CN107844085A - 数字化安全机构状态转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种数字化安全机构状态转换装置，外部机箱采用标准机箱，前面板主要有电源开关、状态指示灯、保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、显示数码管、转十次按钮、清零按钮、接插件(通过电缆线与安全机构相连)；后面板主要有作动源输入(通过外部稳压电源供电)、电源供电(220V)。机箱内部采用MCS‑51单片机作为控制核心部件，基于MCS‑51单片机相应引脚配合外围电路实现相应的计数及逻辑运算。操作者通过按键对单片机发送外部指令，单片机检测到外部按键后，根据不同的外部按键指令来控制安全机构进行状态转换，并将转换的次数显示处理。本发明大大提高了生产测试的可靠性和生产效率，简化了操作流程，缩短了安全机构的生产测试周期，减少了操作人员工作量，降低了劳动强度。

Description

数字化安全机构状态转换装置

技术领域

本发明涉及设备控制技术领域，具体为一种用于安全机构生产及测试过程中保险状态和工作状态之间的相互转换的数字化安全机构状态转换装置。

背景技术

安全机构如同一种高可靠的阀门装置，通常安装在电发火管和点火药盒之间，可以根据需要有效切断或接通固体火箭发动机的传火、传爆电路通道。

安全机构具有两种状态，即保险状态和工作状态。安全机构处于保险状态时，可有效切断传火、传爆电路通道，确保火箭发动机在运输、贮存、检测、维护等工作中，不会因为外界不确定性因素干扰而引起发动机非预期点火，保证发动机系统的安全；安全机构处于工作状态时，可有效接通传火、传爆电路通道，确保发动机在发射状态时点火通道畅通，保证发动机顺利可靠点火。通过外界提供的直流电源，安全机构可以快速在保险状态和工作状态之间进行相互转换。

根据发动机总体要求，合格的某型号安全机构状态转换电压必须满足下列条件：当转换电压高于18V时，安全机构必须可以实现状态转换；当转换电压低于8V时，安全机构必须维持原状态不变。安全机构进行状态转换时，通过给安全机构内部的电磁销或电机加电一定时间(约200ms)从而使安全机构完成状态转换。本发明中提出的转换装置即为适用于该型号安全机构进行状态转换的装置。

现有的转换装置内部采用时间继电器进行转换时加电时间的控制，外部通过引出接线端子与电源机构的对应部件相连，面板上包含了指示状态的LED灯和状态转换按钮，其外观结构如图1所示。

转换装置的工作过程如下：将外部稳压电源调至合适的电压，连接至转换装置背后的作动源接线柱的输入端，转换装置的输出端与安全机构相连。打开转换装置的电源开关，外部稳压电源的输出通过转换装置加至安全机构，同时基于时间继电器的时间控制功能，控制加电时间，以实现安全机构状态转换。

现有的转换装置每次按下开关只能完成一次状态转换，即安全机构由保险状态转为工作状态或由工作状态转为保险状态。在实际使用过程中，存在经常需要连续进行多次转换的情况。譬如在安全机构的生产过程中，在特定电压下需要进行多次尝试，以确保生产出的安全机构处于最优状态。同时根据设计指标要求以及安全机构的内部结构限制，安全机构在8V做动源电压下不转换，在18V做动源电压下必须转换，但作动源电压处于8V～18V(不含8V、18V)范围内时，不同的安全机构的转换电压一般不会相同，那么对于某一具体的安全机构而言，就存在一个处于8V～18V之间的做动源电压的阀值，所以在生产过程中需要不断调整其内部结构，寻找做动源电压的阀值，确保生产出的安全机构处于最优状态，以满足设计要求。另外安全机构生产完成后仍需要连续转换多次来测试其性能的稳定性、可靠性。

目前的转换装置都是人工按压方式进行转换控制，需要耗费大量重复性的劳动，效率低下。另外现有的转换装置外观简陋，不具备测试仪器的基本外观特性，与外部电源及安全机构的对应部件采用接线柱连接，容易脱落，连接可靠性不高。同时现有装置的时间控制策略精度取决于时间继电器，时间精度不够理想，并且难以做到时间参数的临时调整。操作不方便。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种数字化安全机构状态转换装置，其外部机箱采用标准机箱，前面板主要有电源开关、状态指示灯(LED灯)、保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、显示数码管、转十次按钮、清零按钮、接插件(通过电缆线与安全机构相连)；后面板主要有作动源输入(通过外部稳压电源供电)、电源供电(220V)。机箱内部为印制电路板及连接导线等。

