單片機數字計時器的系統設計與型式試驗

胡丹，張茜

（1.西安全路通號器材研究有限公司，西安710048；2.陜西應用物理化學研究所）

引 言

目前市場上計時器種類很多，并且有部分廠家可根據客戶的要求定制，但有的商家為了節約成本，對生產質量沒有進行很好的控制，在芯片的選擇和整個系統可靠性試驗方面都沒有很好地把關，而且目前市場上所采用的數碼管質量較差，抗干擾能力差，不能應用于復雜的環境。單片機數字計時器體積小巧、精度高、抗干擾能力強，適用于復雜的工作環境。

1 硬件設計

1.1 系統結構

系統主要由電源模塊、輸入部分、控制部分和顯示部分組成，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

1.2 單片機最小系統設計

控制部分選用40引腳單片機PIC16F887，該單片機采用了精簡指令集、哈佛總線結構和二級流水線，價格低、可靠性高、功耗低、體積小。單片機最小系統如圖2所示。

圖2 單片機最小系統

單片機最小系統由PIC16F887單片機、復位模塊、4 MHz外部晶振、排針等組成。其中，7引腳、8引腳、28引腳VDD為電源端，接工作電源DC 5 V。6引腳、30引腳、31引腳VSS為接地端，直接接地；32引腳、33引腳接4 MHz外部晶振，電容取22 p F；VPP復位端接上拉電阻連接到工作電源。

1.3 顯示部分

顯示部分采用工業級4位7段數碼管動態顯示，這樣可以節省I/O口，而且功耗低。顯示部分電路圖如圖3所示。

圖3 顯示部分電路圖

1.4 輸入部分

輸入部分有兩路獨立的啟動/停止端和復位端，互不干擾。輸入通道采用光耦TLP521做隔離，信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強、工作穩定使用壽命長、傳輸效率高。輸入部分電路如圖4所示。

1.5 電源部分

電源部分為24 V轉5 V穩壓隔離電源模塊，輸入電壓范圍寬，工作可靠穩定。輸入電壓范圍為DC 18～36 V，輸出電壓5 V，輸出功率5 W。電源部分電路圖如圖5所示。

2 軟件設計

計時器控制程序采用中斷觸發方式，選用定時器1進行定時計時，其具有兩路獨立的啟動和停止端口以及與之對應的獨立的復位端口，分別命名為“啟動/停止1”、“啟動/停止2”、“復位1”和“復位2”。各控制端口采用DC 24 V電平觸發工作方式，兩路控制獨立工作，互不干擾，工作可靠，抗干擾能力強。

2.1 主程序流程圖

當第1路控制端接通DC 24 V電平時，計時器開始計時，斷開時，計時器停止計時，數碼管閃爍顯示當前計時提示，直到復位端接通DC 24 V電平時計時器復位，計時清零。兩路控制端是獨立的，第1路控制端啟動計時，只能由第1路的復位控制去復位和清零，當第1路啟動計時且未復位時，第2路啟動計時和復位操作無效。第2路控制與第1路相同。主程序流程圖如圖6所示。

圖4 輸入部分電路圖

圖5 電源部分電路圖

2.2 顯示模塊

顯示模塊選用的數碼管為4位7段動態顯示，根據計時范圍小數點自動移動。當計時數據大于等于0且小于10，顯示個數位和3位小數位；當計時數據大于等于10小于100，顯示兩位整數位和兩位小數位；當計時數據大于等于100且小于1000時，顯示3位整數位和1位小數位；當計時數據大于等于1000且小于10 000時，顯示四位整數位；當計時數據大于等于10 000時，顯示復位從0開始，但是系統內部累計計時，不清零，直到手動復位清零。

