由3个继电器控制4路信号通断的逻辑系统及控制方法与流程

本发明涉及继电器控制系统领域，具体是一种由3个继电器来控制4路信号通断的逻辑系统及控制方法。

背景技术：

工业上经常需要采集多输入设备模拟信号，但是通过一台ad转换器来采集多路模拟信号存在很大的弊端，需要不停的插拔接口接头进行切换，显然比较麻烦，此外对精密仪器或是ad转换器的接口也会造成磨损，降低其使用寿命。

单片机又称为单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。目前单片机广泛应用于各种控制领域，如智能仪器仪表、医用设备、机器人等。继电器拥有类似于开关的作用，继电器被广泛地应用于各种电子设备控制电路中，用于隔离控制信号与负载。某些特殊的输出要求只有控制信号按照预定的逻辑顺序发出时，才能输出，而且通常情况下，利用一个继电器只能够控制一路信号选通，而想要实现四路信号的选通通常需要四个继电器分别控制。目前，信号控制电路一般采用芯片数字电路实现，电路较为复杂，对设计人员技术要求比较高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电路简单，实现方便，可以基于单片机来控制3个继电器选通4路信号的逻辑系统及控制方法。

实现本发明目的的基本技术方案是：一种由3个继电器控制4路信号通断的逻辑系统，其结构特点是：包括mcu控制单元、继电器逻辑控制电路、usb电源接口电路、usb转ttl电平转换电路和信号输入输出接口单元。mcu控制单元用于对继电器逻辑控制电路进行访问控制。usb转ttl电平转换电路用于将usb电源接口电路接收到的usb电平转化为mcu控制单元能够识别的ttl电平。信号输入输出接口单元用于接天线、滤波器、ad转换器等仪器设备，实现模拟信号输入输出。继电器逻辑控制电路包括3个继电器，继电器触点之间通过级联实现信号通道的扩展，对信号输入输出接口单元的四路信号选择一路进行控制。

以上述基本技术方案为基础的技术方案是：mcu控制单元设有第一晶振电路和复位电路。第一晶振电路用于给mcu控制单元提供时钟信号。复位电路用于使mcu控制单元的程序计数器清零，让mcu控制单元稳定工作。

以上述相应技术方案为基础的技术方案是：usb电源接口电路包括usb母座m1、第十电容c10、第十一极性电容c11和第九发光二极管d9。usb母座m1采用microusb母座。电源接口电路的第十一极性电容c11采用铝电解电容，具有滤波和储能的作用，能够让pc机稳定供电。第九发光二极管d9作为电源接口电路的上电指示灯，提示用户系统通电。

以上述相应技术方案为基础的技术方案是：usb转ttl电平转换电路包括电平转换芯片g1，它是一个usb总线的转接芯片，实现usb转串口、usb转irda红外或者usb转打印口。电平转换芯片g1用于将usb电源接口电路接收到的usb电平转化为mcu控制单元能够识别的ttl电平。

以上述相应技术方案为基础的技术方案是：usb转ttl电平转换电路设有第二晶振电路，第二晶振电路用于给电平转换芯片g1提供时钟信号。电平转换芯片g1采用型号为ch340g的芯片。ch340g的ud+管脚与microusb的d+管脚相连接，ud-管脚与microusb的d-管脚相连接。ch340g芯片的传输引脚txd和接收引脚rxd分别与mcu控制单元的接收引脚rxd和传输引脚txd相连接。mcu控制单元的接收引脚rxd用反向二极管d8与ch340g芯片的txd引脚相连接，反向二极管d8采用1n4148，防止有电流会通过这个引脚流入后级电路并且给后级的电容充电，造成后级有一定幅度的电压，导致影响mcu控制单元下载程序的冷启动。

以上述相应技术方案为基础的技术方案是：继电器逻辑控制电路的3个继电器分为第一继电器u1、第二继电器u2和第三继电器u3。3个继电器均采用信号继电器，所述信号继电器控制电压为5v，触点形式为：dpdt。该信号继电器有8个引脚，包括继电器线圈的正负极引脚，一对常开触点、一对常闭触点和一对公共端触点，与信号的隔离效果非常好。