机箱内部采用MCS-51单片机作为控制核心部件，基于MCS-51单片机相应引脚配合外围电路实现相应的计数及逻辑运算。操作者通过按键对单片机发送外部指令，单片机检测到外部按键后，根据不同的外部按键指令来控制安全机构进行状态转换，并将转换的次数显示处理。

基于上述原理，本发明的技术方案为：

所述一种数字化安全机构状态转换装置，其特征在于：包括机箱；机箱前面板上具有电源开关、工作状态和保险状态指示灯、保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、显示数码管、转十次按钮、清零按钮以及用于通过电缆线与安全机构相连的接插件；机箱后面板上具有通过外部稳压电源供电的作动源输入插座和220V电源供电插座；

机箱内部包括单片机核心电路、键盘和中断电路、安全机构状态显示和判断电路、继电器控制电路和数码管显示电路；

所述单片机核心电路包括单片机、第一接插件J7、第二接插件J8、上拉电路以及外部晶振；第一接插件J7、第二接插件J8、上拉电路以及外部晶振连接在单片机上；第二接插件J8连接数码管显示电路，第一接插件J7连接机箱前面板上的保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、转十次按钮和清零按钮；所述单片机内部包括定时器，单片机核心电路完成所有的控制指令和逻辑运算、时序以及定时器控制；

所述键盘和中断电路包括与非门、阻容滤波器、二极管D1和三极管Q1；机箱前面板上的保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、转十次按钮和清零按钮接在与非门上；当保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、转十次按钮和清零按钮中任意一个按钮被按下时，与该按钮连接的单片机接口处于低电平，与非门输出高电平，再经过阻容滤波器滤去按键时按键抖动产生的干扰信号，高电平使二极管D1导通，二极管D1输出高电平，使与二极管阴极相连的三极管Q1基极电位变高，三极管Q1导通，其输出信号INT0变为低电平；当单片机检测到INT0信号变低后，产生外部按键中断，在中断程序中，单片机读取按下的按钮键值，再根据键值完成相应任务；

所述安全机构状态显示和判断电路包括保险状态显示和判断电路以及工作状态显示和判断电路；保险状态显示和判断电路中，电阻R1、保险状态指示发光二极管和保险开关串联在高电平和地之间；三极管Q4基极通过电阻R25接在保险开关上，三极管Q4集电极接单片机；工作状态显示和判断电路中，电阻R2、工作状态指示发光二极管和工作开关串联在高电平和地之间；三极管Q5基极通过电阻R26接在保险开关上，三极管Q5集电极接单片机；当安全机构处于保险状态时，保险开关闭合，工作开关断开，保险状态指示发光二极管LED_GRN发光，工作状态指示发光二极管发光二极管LED_RED不发光，反之保险状态指示发光二极管LED_GRN不发光，工作状态指示发光二极管发光二极管LED_RED发光；单片机通过检测三极管Q4以及三极管Q5集电极的电平状态来判断安全机构状态；

所述继电器控制电路包括反向模块、光耦隔离模块、达林顿驱动模块；当单片机需要执行继电器控制任务时，单片机控制口输出低电平，经过反向模块反向后信号变为高电平，经光耦隔离模块后输出高电平，此高电平信号使达林顿驱动模块输出驱动继电器的信号使相应继电器闭合，控制安全机构的电机或电磁销动作，实现安全机构的状态转换；

所述数码管显示电路通过用8段共阳极数码管显示安全机构转换的次数。

有益效果

本发明提出的转换装置与原来的装置相比大大提高了生产测试的可靠性和生产效率，简化了操作流程，缩短了安全机构的生产测试周期，减少了操作人员工作量，降低了劳动强度；并为其它型号批生产提供借鉴经验。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：现有转换装置外观示意图；(a)正面板示意图，(b)背面板示意图；

图2：本发明转换装置外观示意图；(a)正面板示意图，(b)背面板示意图；

图3：单片机核心电路；

图4：键盘和中断电路；

图5：安全机构状态显示和判断电路；

图6：继电器控制电路；

图7：数码管显示电路；

图8：测试接线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出的转换装置外观如图2所示：其外部机箱采用标准机箱，前面板主要有电源开关、状态指示灯(LED灯)、保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、显示数码管、转十次按钮、清零按钮、接插件(通过电缆线与安全机构相连)；后面板主要有作动源输入(通过外部稳压电源供电)、电源供电(220V)。机箱内部为印制电路板及连接导线等。

