旋转开关状态检测系统设计_曾镜源

图 7 旋转开关波形
图 7 中 ta ～ te，分别是旋钮从一档到三档（ 或三档到 一档） 的时隙，分别对应的序列数为： 28、37、31、31、 31 个． 其中 tb 与 td 对应的是档位跳变过程的时隙．
由于每个档位有 180，且由前面的计算可知每 档点 105 个编码器脉冲，所以单个高电平的脉冲数 为 49 个，低电平的脉冲数为 56 个．
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曾镜源，欧阳玉平，洪添胜 旋转开关状态检测系统设计
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3． 3 减速电机控制电路 减速电机采用 DC24V 供电，用 IＲF540N 作为
电机的通断控制． 电机控制电路如图 5 所示．
图 5 电机控制电路
图 5 中，Q2 为 IＲF540N，D5 与 D6 为 1N4007，D7 与 D8 为 1N4733． Motor 与 M_Dir 是来自单片机的电机 通断和旋转方向控制信号，当 Motor 为高电平时，Q2 导 通，DC24V、D5、电机、Q2 与参考地构成一个回路． 当 Q2 停止时，D5、D6 和电机构成续流回路，使电机停止时的 反向电动势得到快速的泄放［13］．
3 控制系统设计
统提供电源． 旋转编码器反馈旋转的角度信息． 按键及 LCD
提供人机交互功能，为用户提供功能选择和反馈测 试信息．
电流检测电路提供 + 24 V 和 GND 输入引脚， 以及一个与检测电流相对应的模拟电压输出引脚． 系统通过单片机的 ADC 来检测电流检测模块的输 入电压值． 3． 2 电源电路
系统采用 600 脉冲 / 圈旋转编码器，旋转开关 每档旋转角度为 18°，减速电机与旋转编码器角度
同步，所以 每 旋 转 一 档，故 减 速 电 机 需 要 旋 转 的 角 度对应的脉冲数 Pm为 105 个． 4． 2 钨丝灯选择
典型的榨汁机功率为 150 W，1． 2 倍的额定电 流下［1］，钨丝灯功率 Pw 为：
所以，断故障阈值电流 Id 和粘故障阈值电流In 为： Id = I0 * （ 1 － 10% ） = 0． 82 A， In = I0 * （ 1 － 80% ） = 0． 18 A．
4． 4 交流电流测量模块的线性分析 交流电流测量模块额定量程为 5 A，电压与电流
成 1： 1 的对应关系． 但由于系统测试时，负载只有 200 W，为增加动态范围，调节模块上的电位器将输出按比 例放大． 放大后的值是否线性，需要进行线性分析．
2 机械执行部件设计
收稿日期： 2013 － 12 － 10 基金项目： 现代农业产业技术体系建设专项资金 （ CAＲS － 27） ； 公益性行业（ 农业） 科研专项经费项目（ 201203016） ； 梅 州市科学技术局、嘉应学院联合自然科学研究项目（ 08KJ17） 作者简介： 曾镜源（ 1980 － ） ，男，广东梅州人，讲师，博士研究 生，主要研究方向： 计算机应用技术、机电一体化和信息技术 应用．
Pw = 150W* 1． 2 = 180 W， 故应选择最接近此功率的 200 W 钨丝灯作为负载． 4． 3 阈值电流计算
根据实际属求，参考相关标准及文献［1 ～ 3］， 设定断故障电压为负载电压的 10% ，粘故障电压为 负载电压的 80% ．
200 W 钨丝灯的额定电流 I0 ： I0 = 200W /220V = 0． 91A，
锂电池电压降至 3． 3 V 时，DC3． 3V 处的电压 约为 2． 6 ～ 2． 7，此 时 虽 然 电 池 仍 有 约 30% 的 电 量［12］，但不能有效保持单片机内部的数据． 为监测 电池电压，系统将 DC3． 7V 经 10K 电位器分压为输
入到 ADC0 的一个通道中，在检测到实际电压低于 要求时提醒操作人员对电池充电．
档电流是否正常，如果正常，则进行边界分析，根据 新的边界，重新设定 P1 的值，使电机在接近双重的 保障下运转，增强了系统的稳定性［8，9］．
5 程序设计
因为系统涉及较多的单片机资源，为使程序可 重复利用，方便调试与维护，程序采用模块化设计．