第一继电器u1的线圈与第一pnp型三极管q1串接后，继电器线圈两端并接一个第一续流二极管d1，第一pnp型三极管q1一端接电源+5v，第一pnp型三极管q1的栅极接mcu控制单元的继电器控制io端口p23，同时串接第二电阻r2，第一电阻r1作为io端口的上拉电阻。

第二继电器u2的线圈与第二pnp型三极管q2串接后，继电器线圈两端并接一个第二续流二极管d2，第二pnp型三极管q2一端接电源+5v，第二pnp型三极管q2的栅极接mcu控制单元的继电器控制io端口p22，同时串接第四电阻r4，第三电阻r3作为io端口的上拉电阻。

第三继电器u3的线圈与第三pnp型三极管q3串接后，继电器线圈两端并接一个第三续流二极管d3，第三pnp型三极管q3一端接电源+5v，第三pnp型三极管q3的栅极接mcu控制单元的继电器控制io端口p21，同时串接第六电阻r6，第五电阻r5作为io端口的上拉电阻。

第一路模拟信号通道是从第一继电器u1的常闭触点输入，并与它的公共端触点相连接经由第三继电器u3的常闭触点，再从第三继电器u3的公共端触点输出信号，它是mcu控制单元的p23口给第一继电器u1发送高电平，同时p21口给第三继电器u3发送高电平。

第二路模拟信号通道是从第一继电器u1的常开触点输入，并与它的公共端触点相连接经由第三继电器u3的常闭触点，再从第三继电器u3的公共端触点输出信号，导通条件是mcu控制单元的p23口给第一继电器u1发送低电平，同时p21口给第三继电器发送高电平。

第三路模拟信号通道是从第二继电器u2的常闭触点输入，并与它的公共端触点相连接经由第三继电器u3的常开触点，再从第三继电器u3的公共端触点输出信号，导通条件是mcu控制单元的p22口给第二继电器u2发送高电平，同时p21口给第三继电器u3发送低电平。

第四路模拟信号通道是从第二继电器的常开触点输入，并与它的公共端触点相连接经由第三继电器u3的常开触点，再从第三继电器u3的公共端触点输出信号，导通条件是mcu控制单元的p22口给第一继电器u1发送低电平，同时p21口给第三继电器u3发送低电平。

以上述相应技术方案为基础的技术方案是：还包括信号选通指示电路。信号选通指示电路由四个发光二极管和第三负载电阻组成。四个发光二极管分别为第四发光二极管d4、第五发光二极管d5、第六发光二级管d6和第七发光二极管d7。第三负载电阻包括第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13和第十四电阻r14。第四发光二极管d4和第十一电阻r11串联在+5v电源与mcu控制单元的p24脚之间。第五发光二极管d5和第十二电阻r12串联在+5v电源与mcu控制单元的p25脚之间。第六发光二级管d6和第十三电阻r13串联在+5v电源与mcu控制单元的p26脚之间。第七发光二极管d7和第十四电阻r14串联在+5v电源与mcu控制单元的p27脚之间。

由3个继电器控制4路信号通断的逻辑系统的控制方法具有以下步骤：

一、单片机c语言编程。在选择信号通道的时候，采用case选择语句。

二、发送数据单元0x01代表in1信号通道，mcu控制单元的io脚p23输出高电平，使第一pnp三极管q1截止，此时第一继电器u1线圈两端没有电压，故第一继电器u1没有工作，它的常闭触点与公共端触点闭合，in1支路导通，第四发光二极管d4赋值为0，灯亮代表in1路选通。同时mcu控制单元的io脚p21输出高电平，使第三pnp三极管q3截止，此时第三继电器u3线圈两端没有电压，故第三继电器u3没有工作，它的常闭触点与公共端触点闭合，out支路导通，从而第一路模拟信号通道导通。

三、发送数据单元0x02代表in2信号通道，mcu控制单元的io脚p23输出低电平，使第一pnp三极管q1导通，此时第一继电器u1线圈两端电压为5v，故第一继电器u1开始工作，它的常闭触点断开，常开触点与公共端触点闭合，in2支路导通，第五发光二极管d5赋值为0，灯亮代表in2路选通。同时mcu控制单元的io脚p21输出高电平，使第三pnp三极管q3截止，此时第三继电器u3线圈两端没有电压，故第三继电器u3没有工作，它的常闭触点与公共端触点闭合，out支路导通，从而第二路信号通道导通。