机箱内部采用MCS-51单片机作为控制核心部件，基于MCS-51单片机相应引脚配合外围电路实现相应的计数及逻辑运算。操作者通过按键对单片机发送外部指令，单片机检测到外部按键后，根据不同的外部按键指令来控制安全机构进行状态转换，并将转换的次数显示处理。本转换装置的信号流如下：

1、单片机核心电路：单片机核心部分电路图如图3所示，图中Y1为外部晶振，RP1、RP2和RP3为排阻，用作上拉电路；J7和J8是接插件，J8用于连接数码管显示器，J7用于连接外部按键。单片机用来完成所有的控制指令和逻辑运算、时序以及定时器控制等。

2、键盘和中断电路：键盘和中断电路如图4所示，键盘由“转保险”、“转工作”、“转十次”、“清零”4个按键组成，这些按键的一端接地，另一端通过接插件J7连接到单片机的P2口。当有任意一个按键按下时，与该按键连接的单片机口线P2x就会变成低电平，其中也夹杂着由于按键抖动产生的干扰信号，经过与非门CD4068B后输出高电平，再经过由R13和C1组成滤波器，用于滤去按键时按键抖动产生的干扰信号，经过滤波器后的高电平二极管D1的阳极时，二极管导通，在二极管D1的阴极(也就是三极管Q1的基极)也输出一个高电平，三极管由于基极电位变高，三极管Q1导通，其输出信号INT0变为低电平；单片机检测到INT0信号变低后，即产生外部按键中断。在中断程序中，单片机读取按下的按键的键值，再根据不同的键值完成不同的任务。

3、安全机构状态显示和判断电路：安全机构状态显示电路如图5所示。当安全机构处于保险状态时，保险开关闭合，工作开关断开；发光二极管LED_GRN由于保险开关闭合而发光，而发光二极管LED_RED由于工作开关断开，而流过电阻R26的电流很小，因此发光二极管LED_RED是不发光的；操作根据这两个管的亮灭来判断安全机构的状态。另一方面，由于单片机控制安全机构转换时，也需要读取安全机构当前所处的状态，然后进行控制转换。在图5中，当安全机构处于保险状态时，保险开关闭合，信号SAFE_LED2为低电平，三极管Q4处于截止状态，因而单片机口线P16处于高电平状态；而此时工作开关断开，信号WORK_LED2为高电平，三极管Q5处于导通状态，单片机口线P17处于低电平，单片机根据P16的高电平和P17的低电平来判断安全机构处于保险状态；反之，如果P16是低电平且P17是高电平，则单片机判断安全机构处于工作状态。

4、继电器控制电路：单片机根据安全机构的状态，控制相应的继电器闭合或者断开，来控制安全机构进行状态转换的。继电器由单片机P0口控制，如图6所示为继电器控制电路。单片机口线P00(P01)经74HC540芯片反向后输出信号为R_P00(R_P01)，经过光耦隔离后输出信号RELAY1(RELAY2)，再经过达林顿驱动芯片ULN2803后输出驱动继电器的信号RELAY01(RELAY02)。当需要闭合某个继电器时，单片机的相应引脚输出为低电平，经74HC540芯片反向后信号变为高电平，经光耦TLP521-4后输出高电平，此高电平信号使ULN2803输出低电平吸收电流，这样，继电器线圈K1B(或K2B)有电流通过，继电器闭合。继电器闭合后，其开关K1A(或K2A)是导通状态，外部电源因为继电器开关的导通而形成通路，安全机构的电机(或电磁销)上有电流通过而实现安全机构的状态转换。

5、数码管显示电路：安全机构转换的次数用8段共阳极数码管显示，数码管的驱动芯片是PCF8574，如图7所示为数码管显示电路。在图3中接插件J8的信号5V、P12、P13、DGND通过外部连线连接到图7中的接插件J9，J8和J9的信号连接关系如下表所示。

信号SDA_P12和SCL_P13是I²C接口的通讯线，单片机通过I²C通讯协议控制芯片PCF8574输出数据，这些数据在PCF8574的8根输出线上表现为高低电平，从而控制数码管发光成不同字符，连接在PCF8574和数码管之间的限流电阻用于控制数码管的发光亮度。