程序的主要模块有： 主程序、系统初始化、定时 中断、/ INTn 中断、数据分析与处理、按键扫描与处 理、液晶显示和字模等． 各模块之间通过主程序循 环、Timer0 ～ 2 中断服务程序和 ADC0 中断服务程序 实现协同处理，主程序流程如图 9 所示．
图 9 主程序流程图
系统启动时，首先对看门狗、晶振、定时器和各 个 I / O 口进行初始化，接着调用液晶模块程序的初 始化函数对液晶模块初始化，并绘制屏幕的初 始 界面．
程序进入主循环（ 虚线框内部分） 后首先对按 键检测，根 据 系 统 当 前 的 状 态 决 定 按 键 的 功 能，并 作出相应的处理． Timer1 采用 autoreload 模式，每隔 20 ms 产生一个中断，在其中断服务程序中进行系 统计时操作． 当主程序检测到代表 1s 时间间隔的变 量发生改 变 时，根 据 当 前 的 状 态 是 否 打 开 蜂 鸣 器， 更新 LCD 内容，以及更新当前的电池电压值．
由于各个跳变沿比较明显，所以采样时将此波 形数据全部存入位于 C8051F020 的内部数据 ＲAM 上的缓冲数组［7］，在从一档到三档（ 或三档到一档） 结束时，分析数据，可以得到平均电流值，并可以估 计出旋钮反向旋转所需的脉冲数．
图 8 电机旋转的动态调整方法
此系统设定超过 te 下降沿 60 个脉冲停止电机旋 转，并通过蜂鸣器报警． 当电机停止后，程序分析各
Motor 信号无效时，Ｒ4 保证 Q2 处于截止状态． D8 稳压二极管与 Ｒ2 配合，以及 D7 与 Ｒ3 配合，分 别使单片机 Motor 和 M_Dir 引脚输入的最大灌电流 限制在 100 mA［7］，起到保护单片机的作用． 3． 4 其它电路
旋转编码器输出有 AB 两相，漏极开路输出，所 以需要通过上拉电阻再分别接入到单片机的 / INT0 和 / INT1 中断引脚，通过对应的中断服务程序进脉 冲计数，并判断旋转方向．
关键词： 旋转开关; 状态检测; 电流检测; 角度检测; 断电保护
中图分类号： TP23
文献标识码： A
文章编号： 1006 － 642X( 2014) 05 － 0031 － 05
旋转开关（ rotary switch） ［1，2］为小功率交流电机 提供多个档位． 旋转开关使用寿命的主要影响因素 是材料质量和接触铜片在滑动过程中出现的闪弧 电离作用，故障表现为接触不良或接触电阻过大．
开关的寿命取决于其机械故障和电离程度，而 这两个因素均影响流过开关的电流，故需要解决实 时电流检测的问题． 电流互感器和霍尔传感器等均 可实现对交流电流的检测［7］．
旋转开关状态检测系统需要解决开关在带 AC 220V 的功率负载的情况下，系统的机械设计与动作
控制的问 题，并 分 析 和 计 算 开 关 的 有 效 性，达 到 降 低检测难度和减少人工成本的目的．
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性线较理想． 线性回归方程为： Ix = Vy /2． 2，
其中 Ix 为实际电流，Vy 为 ADC0 测得的结果． 4． 5 旋转角度的调节方案设计
为减少噪声特别是 50 Hz 电源干扰，测量模块 对输出波形进行整流和滤波，并在 ADC 输入口加入 0． 1 uF 电容滤波．
因负载的标称值与实际值存在误差，所以采用 UNI － T 优利德 UT203 数字钳形万用表电压表测量 结果作为对比． 结果如图 6 所示．
图 6 模块输出电压与 UT203 测量电流对比
用 Matlab 进行回归分析， Ｒ2 = 0． 999 0，P = 0． 000 4．
分析结果说明电流测量模块的输出经放大后，
百度文库
摘 要： 旋转开关状态检测系统采用减速电机通过齿轮带动六个旋转开关旋转，由电流检测电路检测负载电流，
并通过分析电流变化判断旋转开关是否失效． 系统通过旋转编码器与电流波形分析结果相结合的方法校准减速
电机旋转的误差，并采用线性回归的方法计算出负载电流． 电路中加入了锂电池备用电路，解决了系统断电时单
片机的状态保持问题．
图 3 控制系统结构框图
系统采用基于 C8051F120 单片机的最小系统为电 路核心，此单片机采用内部晶振并用 PLL 倍频后晶振 频率达到 49 MHz，指令速度达到 100MIPS［8，9］．