四、发送数据单元0x03代表in3信号通道，mcu控制单元的io脚p22输出高电平，使第二pnp三极管q2截止，此时第二继电器u2线圈两端没有电压，故第二继电器u2没有工作，它的常闭触点与公共端触点闭合，in3支路导通，第六发光二级管d6赋值为0，灯亮代表in3路选通。同时mcu控制单元的io脚p21输出低电平，使第三pnp三极管q3导通，此时第三继电器u3线圈两端电压为5v，故第三继电器u3开始工作，常闭触点断开，常开触点与公共端触点闭合，out支路导通，从而第三路信号通道导通。

五、发送数据单元0x04代表in4信号通道，mcu控制单元的io脚p22输出低电平，使第二pnp三极管q2导通，此时第二继电器u2线圈两端电压为5v，故第二继电器u2开始工作，它的常闭触点断开，常开触点与公共端触点闭合，in4支路导通，第七发光二级管d7赋值为0，灯亮代表in4路选通。同时mcu控制单元的io脚p21输出低电平，使第三pnp三极管q3导通，此时第三继电器u3线圈两端电压为5v，故第三继电器u3开始工作，常闭触点断开，常开触点与公共端触点闭合，out支路导通，从而第四路信号通道导通。

本发明具有以下的有益效果：(1)本发明的电路简单、实现方便，基于单片机采用三个信号继电器就实现了对四路信号的采集和控制，方便地与上位机完成通信，控制多台仪器设备的信号输入，实现对设备输入信号的准确控制，即能够按照指定仪器设备采集模拟信号，对四路信号选择一路进行控制，大大的提高了设备之间的控制效率和精确度。

(2)本发明可以通过usb数据线连接至电脑上，用户通过上位机发送数据对设备信号的输入输出进行远程控制和精确控制。

(3)本发明利用三个信号继电器来实现对四路模拟信号的选通控制，大大节约了成本。

(4)通过本发明对四路信号选择，无需插拔接口接头进行切换，保护接口不易损坏，大大提高了设备仪器的使用持久性。

(5)本发明中的继电器选用型号为g6j-2p-y-dc5v的信号继电器，与信号的隔离效果非常好。其控制电压为5v，触点形式为：dpdt。该信号继电器有8个引脚，包括继电器线圈的正负极引脚，一对常开触点、一对常闭触点和一对公共端触点。

(6)本发明的基于单片机来控制3个继电器选通4路信号的逻辑系统的控制方法通过继电器触点之间的级联实现信号通道的扩展，同理，还可以实现用3n只继电器控制4n路信号通断的逻辑系统，n为自然数，应用前景广泛。

附图说明

图1为本发明的由3个信号继电器控制4路信号通断的逻辑系统结构框图。

图2是本发明的电路原理图。

图3为图2中mcu控制单元的放大电路原理图。

图4为图2中继电器逻辑控制电路的放大电路原理图。

图5是本发明的3个继电器控制4路信号的逻辑方法图。

图6为图2中usb电源接口电路的放大电路原理图。

图7为图2中usb转ttl电平转换电路的放大电路原理图。

图8是本发明的由3个信号继电器来控制4路信号通断的逻辑系统的真值表(0、1表示高低电平，x表示与单片机p2口的电平无关)。

图9是本发明在四路信号分别被选通情况下，用万用表欧姆档对被选通输入输出口测量得到的结果验证图。(触点2和7是常闭触点对，触点4和5是常开触点对，/表示继电器触点工作状态任意)。

附图中的标号为：

mcu控制单元1，

继电器逻辑控制电路2，

usb电源接口电路3，

usb转ttl电平转换电路4，

信号输入输出接口单元5，

信号选通指示电路6，

复位电路10，复位按钮100。

具体实施方式

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

(实施例1)

