一种高压开关动特性测试仪的制作方法

本发明涉及一种测试仪，具体涉及一种高压开关动特性测试仪。

背景技术：

目前高压开关动作测试系统产品功能上基本相同，对开关动作机械特性参数都不能做出准确的测量，对测试的对象比较单一。只是针对几种特定型号的开关不具有普遍性，而且价格比较昂贵，如果有多种型号的开关，配齐机械特性测试装置花费的代价非常大，并且仪器基本采用数据采集卡加工业计算机构成体积比较庞大，不能适应户外的测量需求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种结构设计简单、合理，采用闭环控制的方式，采用PID控制器配合单片机，使用方便，安全性高的高压开关动特性测试仪。

本发明的技术方案如下：

上述的高压开关动特性测试仪，包括单片机、PID控制器、A/D转换器、放大器、压力传感器、步进电机驱动电路和机械手；所述单片机通过RS232接口分别连接所述PID控制器和A/D转换器；所述单片机还与外置打印机和所述步进电机驱动电路电连接；所述A/D转换器连接所述放大器，所述放大器连接所述压力传感器，所述压力传感器置于高压开关内；所述步进电机驱动电路通过步进电机连接所述机械手，所述机械手与所述高压开关相连；所述步进电机驱动电路的电路主要包括单片机控制电路、复位电路、耦合放大电路和手动控制电路。

所述高压开关动特性测试仪，其中：所述步进电机驱动电路的电路是由电容C1～C5、晶振Y、按键开关K1～K8、电阻R1～R20、反相器U2～U3、三极管VT1～VT4、光电耦合器U4～U5、电感L1～L2和二极管D1～D2连接组成；所述电阻R9和电阻R10组成了所述单片机控制电路；所述按键开关K6和电容C1组成了所述复位电路；所述三极管VT1、光电耦合器U4和电阻R13组成了所述耦合放大电路；所述按键开关K1和电阻R1组成了所述手动控制电路；

所述按键开关K6一端连接+5V电源，另一端通过所述电阻R6接地；所述电容C1并联于所述按键开关K6两端；所述单片机通过接口VCC连接+5V电源，通过接口RESET连接于所述按键开关K6与电阻R6之间；所述电容C2和C3串联于所述单片机的接口XTAL1和接口XTAL2之间，所述电容C和C3的连接点接地；所述晶振Y连接于所述单片机的接口XTAL1和接口XTAL2之间；

所述单片机由接口P3.2连接所述电阻R1并通过所述电阻R1连接+5V电源，所述单片机由接口P3.2还连接所述按钮开关K5并通过所述按钮开关K5接地；所述单片机由接口P3.3连接所述电阻R2并通过所述电阻R2连接+5V电源，所述单片机由接口P3.3还连接所述按钮开关K4并通过所述按钮开关K4接地；所述单片机由接口P3.4连接所述电阻R3并通过所述电阻R3连接+5V电源，所述单片机由接口P3.4还连接所述按钮开关K3并通过所述按钮开关K3接地；所述单片机由接口P1.3连接所述电阻R4并通过所述电阻R4连接+5V电源，所述单片机由接口P1.3还连接所述按钮开关K2并通过所述按钮开关K2接地；所述单片机由接口P1.2连接所述电阻R5并通过所述电阻R5连接+5V电源，所述单片机由接口P1.2还连接所述按钮开关K1并通过所述按钮开关K1接地；

所述单片机由接口P1.7连接所述反相器U2的输入端，所述反相器U2的输出端连接所述三极管VT1的基极；所述电阻R7一端连接于所述三极管VT1的基极，另一端连接+5V电源；所述三极管VT1的集电极通过电阻R8接+5V电源，所述三极管VT1的发射极连接所述光电耦合器U4内发光二极管阳极；所述光电耦合器U4内发光二极管阴极接地，所述光电耦合器U4内光敏三极管集电极通过所述电阻R13连接+25V电源，所述光电耦合器U4内光敏三极管发射极连接所述三极管VT2的基极；所述三极管VT2的集电极通过依次串接所述电阻R15、电阻R14和电感L1连接至+25V电源，所述三极管VT2的发射极接地；所述电容C4一端连接所述三极管VT2的集电极，另一端连接于所述电阻R14与R15的连接点；所述电阻R16一端连接所述三极管VT2的集电极，另一端连接所述二极管D1的阳极端；所述二极管D1的阴极端连接+25V电源；

所述单片机由接口P1.1连接所述电阻R9并通过所述电阻R9连接+5V电源，所述单片机由接口P1.1还连接所述按键开关K7并通过所述按键开关K7接地；所述单片机由接口P1.0连接所述电阻R10并通过所述电阻R10连接+5V电源，所述单片机由接口P1.0还连接所述按键开关K8并通过所述按键开关K8接地；

