Микропрограммное реле времени

Полезная модель относится к области автоматики и вычислительной техники и предназначена для коммутации электрических цепей через определенное (заданное) время в продукции гражданского, промышленного и специального назначения.
Известно программно-временное устройство на базе управляющего контроллера по патенту RU №189611 (опубл. 29.05.2019, бюл. №16), способное осуществлять коммутацию N-1 канала в соответствии с заданными временными интервалами, использующее в качестве устройств коммутации цепей оптоэлектронные реле. Помимо этого, устройство содержит модуль сопряжения с LED-индикатором, модуль сопряжения с ПЭВМ, модуль преобразователей RS-232/422/485, модуль квитирования аналогового сигнала, модуль вторичного электропитания.
К основным недостаткам данного устройства прежде всего можно отнести высокую сложность, напрямую связанную с избыточностью периферийных модулей, зачастую не требующихся для практического использования. Данная избыточность неизбежно влечет за собой повышение стоимости устройства. Также стоит отметить, что использование оптоэлектронных реле в качестве устройств коммутации не всегда оправдано в связи с их высокой стоимостью и малой надежностью при кратковременных перегрузках или коммутации реактивной нагрузки. При этом, для решения задачи одиночной коммутации через определенный интервал времени, параметры быстродействия и ресурса по количеству переключений становятся не столь критичными.
Наиболее близким аналогом является устройство программно-временное микроэлектронное по патенту RU №150842 (опубл. 27.02.2015, бюл. №б), в свою очередь, являющееся электронным аналогом серийно выпускаемого электромашинного реле времени ЭМРВ-27Б. Устройство программно-временное микроэлектронное содержит корпус, крышку с циферблатом, подвижную ручку переключателя временных интервалов, представляющую собой подвижные контактные пары, колодку внешних подключений, электронный блок, состоящий из платы генератора и платы узла выбора выдержки времени, содержащей делитель частоты, счетчик импульсов, переключатель временных интервалов и выходное устройство в виде реле или ключевого каскада.
Недостатком прототипа является то, что в его состав входит достаточно сложный электронный блок, содержащий множество составных частей, а также механическая подвижная контактная пара для переключения временных интервалов, которые, в итоге, снижают надежность и повышают стоимость конечного изделия. Стоит добавить, что изменение временного диапазона работы устройства требует внесения изменения в конструкцию электронного блока, снижая степень унификации.
Предлагаемой полезной моделью решается задача упрощения конструкции, достижения унификации и повышения надежности устройства для коммутации электрических цепей через определенное (заданное) время.
Указанный технический результат достигается тем, что микропрограммное реле времени, содержащее корпус, колодку внешних подключений, крышку с циферблатом, переключатель временных интервалов, электронный блок, выходное устройство, снабжено трехвыводным переменным резистором, механически связанным с переключателем временных интервалов. Электронный блок представляет собой плату, на которой размещены кварцевый резонатор, стабилизатор напряжения, выходное устройство, контактные площадки, микроконтроллер. При этом в микроконтроллер интегрированы тактовый генератор, предварительный делитель частоты, по крайней мере два таймера: первый, определяющий первый коэффициент деления, и второй, определяющий второй коэффициент деления и формирующий запрос на обработку прерывания, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), энергонезависимая память EPROM с управляющей микропрограммой, процессор, интерфейс SPI. Вывод подвижного контакта трехвыводного переменного резистора соединен со входом АЦП, а два других вывода соединены с положительным и отрицательным выводами стабилизатора напряжения, выход кварцевого резонатора подключен ко входу тактового генератора, тактовый генератор, предварительный делитель частоты, первый таймер, второй таймер, соединены последовательно, выход выходного устройства и вход стабилизатора напряжений соединены с колодкой внешних подключений, контактные площадки через интерфейс SPI сопряжены с энергонезависимой памятью EPROM, выход процессора подключен ко входу выходного устройства.
Предлагаемое микропрограммное реле времени иллюстрируется чертежами, представленными на фигурах 1, 2, 3.
На фиг. 1 приведен общий вид микропрограммного реле времени.
На фиг. 2 приведена общая схема микропрограммного реле времени.
На фиг. 3 приведен алгоритм микропрограммного кода.
Микропрограммное реле времени содержит: корпус 1, крышку с циферблатом 2, колодку внешних подключений 3, переключатель временных интервалов 4, механически связанный с трехвыводным переменным резистором 5, электронный блок 6, представляющий собой плату, на которой размещены кварцевый резонатор 7, стабилизатор напряжения 8, выходное устройство 9, контактные площадки 10, микроконтроллер 11. В микроконтроллер интегрированы тактовый генератор (ТГ) 12, предварительный делитель частоты (ПД) 13, по крайней мере два таймера: первый - 14 и второй - 15, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 16, энергонезависимая память (EPROM) 17 с управляющей микропрограммой, для записи данных в которую используются контактные площадки 10, процессор 18, интерфейс SPI19.