见图1至图7，本发明的由3个继电器控制4路信号通断的逻辑系统包括mcu控制单元1、继电器逻辑控制电路2、usb电源接口电路3、usb转ttl电平转换电路4、信号输入输出接口单元5和信号选通指示电路6。

mcu控制单元1采用stc公司的型号为stc89c52的低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k字节系统可编程flash存储器。mcu控制单元1用于对继电器逻辑控制电路2进行访问控制。mcu控制单元1设有第一晶振电路和复位电路10。

第一晶振电路包括第二电容c2、第三电容c3和第一晶振y1。第一晶振电路用于给mcu控制单元1提供时钟信号。在mcu控制单元1的x1和x2引脚之间连接一个11.0592mhz的第一晶振y2，在x1引脚接第二负载电容c2，在x2引脚接第三负载电容c3，第一晶振y1将提供所需的时钟信号。

复位电路10包括复位按钮100、第一负载电阻和第四极性电容c4。复位电路10用于使mcu控制单元1的程序计数器清零，让mcu控制单元1稳定工作。第一负载电阻包括第七电阻r7和第八电阻r8。复位按钮100电连接在第七电阻r7和第四极性电容c4的正极之间，第七电阻r7与第四极性电容c4的负极电连接。第八电阻r8一端接地，另一端与第四极性电容c4的负极电连接。第四极性电容c4的正极接+5v电源。

usb电源接口电路3包括usb母座m1、第二负载电阻、第十电容c10、第十一极性电容c11和第九发光二极管d9。

usb母座m1采用microusb母座，microusb连接器比标准usb和miniusb连接器更小，节省空间，具有高达10000次的插拔寿命和强度，盲插结构设计。microusb标准支持目前usb的otg功能，即在没有主机的情况下，便携设备之间可直接实现数据传输，兼容usb1.1和usb2.0，同时提供数据传输和充电，microusb通用性广，使用方便。microusb插头端有5个功能管脚，分别为：vbus(电源正5v)、d-(数据线负)、d+(数据线正)、id(又分为与线相连和不与地线相连的两种接口)、gnd(信号地线)，本实施例中不需要用到id管脚。电源接口电路3的第十一极性电容c11采用铝电解电容，具有滤波和储能的作用，能够让pc机稳定供电。第九发光二极管d9作为电源接口电路的上电指示灯，提示用户系统通电。第十电容c10和第十一极性电容c11并联。vbus与第十一极性电容c11的正极和第十电容c10电连接；第十一极性电容c11的负极接地。第二负载电阻包括第九电阻r9和第十电阻r10。d-与第十电阻r10的一端电连接。d+与第九电阻r9的一端电连接。

usb转ttl电平转换电路4包括电平转换芯片g1，本实施例中电平转换芯片g1的型号为ch340g，它是一个usb总线的转接芯片，实现usb转串口、usb转irda红外或者usb转打印口。单片机串口(ttl电平)想和电脑串口(usb电平)通信，就需要使得两者的电平逻辑一样才可以通信。本实施例中，ch340g芯片用于将usb母座m1接收到的usb电平转化为mcu控制单元1能够识别的ttl电平。usb转ttl电平转换电路4设有第二晶振电路，第二晶振电路用于给ch340g芯片提供时钟信号，第二晶振电路设置在ch340g芯片的xi和xo引脚。第二晶振电路包括第五电容c5、第六电容c6和第二晶振y2。

ch340g的ud+管脚与microusb的d+管脚相连接，ud-管脚与microusb的d-管脚相连接。ch340g芯片的传输引脚txd和接收引脚rxd分别与mcu控制单元1的接收引脚rxd和传输引脚txd相连接。mcu控制单元1的接收引脚rxd用反向二极管d8与ch340g芯片的txd引脚相连接，反向二极管d8采用1n4148，防止有电流会通过这个引脚流入后级电路并且给后级的电容充电，造成后级有一定幅度的电压，导致影响mcu控制单元1下载程序的冷启动。

usb转ttl电平转换电路4的原理：ch340g芯片内置usb总线上拉电阻和片内信号端，ud+和ud-引脚应直接连接到usb总线上。ch340g内置了上电复位电路。在操作期间，ch340g需要在xi引脚上提供12mhz的时钟信号。通常这个时钟信号是通过在xi和xo引脚之间连接一个12mhz的第二晶振y2，在xi引脚接第五负载电容c5，在xo引脚接第六负载电容c6，内置的第二晶振y2将提供所需的时钟信号。当使用外部振荡器将时钟信号送入xi引脚，并使xo引脚悬空。ch340g支持5v操作,当使用5v操作时，向vcc引脚提供5v电压。