小數點顯示控制程序：

圖6 主程序流程圖

數碼管點亮程序：

2.3 控制模塊

控制程序采用終端電平中斷觸發方式，控制定時器的啟動和停止。

2.4 延時模塊

3 型式試驗

在實現功能的基礎上，分別對該設備進行了功能試驗、電磁兼容試驗和環境試驗。

3.1 功能試驗

在功能試驗中，設備運行良好，能夠很好地實現所設計的各項功能。計時器計時范圍為0.000～9 999 s，當計時達到9 999 s后，計時器從0.000重新開始計時，且運行30 000 s后誤差不大于1 s。

3.2 電磁兼容試驗

按照TB3073-2003的規定，在電磁兼容實驗中做了以下試驗：靜電放電抗擾度試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、浪涌（沖擊）抗擾度試驗、工頻磁場抗擾度試驗和脈沖磁場抗擾度試驗。在試驗過程中，遇到了一些問題并及時進行了改進。

3.2.1 靜電放電抗擾度試驗

當在電源端口接線端子加空氣放電8kV干擾時，計時器出現錯誤復位情況，經分析應該是接線端子質量問題，更換為臺灣町洋的接線端子后，計時器工作正常，沒有再出現在空氣放電干擾下的復位情況，設備工作正常。設備通過了靜電放電抗擾度試驗3級A類。

3.2.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗

當給電源線加＋2kV/5 kHz和-2kV/5 kHz干擾時，計時器顯示閃爍，不能正常計時，據觀察顯示是300 ms復位一次。電快速瞬變脈沖群是由間隔為300 ms的連續脈沖串構成，經分析是由于電源沒有加防護電路而使干擾直接影響到正常計數。經過多次試驗和改進，選擇在電源口增加如圖7所示的濾波電路，使設備順利通過電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗3級A類。在試驗中和試驗結束后，設備工作正常。

圖7 濾波網絡

3.2.3 浪涌（沖擊）抗擾度試驗

當給電源端加沖擊時，擊穿了電源端的CBB電容和二極管，說明防護電路還不夠完善，還需改進。經過多次試驗和改進，在電源端口并聯了一個TVS管和壓敏電阻，使設備通過了浪涌（沖擊）抗擾度試驗3級A類。選擇的濾波電路如圖8所示。在試驗中和試驗結束后，設備工作正常。

圖8 濾波網絡

此外，計時器順利通過3級A類工頻磁場抗擾度試驗和脈沖磁場抗擾度試驗，干擾試驗中和實驗結束后，受試設備均能正常工作。

3.3 高溫試驗

在＋70℃下2 h升溫和保溫過程中，計時器能正常工作，試驗后從試驗箱內取出試品，在常溫下放置2 h后，計時器能正常工作。

3.4 低溫試驗

在-40℃下2 h降溫和保溫過程中，計時器能正常工作，試驗后從試驗箱內取出試品，在常溫下放置2 h后，計時器能正常工作。

3.5 交變濕熱

設備在經過循環次數為12周期的交變濕熱（高溫40℃）后，潮濕絕緣電阻不小于1.5 mΩ。

①潮濕絕緣電阻：在交變濕熱最后一周期結束前2 h在試驗箱內測試；

②絕緣耐壓：試驗結束后，試品從試驗箱內取出在常溫下放置恢復2 h，進行絕緣耐壓試驗，復試時的電壓值為原實驗值的75%，歷時1 min，試驗期間無擊穿或閃絡現象。

結 語

數字計時器選用PIC16F887單片機，價格低、可靠性高、功耗低、體積??；顯示部分選用了工業級4位7段數碼管動態顯示，顯示穩定；輸入通道采用光耦TLP521做隔離，信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離隔離，抗干擾能力強，傳輸效率高，使用壽命長；電源模塊選用穩壓隔離電源模塊，輸入電壓范圍寬，工作可靠穩定；計時器體積小巧，計時準確，精度高。該計時器通過了電磁兼容試驗和環境試驗，能夠應用于復雜環境條件，工作可靠穩定，抗干擾能力強。

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