每个旋转开关有三个有效档位，不同的旋转角 度导 通，所 以 可 以 将 这 三 个 档 位 并 联，共 用 一 个 通 道的互感器电流检测电路［10，11］，这样六个通道可以 检测六个旋转开关．
系统 采 用 输 入 为 AC220V，输 出 为 DC24V 和 DC5V 的开关电源为整个系统提供主电源，另外增 加 3． 7 V 锂电池为单片机系统备用电源． DC24V 开 关电池为减速电池驱动电源，并且为互感器电流检 测电路的运算放大器提供电源． DC5V 为单片机系
图 4 片机电源电路
DC5V 电源为经 AS1117 降压成 3． 3V 后为单片 机系统提供电源，DC3． 7 V 锂电池串接一个 IN4007 后作为单片机备用电源，从而实现了单片机的不间 断供电． 只要 DC3． 3V 处的电压不低于 2． 7 V 就能 保证单片机正常工作，保持单片机内部信息［7］． 因 锂电池只为单片机提供电源，所以其充一次电可以 保证三个月以上的续航时间．
电流检测采用基于互感器的精密交流检测模 块，量程为 0 ～ 5 A，输出电压为可按比例调节． 有六 个通道，能 同 时 对 六 组 按 键 的 输 出 电 流 进 行 检 测． 输出电压接到单片机的 ADC，通过程序进行采样并 进行分析处理． 此外，锂电池的电压也接入 ADC，以 便一起通过 ADC 采集． 4 参数计算 4． 1 初始角度计算
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嘉应学院学报（ 自然科学） JOUＲNAL OF JIAYING UNIVEＲSITY（ Natural Science）
Vol． 32 No． 5 May． 2014
旋转开关状态检测系统设计
曾镜源1，2 ，欧阳玉平2 ，洪添胜2
（ 1． 嘉应学院 计算机学院，广东 梅州 514015； 2． 华南农业大学 工程学院，广州 510642）
1 系统总体结构设计
根据实际 需 求，以 及 旋 转 开 关 的 特 点，故 本 文 针对所测试按键的特点，设计出控制系统和机械执 行部件． 系统总体结构如图 1 所示．
图 1 系统总体结构框图
在控制系统的指令控制下，减速电机带动机械 部分的转盘齿轮旋转，转盘齿轮上同时带动六个旋 转开关，转 盘 齿 轮 旋 转 时，带 动 开 关 与 编 码 器 同 步 旋转． 旋转编码器提供旋转角度信号，反馈到控制 系统．
目前开关状态检测研究主要针对弱电的开关 或不检测负载电流的变化情况［3 ～ 6］，而旋转开关是 作为 AC 220V 小型交流电机回路的一部分，在带不 同负 载 的 条 件 下，则 于 接 触 时 电 离 程 度 不 一 样，所 以按键的寿命是不同的． 因市场上开关寿命测试设 备加载在开关上的电压为低压直流电，故无法满足 旋转开关的测试需求．
直流电机采用输出功率为 120W 的 DC 24V 开 关电源供电，以保证有足够功率带动减速电机．
DC3． 7 V 锂电池、DC5V 电源和单片机所需要 的 DC 3． 3 V 电源的关系如图 4 所示．
3． 1 控制系统总体设计 控制系统需要实现外设状态输入、控制信号输
出和人机交互等功能，其电路结构如图 3 所示．
旋转开关是一个三个有效档位和二个空档的 开关，相邻档间的角度均为 18°，如图 2（ a） 所示．
为提高测试的效率，设计了由一个减速电机带动 六个旋转开关的机械执行部件． 在综合考虑减速电机 扭矩，旋转开关旋转所需扭矩，以及安装的方便性的基 础上，设计了如图 2 所示的总体机机械结构．
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a． 旋转开关示意图 b． 旋转开关、编码器和电机关系图 图 2 旋转开关、编码器和减速电机的齿轮示意图
旋转开关的公共接线端在旋钮旋转时，分别与 空档、一档、二 档、三 档 和 空 档 连 接，总 旋 转 角 度 为 18°* 4 = 72°． 减速电机采用 Alogn JGB37 － 3625 直 流无刷减速电机，转速为 20 rpm / min，额定扭矩为 0． 08 Kg·m． 当减速电机旋转时，带动转盘反向旋 转，转盘带动旋转开关正向旋转．