信号选通指示电路6由四个发光二极管和第三负载电阻组成。四个发光二极管分别为第四发光二极管d4、第五发光二极管d5、第六发光二级管d6和第七发光二极管d7。第三负载电阻包括第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13和第十四电阻r14。第四发光二极管d4和第十一电阻r11串联在+5v电源与mcu控制单元1的p24脚之间。第五发光二极管d5和第十二电阻r12串联在+5v电源与mcu控制单元1的p25脚之间。第六发光二级管d6和第十三电阻r13串联在+5v电源与mcu控制单元1的p26脚之间。第七发光二极管d7和第十四电阻r14串联在+5v电源与mcu控制单元1的p27脚之间。具体实现方式通过给mcu控制单元1下载的程序完成，用户只需在上位机上传送数据单元，观察即可。在某一路信号选通之后，对应该路信号的发光二极管发光，指示用户该路信号成功选通：in1信号通道选通，第四发光二极管d4亮；in2信号通道选通，第五发光二极管d5亮；in3信号通道选通，第六发光二极管d6亮；in4信号通道选通，第七发光二极管d7亮。

信号输入输出接口单元5是由6个90度弯sma接头母座组成，6个sma接头母座依次分为第一sma接头母座p1、第二sma接头母座p2、第三sma接头母座p3、第四sma接头母座p4、第五sma接头母座p5和第六sma接头母座p6。其中第一sma接头母座p1、第二sma接头母座p2、第三sma接头母座p3、第四sma接头母座p4作为四路信号的输入接口，第五sma接头母座p5作为信号的输出接口，第六sma接头母座p6作为可单独供电的电源接口。sma接头母座用于接天线、滤波器、ad转换器等仪器设备，实现模拟信号输入输出。

继电器逻辑控制电路2包括3个继电器，3个继电器分为第一继电器u1、第二继电器u2和第三继电器u3。3个继电器均采用欧姆龙的型号为g6j-2p-y-dc5v的信号继电器，该信号继电器是一种小规格专门用来处理模拟信号的信号继电器，其控制电压为5v，触点形式为：dpdt。该信号继电器有8个引脚，包括继电器线圈的正负极引脚，一对常开触点、一对常闭触点和一对公共端触点，与信号的隔离效果非常好。

第一继电器u1的线圈与第一pnp型三极管q1串接后，继电器线圈两端并接一个第一续流二极管d1，第一pnp型三极管q1一端接电源+5v，第一pnp型三极管q1的栅极接mcu控制单元1的继电器控制io端口p23，同时串接第二电阻r2，第一电阻r1作为io端口的上拉电阻。

第二继电器u2的线圈与第二pnp型三极管q2串接后，继电器线圈两端并接一个第二续流二极管d2，第二pnp型三极管q2一端接电源+5v，第二pnp型三极管q2的栅极接mcu控制单元1的继电器控制io端口p22，同时串接第四电阻r4，第三电阻r3作为io端口的上拉电阻。

第三继电器u3的线圈与第三pnp型三极管q3串接后，继电器线圈两端并接一个第三续流二极管d3，第三pnp型三极管q3一端接电源+5v，第三pnp型三极管q3的栅极接mcu控制单元1的继电器控制io端口p21，同时串接第六电阻r6，第五电阻r5作为io端口的上拉电阻。

第一路模拟信号通道是从第一继电器u1的常闭触点输入，并与它的公共端触点相连接经由第三继电器u3的常闭触点，再从第三继电器u3的公共端触点输出信号，它是mcu控制单元1的p23口给第一继电器u1发送高电平，同时p21口给第三继电器u3发送高电平。