工作方式：

当按下“转工作”按钮时，单片机P00口线输出低电平，继电器开关K1A闭合，作动源电压加到安全机构上，同时单片机启动内部定时器工作，定时200ms(即200毫秒)，安全机构将由保险状态转为工作状态，之后，单片机控制P00输出高电平，继电器开关K1A断开，数码管上显示转换次数不变；

当按下“转保险”按钮时，单片机口线P01输出低电平，继电器开关K2A闭合，作动源电压加到安全机构上，同时单片机启动内部定时器工作，定时200ms(即200毫秒)，安全机构将由工作状态转为保险状态，之后，单片机控制P01输出高电平，继电器开关K2A断开，此时数码管上显示的转换次数加1。

当按下“转十次”按钮时，单片机在线读安全机构的状态，根据安全机构现存的状态控制安全机构连续转换十次，同时数码管上显示的转换次数依此增加。

当按下“清零”按钮时，数码管上显示的转换次数为零，转换装置从零开始重新计数。

整个操作过程的外部稳压源、转换装置、安全机构的连接关系如图8所示：

本发明的转换装置与原来的装置相比大大提高了生产测试的可靠性和生产效率，简化了操作流程，缩短了安全机构的生产测试周期，减少了操作人员工作量，降低了劳动强度；并为其它型号批生产提供借鉴经验。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种数字化安全机构状态转换装置，其特征在于：包括机箱；机箱前面板上具有电源开关、工作状态和保险状态指示灯、保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、显示数码管、转十次按钮、清零按钮以及用于通过电缆线与安全机构相连的接插件；机箱后面板上具有通过外部稳压电源供电的作动源输入插座和220V电源供电插座；

机箱内部包括单片机核心电路、键盘和中断电路、安全机构状态显示和判断电路、继电器控制电路和数码管显示电路；

所述单片机核心电路包括单片机、第一接插件J7、第二接插件J8、上拉电路以及外部晶振；第一接插件J7、第二接插件J8、上拉电路以及外部晶振连接在单片机上；第二接插件J8连接数码管显示电路，第一接插件J7连接机箱前面板上的保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、转十次按钮和清零按钮；所述单片机内部包括定时器，单片机核心电路完成所有的控制指令和逻辑运算、时序以及定时器控制；

所述键盘和中断电路包括与非门、阻容滤波器、二极管D1和三极管Q1；机箱前面板上的保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、转十次按钮和清零按钮接在与非门上；当保险状态转换按钮、工作状态转换按钮、转十次按钮和清零按钮中任意一个按钮被按下时，与该按钮连接的单片机接口处于低电平，与非门输出高电平，再经过阻容滤波器滤去按键时按键抖动产生的干扰信号，高电平使二极管D1导通，二极管D1输出高电平，使与二极管阴极相连的三极管Q1基极电位变高，三极管Q1导通，其输出信号INT0变为低电平；当单片机检测到INT0信号变低后，产生外部按键中断，在中断程序中，单片机读取按下的按钮键值，再根据键值完成相应任务；

所述安全机构状态显示和判断电路包括保险状态显示和判断电路以及工作状态显示和判断电路；保险状态显示和判断电路中，电阻R1、保险状态指示发光二极管和保险开关串联在高电平和地之间；三极管Q4基极通过电阻R25接在保险开关上，三极管Q4集电极接单片机；工作状态显示和判断电路中，电阻R2、工作状态指示发光二极管和工作开关串联在高电平和地之间；三极管Q5基极通过电阻R26接在保险开关上，三极管Q5集电极接单片机；当安全机构处于保险状态时，保险开关闭合，工作开关断开，保险状态指示发光二极管LED_GRN发光，工作状态指示发光二极管发光二极管LED_RED不发光，反之保险状态指示发光二极管LED_GRN不发光，工作状态指示发光二极管发光二极管LED_RED发光；单片机通过检测三极管Q4以及三极管Q5集电极的电平状态来判断安全机构状态；

所述继电器控制电路包括反向模块、光耦隔离模块、达林顿驱动模块；当单片机需要执行继电器控制任务时，单片机控制口输出低电平，经过反向模块反向后信号变为高电平，经光耦隔离模块后输出高电平，此高电平信号使达林顿驱动模块输出驱动继电器的信号使相应继电器闭合，控制安全机构的电机或电磁销动作，实现安全机构的状态转换；

所述数码管显示电路通过用8段共阳极数码管显示安全机构转换的次数。