調(diào)壓的b

5、uck電路，且使接觸器觸頭剛好處于吸合的狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)延長接觸器觸頭使用壽命，以及節(jié)能的目的。1.核心控制模塊使用stm32f103zet6單片機(jī)作為控制核心。該單片機(jī)即成了adc轉(zhuǎn)換電路，這樣在檢測電路時(shí)就不需要再另外設(shè)計(jì)adc轉(zhuǎn)換電路，從而實(shí)現(xiàn)電路的簡化，同時(shí)使整個(gè)模塊的可靠性更高。此外由于此款單片機(jī)具有較多的引腳，可直接在外部接上4.3寸的lcd彩屏，以此來顯示更多的接觸器工作時(shí)的信息;若在考慮整個(gè)模塊的制作成本的基礎(chǔ)時(shí)，可將單片機(jī)換為引腳更少的單片機(jī)，顯示屏換為定制的黑白lcd顯示屏。2.繼電器驅(qū)動(dòng)模塊繼電器驅(qū)動(dòng)模塊如圖2所示。其中u1為光耦，將其作為一個(gè)開關(guān)使用，同時(shí)也將外部的5v電

6、壓與單片機(jī)隔離出來，阻止了可能潛在的干擾;d1為整流二極管，此處應(yīng)用了其單向?qū)щ娦?t1為一個(gè)小功率的npn型三極管，此處應(yīng)用了其開關(guān)特性，當(dāng)光耦的輸入端給出一個(gè)閉合信號時(shí)，在三極管的基極接收到通過光耦輸出端的+5v電壓，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈內(nèi)通入電壓，繼電器吸合。此外在單片機(jī)的引腳輸出模式有三種復(fù)用輸出、推挽輸出、開漏輸出。其中以推挽輸出的驅(qū)動(dòng)能力最強(qiáng)，可輸出3.v電壓，但電流最大只有20ma，無法直接驅(qū)動(dòng)電路中用于控制線路通斷的繼電器，所以需要為繼電器設(shè)計(jì)一個(gè)這樣的驅(qū)動(dòng)電路。3.整流降壓模塊圖3所示的為整流降壓模塊。為接觸器的吸合以及pwm波調(diào)壓電路提供直流電壓;t3為針式變壓器，將22

7、0v直流電調(diào)節(jié)為24v交流電;f5為保險(xiǎn)絲，以起到防止過載的效果;r5為壓敏電阻，可以防止進(jìn)入整流橋的電壓過大;d3為整流橋，將24v直流電轉(zhuǎn)換為了交流電;后邊的c4.d4.c5為電容、二極管、電容，其作用是將脈動(dòng)的直流電變得平滑穩(wěn)定。220v交流電經(jīng)過此電路后，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)32.5v的直流電。4.pwm波調(diào)壓電路pwm波調(diào)壓電路如下圖4所示，用單片機(jī)發(fā)出的不同占空比的pwm波來驅(qū)動(dòng)光耦的通斷，伴隨著光耦的通斷會(huì)在igbt1的基極產(chǎn)生兩個(gè)不同的電壓，來控制igbt1的通斷，即可在igbt的集電極和發(fā)射極產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電。然后將產(chǎn)生的脈動(dòng)直流電輸入到圖5的buck電路中，將脈動(dòng)的直流電轉(zhuǎn)換為平滑

8、的直流電，最終實(shí)現(xiàn)使用pwm波來調(diào)整直流電的電壓。二、智能控制單元軟件設(shè)計(jì)1.主程序設(shè)計(jì)智能繼電器模塊的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，包括adc轉(zhuǎn)換模塊、pwm波調(diào)壓模塊、lcd顯示模塊等三個(gè)主要的程序模塊。程序的運(yùn)行流程如左方的圖6所示。當(dāng)整個(gè)模塊上電后，即開始檢測交流電的實(shí)時(shí)電壓變化，當(dāng)電壓變化到合適的范圍內(nèi)時(shí)即為接觸器的線圈接入交流電，使其吸合，經(jīng)過延時(shí)后將交流電撤去，為其接入低壓直流電，最后接入經(jīng)過pwm波調(diào)壓的低壓直流電。從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。2.pwm波調(diào)壓設(shè)計(jì)利用單片機(jī)內(nèi)部的脈沖寬度調(diào)制（pwm）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對直流電壓的調(diào)節(jié)，其中pwm波的輸出是使用單片機(jī)內(nèi)部的tim3時(shí)鐘，同時(shí)配

9、置pb5腳為復(fù)用輸出，最后通過設(shè)置寄存器tim3_ccr2的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)pwm波占空比的改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對直流電壓的調(diào)節(jié)。3.adc轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)利用單片機(jī)內(nèi)部的adc，其中stm32中的adc是一個(gè)12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有18個(gè)通道，可采集16個(gè)外部與2個(gè)內(nèi)部信號源。這里我們通過使用程序來開啟adc的時(shí)鐘，設(shè)置輸入腳為模擬輸入。將adc復(fù)位，之后初始化adc，使能并校準(zhǔn)adc。最終實(shí)現(xiàn)adc檢測電壓。三、結(jié)語文中以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了對交流電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、繼電器驅(qū)動(dòng)、buck降壓電路的模塊。大大降低了接觸器工作時(shí)觸頭的磨損以及工作時(shí)的能耗，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)智能模塊的節(jié)能減排目的。參考文獻(xiàn)：

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