第二路模拟信号通道是从第一继电器u1的常开触点输入，并与它的公共端触点相连接经由第三继电器u3的常闭触点，再从第三继电器u3的公共端触点输出信号，导通条件是mcu控制单元1的p23口给第一继电器u1发送低电平，同时p21口给第三继电器发送高电平。

第三路模拟信号通道是从第二继电器u2的常闭触点输入，并与它的公共端触点相连接经由第三继电器u3的常开触点，再从第三继电器u3的公共端触点输出信号，导通条件是mcu控制单元1的p22口给第二继电器u2发送高电平，同时p21口给第三继电器u3发送低电平。

第四路模拟信号通道是从第二继电器的常开触点输入，并与它的公共端触点相连接经由第三继电器u3的常开触点，再从第三继电器u3的公共端触点输出信号，导通条件是mcu控制单元1的p22口给第一继电器u1发送低电平，同时p21口给第三继电器u3发送低电平。

见图8和图9，本发明的3个继电器控制4路信号通断的逻辑系统的控制方法具有以下步骤：

一、单片机c语言编程。在选择信号通道的时候，采用case选择语句。

二、发送数据单元0x01代表in1信号通道，mcu控制单元1的io脚p23输出高电平，使第一pnp三极管q1截止，此时第一继电器u1线圈两端没有电压，故第一继电器u1没有工作，它的常闭触点与公共端触点闭合，in1支路导通，第四发光二极管d4赋值为0，灯亮代表in1路选通；同时mcu控制单元1的io脚p21输出高电平，使第三pnp三极管q3截止，此时第三继电器u3线圈两端没有电压，故第三继电器u3没有工作，它的常闭触点与公共端触点闭合，out支路导通，从而第一路模拟信号通道导通。

三、发送数据单元0x02代表in2信号通道，mcu控制单元1的io脚p23输出低电平，使第一pnp三极管q1导通，此时第一继电器u1线圈两端电压为5v，故第一继电器u1开始工作，它的常闭触点断开，常开触点与公共端触点闭合，in2支路导通，第五发光二极管d5赋值为0，灯亮代表in2路选通；同时mcu控制单元1的io脚p21输出高电平，使第三pnp三极管q3截止，此时第三继电器u3线圈两端没有电压，故第三继电器u3没有工作，它的常闭触点与公共端触点闭合，out支路导通，从而第二路信号通道导通。

四、发送数据单元0x03代表in3信号通道，mcu控制单元1的io脚p22输出高电平，使第二pnp三极管q2截止，此时第二继电器u2线圈两端没有电压，故第二继电器u2没有工作，它的常闭触点与公共端触点闭合，in3支路导通，第六发光二级管d6赋值为0，灯亮代表in3路选通；同时mcu控制单元1的io脚p21输出低电平，使第三pnp三极管q3导通，此时第三继电器u3线圈两端电压为5v，故第三继电器u3开始工作，常闭触点断开，常开触点与公共端触点闭合，out支路导通，从而第三路信号通道导通。

五、发送数据单元0x04代表in4信号通道，mcu控制单元1的io脚p22输出低电平，使第二pnp三极管q2导通，此时第二继电器u2线圈两端电压为5v，故第二继电器u2开始工作，它的常闭触点断开，常开触点与公共端触点闭合，in4支路导通，第七发光二级管d7赋值为0，灯亮代表in4路选通；同时mcu控制单元1的io脚p21输出低电平，使第三pnp三极管q3导通，此时第三继电器u3线圈两端电压为5v，故第三继电器u3开始工作，常闭触点断开，常开触点与公共端触点闭合，out支路导通，从而第四路信号通道导通。

本发明采用5v直流电源，用户只需要通过一根usb数据线即可完成pc机对本发明的供电和通信，通过上位机只需要发送一些简单的数据字符就能够控制用户所希望工作的那台仪器设备的信号输入到其它设备中，省去了很多不必要的麻烦，效率大大的提高。本发明能够对设备的传输信号实现远程控制和准确控制，也做到了对精密仪器设备的保护，在工业上具有实际应用价值。本发明通过继电器触点之间的级联实现信号通道的扩展，同理，还可以通过本发明实现用3n只继电器控制4n路信号通断的逻辑系统，n为自然数。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。