所述单片机由接口P1.4连接所述反相器U3的输入端，所述反相器U3的输出端连接所述三极管VT3的基极；所述电阻R11一端连接所述三极管VT3的基极，另一端连接+5V电源；所述三极管VT3的集电极通过所述电阻R12连接+5V电源，所述三极管VT3的发射极连接所述光电耦合器U5内发光二极管阳极，所述光电耦合器U5内发光二极管阴极接地，所述光电耦合器U5内光敏三极管集电极通过所述电阻R17连接+25V电源，所述光电耦合器U5内光敏三极管发射极连接所述三极管VT4的基极；所述三极管VT4的集电极通过依次串接所述电阻R18、电阻R19和电感L2连接至+25V电源，所述三极管VT4的发射极接地；所述电容C5一端连接所述三极管VT4的集电极，另一端连接于所述电阻R18与R19的连接点；所述电阻R20一端连接所述三极管VT4的集电极，另一端连接所述二极管D2的阳极端；所述二极管D2的阴极端连接+25V电源。

所述高压开关动特性测试仪，其中：所述单片机的型号为AT89C2051；所述反相器U2和反相器U3的型号均为74LS14；所述光电耦合器U4和光电耦合器U5的型号均为TPL521；所述电阻R14为所述步进电机的绕组内阻；所述晶振Y选用频率为22MHz的晶振。

所述高压开关动特性测试仪，其中：所述机械手用于控制所述高压开关的按压。

有益效果：

本发明高压开关动特性测试仪结构设计合理，其采用闭环控制的方式，采用PID控制器配合单片机，使用方便，安全性高；同时对采用独特设计的步进电机驱动电路，对步进电机进行驱动控制，使得控制更加精确，提高了开关动特性的测试准确度。

附图说明

图1为本发明高压开关动特性测试仪的电路原理框图；

图2为本发明高压开关动特性测试仪的步进电机驱动电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，本发明高压开关动特性测试仪，包括单片机1、PID控制器2、A/D转换器3、放大器4、压力传感器5、步进电机驱动电路6和机械手7。

该单片机1集成有存储器11和触摸屏模块12，其中，该单片机1通过RS232接口13分别连接PID控制器2和A/D转换器3；该单片机1的型号为AT89C2051；同时，该单片机1还与步进电机驱动电路6和外置打印机8电连接。该A/D转换器3连接放大器4，该放大器4连接压力传感器5，该压力传感器5置于高压开关内。该步进电机驱动电路6通过步进电机9连接机械手7，该机械手7与高压开关相连。

该步进电机驱动电路6的电路是由电容C1～C5、晶振Y、按键开关K1～K8、电阻R1～R20、反相器U2～U3、三极管VT1～VT4、光电耦合器U4～U5、电感L1～L2和二极管D1～D2连接组成。其中，电阻R9和电阻R10组成了单片机控制电路；按键开关K6和电容C1组成了复位电路；三极管VT1、光电耦合器U4和电阻R13组成了耦合放大电路；按键开关K1和电阻R1组成了手动控制电路。其中，机械手7用于控制高压开关的按压；该反相器U2和反相器U3的型号均为74LS14，该光电耦合器U4和光电耦合器U5的型号均为TPL521，该电阻R14为步进电机绕组内阻，晶振Y选用频率22MHz的晶振。

该按键开关K6一端连接+5V电源，另一端连接电阻R6并通过电阻R6接地；该电容C1并联于该按键开关K6两端；该单片机1通过接口VCC连接+5V电源，通过接口RESET连接于按键开关K6与电阻R6之间；该电容C2和C3串联于单片机1接口XTAL1和接口XTAL2之间，该电容C和C3的连接点接地；晶振Y连接于单片机1接口XTAL1和接口XTAL2之间。

该单片机1由接口P3.2连接电阻R1并通过电阻R1连接+5V电源，该单片机1由接口P3.2还连接按钮开关K5并通过按钮开关K5接地；该单片机1由接口P3.3连接电阻R2并通过电阻R2连接+5V电源，该单片机1由接口P3.3还连接按钮开关K4并通过按钮开关K4接地；该单片机1由接口P3.4连接电阻R3并通过电阻R3连接+5V电源，该单片机1由接口P3.4还连接按钮开关K3并通过按钮开关K3接地；该单片机1由接口P1.3连接电阻R4并通过电阻R4连接+5V电源，该单片机1由接口P1.3还连接按钮开关K2并通过按钮开关K2接地；该单片机1由接口P1.2连接电阻R5并通过电阻R5连接+5V电源，该单片机1由接口P1.2还连接按钮开关K1并通过按钮开关K1接地。

