单片机数字计时器的系统设计与型式试验

胡丹，张茜

（1.西安全路通号器材研究有限公司，西安710048；2.陕西应用物理化学研究所）

引 言

目前市场上计时器种类很多，并且有部分厂家可根据客户的要求定制，但有的商家为了节约成本，对生产质量没有进行很好的控制，在芯片的选择和整个系统可靠性试验方面都没有很好地把关，而且目前市场上所采用的数码管质量较差，抗干扰能力差，不能应用于复杂的环境。单片机数字计时器体积小巧、精度高、抗干扰能力强，适用于复杂的工作环境。

1 硬件设计

1.1 系统结构

系统主要由电源模块、输入部分、控制部分和显示部分组成，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

1.2 单片机最小系统设计

控制部分选用40引脚单片机PIC16F887，该单片机采用了精简指令集、哈佛总线结构和二级流水线，价格低、可靠性高、功耗低、体积小。单片机最小系统如图2所示。

图2 单片机最小系统

单片机最小系统由PIC16F887单片机、复位模块、4 MHz外部晶振、排针等组成。其中，7引脚、8引脚、28引脚VDD为电源端，接工作电源DC 5 V。6引脚、30引脚、31引脚VSS为接地端，直接接地；32引脚、33引脚接4 MHz外部晶振，电容取22 p F；VPP复位端接上拉电阻连接到工作电源。

1.3 显示部分

显示部分采用工业级4位7段数码管动态显示，这样可以节省I/O口，而且功耗低。显示部分电路图如图3所示。

图3 显示部分电路图

1.4 输入部分

输入部分有两路独立的启动/停止端和复位端，互不干扰。输入通道采用光耦TLP521做隔离，信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强、工作稳定使用寿命长、传输效率高。输入部分电路如图4所示。

1.5 电源部分

电源部分为24 V转5 V稳压隔离电源模块，输入电压范围宽，工作可靠稳定。输入电压范围为DC 18～36 V，输出电压5 V，输出功率5 W。电源部分电路图如图5所示。

2 软件设计

计时器控制程序采用中断触发方式，选用定时器1进行定时计时，其具有两路独立的启动和停止端口以及与之对应的独立的复位端口，分别命名为“启动/停止1”、“启动/停止2”、“复位1”和“复位2”。各控制端口采用DC 24 V电平触发工作方式，两路控制独立工作，互不干扰，工作可靠，抗干扰能力强。

2.1 主程序流程图

当第1路控制端接通DC 24 V电平时，计时器开始计时，断开时，计时器停止计时，数码管闪烁显示当前计时提示，直到复位端接通DC 24 V电平时计时器复位，计时清零。两路控制端是独立的，第1路控制端启动计时，只能由第1路的复位控制去复位和清零，当第1路启动计时且未复位时，第2路启动计时和复位操作无效。第2路控制与第1路相同。主程序流程图如图6所示。

图4 输入部分电路图

图5 电源部分电路图

2.2 显示模块

显示模块选用的数码管为4位7段动态显示，根据计时范围小数点自动移动。当计时数据大于等于0且小于10，显示个数位和3位小数位；当计时数据大于等于10小于100，显示两位整数位和两位小数位；当计时数据大于等于100且小于1000时，显示3位整数位和1位小数位；当计时数据大于等于1000且小于10 000时，显示四位整数位；当计时数据大于等于10 000时，显示复位从0开始，但是系统内部累计计时，不清零，直到手动复位清零。

小数点显示控制程序：

图6 主程序流程图

数码管点亮程序：

2.3 控制模块

控制程序采用终端电平中断触发方式，控制定时器的启动和停止。

2.4 延时模块

3 型式试验

在实现功能的基础上，分别对该设备进行了功能试验、电磁兼容试验和环境试验。

3.1 功能试验

在功能试验中，设备运行良好，能够很好地实现所设计的各项功能。计时器计时范围为0.000～9 999 s，当计时达到9 999 s后，计时器从0.000重新开始计时，且运行30 000 s后误差不大于1 s。

3.2 电磁兼容试验

按照TB3073-2003的规定，在电磁兼容实验中做了以下试验：静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌（冲击）抗扰度试验、工频磁场抗扰度试验和脉冲磁场抗扰度试验。在试验过程中，遇到了一些问题并及时进行了改进。

3.2.1 静电放电抗扰度试验

当在电源端口接线端子加空气放电8kV干扰时，计时器出现错误复位情况，经分析应该是接线端子质量问题，更换为台湾町洋的接线端子后，计时器工作正常，没有再出现在空气放电干扰下的复位情况，设备工作正常。设备通过了静电放电抗扰度试验3级A类。

3.2.2 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

当给电源线加＋2kV/5 kHz和-2kV/5 kHz干扰时，计时器显示闪烁，不能正常计时，据观察显示是300 ms复位一次。电快速瞬变脉冲群是由间隔为300 ms的连续脉冲串构成，经分析是由于电源没有加防护电路而使干扰直接影响到正常计数。经过多次试验和改进，选择在电源口增加如图7所示的滤波电路，使设备顺利通过电快速瞬变脉冲群抗扰度试验3级A类。在试验中和试验结束后，设备工作正常。

图7 滤波网络

3.2.3 浪涌（冲击）抗扰度试验

当给电源端加冲击时，击穿了电源端的CBB电容和二极管，说明防护电路还不够完善，还需改进。经过多次试验和改进，在电源端口并联了一个TVS管和压敏电阻，使设备通过了浪涌（冲击）抗扰度试验3级A类。选择的滤波电路如图8所示。在试验中和试验结束后，设备工作正常。

图8 滤波网络

此外，计时器顺利通过3级A类工频磁场抗扰度试验和脉冲磁场抗扰度试验，干扰试验中和实验结束后，受试设备均能正常工作。

3.3 高温试验

在＋70℃下2 h升温和保温过程中，计时器能正常工作，试验后从试验箱内取出试品，在常温下放置2 h后，计时器能正常工作。

3.4 低温试验

在-40℃下2 h降温和保温过程中，计时器能正常工作，试验后从试验箱内取出试品，在常温下放置2 h后，计时器能正常工作。

3.5 交变湿热

设备在经过循环次数为12周期的交变湿热（高温40℃）后，潮湿绝缘电阻不小于1.5 mΩ。

①潮湿绝缘电阻：在交变湿热最后一周期结束前2 h在试验箱内测试；

②绝缘耐压：试验结束后，试品从试验箱内取出在常温下放置恢复2 h，进行绝缘耐压试验，复试时的电压值为原实验值的75%，历时1 min，试验期间无击穿或闪络现象。

结 语

数字计时器选用PIC16F887单片机，价格低、可靠性高、功耗低、体积小；显示部分选用了工业级4位7段数码管动态显示，显示稳定；输入通道采用光耦TLP521做隔离，信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，抗干扰能力强，传输效率高，使用寿命长；电源模块选用稳压隔离电源模块，输入电压范围宽，工作可靠稳定；计时器体积小巧，计时准确，精度高。该计时器通过了电磁兼容试验和环境试验，能够应用于复杂环境条件，工作可靠稳定，抗干扰能力强。

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