Трехвыводной переменный резистор 5 используется в качестве датчика положения переключателя временных интервалов 4, формирующего напряжение, которое считывается с помощью АЦП. Для этого вывод подвижного контакта переменного резистора 5 соединен со входом АЦП 16 микроконтроллера, а два других вывода соединены с положительным и отрицательным выводами стабилизатора напряжения 8, на вход которого подается напряжение питания устройства, поступающее от колодки внешних подключений 3.
Выход кварцевого резонатора 7, задающего частоту работы тактового генератора 12, подключен ко входу последнего. При этом тактовый генератор 12, предварительный делитель частоты 13, первый таймер 14, второй таймер 15 соединены последовательно. Выход выходного устройства 9 и вход стабилизатора напряжений 8 соединены с колодкой внешних подключений 3. Вход выходного устройства 9 соединен с выходом процессора 18.
При этом выходное устройство может быть выполнено в двух исполнениях: в виде реле, осуществляющего коммутацию контактов, связанных с колодкой внешних подключений, и в виде полупроводникового ключевого каскада, коммутирующего напряжение питания на контакты колодки внешних подключений.
Выходное устройство 9, выполненное в виде реле, представляет собой, например, ключевой каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером
Выходное устройство 9, выполненное в виде полупроводникового ключевого каскада, представляет собой, например, составной ключевой каскад на биполярных транзисторах n-p-n и p-n-р структуры, включенных по схеме с общим эмиттером.
Алгоритм микропрограммного кода содержит следующие основные этапы выполнения: сброс при подаче питания, чтение АЦП, чтение постоянных минимальной задержки и шага временного интервала из энергонезависимой памяти, настройка предварительного делителя и таймеров, переход в режим ожидания, пробуждение по запросу на прерывание от таймера, переключение состояния выходного устройства, переход в спящий режим.
Микропрограммное реле времени работает следующим образом.
На вход стабилизатора напряжения 8 подается напряжение питания устройства, поступающее от колодки внешних подключений 3. При подаче питания считывается значение напряжения на входе АЦП, величина которого ставится в соответствие одному из значений N положения переключателя временных интервалов 4.
min
min
Время формируемой задержки определяется выражением T = T + NΔT, где T - минимальное время задержки, соответствующее начальному положению переключателя временных интервалов 4, для которого N=0, а ΔT - приращение временного интервала при переключении переключателя временных интервалов в соседнее положение.
pre
Для формирования задержек в широком временном диапазоне в реальном устройстве частота с выхода тактового генератора 12  делится предварительным делителем частоты 13 на величину K, первым таймером 14 на величину и вторым таймером 15 на величину в результате чего формируется запрос на прерывание по истечении времени .
min
t1
ΔT
t2
Коэффициенты деления и выбирают таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная точность отсчета. Для этого вводятся две постоянные времени n = округлив вверх , , где  и - количество тактов, соответствующее T и ΔT, a razr - разрядность первого таймера. Тогда K = N/n, K= n ⋅ (m + N).
t1
Таким образом, временной интервал работы реле определяется тремя постоянными K, n и m, которые заносятся в энергонезависимую память 17, и в итоге определяют параметры всего ряда устройств и унифицируют его конструкцию.
t1
t2
Далее из энергонезависимой памяти 17 извлекаются значения постоянных времени K, n и m, после чего вычисляется K. Затем и заносятся в соответствующие регистры таймеров 14, 15. При этом второй таймер 15 настраивается для генерирования запроса на прерывание по окончании счета. Так как цепочка таймеров может функционировать автономно, для снижения энергопотребления микроконтроллер переводится в режим ожидания.
При получении процессором 18 запроса на прерывание по истечении заданного времени микроконтроллер выходит из режима ожидания. Затем процессор подает команду на переключение состояния выходного устройства 9, после чего микроконтроллер окончательно переходит в спящий режим для снижения энергопотребления.
Микропрограммное реле времени является функционально законченным устройством, позволяющим осуществлять коммутацию электрических цепей через определенное (заданное) время в продукции гражданского, промышленного и специального назначения, обладающее упрощенной конструкцией и высокой степенью унификации.
Предлагаемое устройство может быть изготовлено с помощью известных средств и технологий.