该单片机1由接口P1.7连接反相器U2的输入端，反相器U2的输出端连接三极管VT1的基极；该电阻R7一端连接于三极管VT1的基极，另一端连接+5V电源；该三极管VT1的集电极连接电阻R8并通过电阻R8接+5V电源，该三极管VT1的发射极连接光电耦合器U4内发光二极管阳极(端口1)；该光电耦合器U4内发光二极管阴极(端口2)接地，该光电耦合器U4内光敏三极管集电极(端口3)连接电阻R13并通过电阻R13连接+25V电源，该光电耦合器U4内光敏三极管发射极(端口4)连接三极管VT2的基极；该三极管VT2的集电极依次通过串接电阻R15、电阻R14和电感L1连接至+25V电源，该三极管VT2的发射极接地；电容C4一端连接三极管VT2的集电极，另一端连接于电阻R14与R15的连接点；电阻R16一端连接三极管VT2的集电极，另一端连接二极管D1的阳极端；该二极管D1的阴极端连接+25V电源。

该单片机1由接口P1.1连接电阻R9并通过电阻R9连接+5V电源，该单片机1由接口P1.1还连接按键开关K7并通过按键开关K7接地；该单片机1由接口P1.0连接电阻R10并通过电阻R10连接+5V电源，该单片机1由接口P1.0还连接按键开关K8并通过按键开关K8接地。

该单片机1由接口P1.4连接反相器U3的输入端，该反相器U3的输出端连接三极管VT3的基极；该电阻R11一端连接三极管VT3的基极，另一端连接+5V电源；该三极管VT3的集电极连接电阻R12并通过电阻R12连接+5V电源，该三极管VT3的发射极连接光电耦合器U5内发光二极管阳极(端口1)，该光电耦合器U5内发光二极管阴极(端口2)接地，该光电耦合器U5内光敏三极管集电极(端口3)连接电阻R17并通过电阻R17连接+25V电源，该光电耦合器U5内光敏三极管发射极(端口4)连接三极管VT4的基极；该三极管VT4的集电极依次通过串接电阻R18、电阻R19和电感L2连接至+25V电源，该三极管VT4的发射极接地；电容C5一端连接三极管VT4的集电极，另一端连接于电阻R18与R19的连接点；电阻R20一端连接三极管VT4的集电极，另一端连接二极管D2的阳极端；该二极管D2的阴极端连接+25V电源。

本发明的工作原理是：

由图1所示，通过压力传感器5将高压开关内的压力信号转化为电信号，放大后由A/D转换器3转换为数字信号并通过RS232接口13送入PID控制器2，经过PID控制器2运算后得到阀的开口过流面积增量，并将该值通过RS232接口13送到单片机1控制步进电机驱动电路6驱动步进电机9，带动机械手7改变按压频率，实现系统闭环控制；触摸屏模块12用于手动调节控制以及显示高压开关内压力状况，存储器11用于存储压力的动态数值，打印机8用于将存储压力的动态数值打印出来。

由于单片机端口P1.4与端口P1.7的连接方式相同，现以单片机1的端口P1.7为例说明电路的工作原理：

如图2所示，单片机1将控制脉冲从端口P1.7输出，经反相器U2后进入三极管VT1，经三极管VT1放大后控制光电耦合器U4，光电隔离后，由三极管VT2将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机9的各相绕组，使步进电机9随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作；电感L1为步进电机9的一相绕组；晶振Y选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了尽量减小单片机1对上位机脉冲信号周期的影响；电阻R14为绕组内阻，电阻R15起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件，二极管D1为续流二极管，使步进电机9的绕组产生的反电动势通过续流二极管D1而衰减掉，从而保护了三极管VT2不受损坏，电阻R15上并联电容C4，改善了注入步进电机9绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机9的高频性能。

步进电机驱动电路6根据按键开关K7和按键开关K8的不同组合有三种工作方式供选择：

方式1为中断方式：单片机1的端口P3.5为步进脉冲输入端，单片机1的端口P3.7为正反转脉冲输入端，外置上位机与步进电机驱动电路6仅以2条线相连；

方式2为串行通讯方式：外置上位机将控制命令发送给步进电机驱动电路6，步进电机驱动电路6根据控制命令自行完成有关控制过程；

方式3为按键开关控制方式：通过按键开关K1～K5的不同组合，直接控制步进电机9，当上电或按下按键开关K6后，单片机1先检测按键开关K6和按键开关K7的状态，根据按键开关K6和按键开关K7的不同组合，进入不同的工作方式。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。