斷路器接觸電阻測量儀-延志輝

1、單片機(jī)課程設(shè)計山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院電氣工程及其自動化 斷路器接觸電阻測量儀一、 斷路器接觸電阻測量儀總體框圖電信號放大器A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換89C52單片機(jī)LCD液晶顯示打印機(jī)數(shù)據(jù)傳輸二、斷路器接觸電阻測量原理1、斷路器導(dǎo)電回路的電阻主要取決于斷路器的動、靜觸頭間的接觸電阻，接觸電阻又由收縮電阻和表面電阻兩部分組成。2、接觸電阻的存在，增加了導(dǎo)體在通電時的損耗，使接觸處的溫 度升高，其值的大小直接影響正常工作時的載流能力，在一定程度上影響短路電流的切斷能力。3、在實(shí)際應(yīng)用中，測量電氣開關(guān) (斷路器) 的接觸電阻回路電阻的測試儀表中常見的是微歐儀。斷路器導(dǎo)電回路電阻的測量是在斷路器處于合閘狀

2、態(tài)下進(jìn)行的，是采用直流電壓降法進(jìn)行測量。常見的測量方式有電壓降法 (電流、電壓表法)和微歐儀法。電壓降法：在被測回路中，通以直流電流時，在 回路接觸電阻上將產(chǎn)生電壓降，測出通過回路的 電流值以及被測回路上的電壓降，根據(jù)歐姆定律 計算出接觸電阻。由于電阻很小，用一般的萬用 表測量電壓和電流的誤差大、精度較小，得到的 結(jié)果不準(zhǔn)確，所以不使用這種方法 電壓降法 微歐儀法：而微歐儀的工作原理仍是電壓降法。通常將交流220V電壓整流后，通過開關(guān)電路轉(zhuǎn)換為高頻電流，最后再整定為100A的恒定直流，用作測量電源。測量時，微歐儀內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電阻Rf與被測回路電阻Rd串聯(lián)，則有I=Ud/Rd=Uf/Rf，所以Rd=

3、(Ud/Uf)*Rf。從Rd=(Ud/Uf)*Rf中可知被測回路電阻阻值與電流無關(guān)，所以在電路中通過的電流即使稍有偏差，也不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。每次測試，合上微歐儀電源，按下測試按鈕，便可將被測回路電阻(接觸電阻)自動測出，并顯示結(jié)果。在測試過程中不需調(diào)節(jié)電流。 微歐儀法三、提高測量精度的措施1.克服測量引線電阻的影響對于微電阻的精密測量，測量引線電阻的影響是不容忽視的，必須采取有效措施加以克服。為達(dá)此目的，采用了四端子的引線方式，四端子引線示意圖中Rx是被測電阻，R1-R4是引線電阻(包括接觸電阻)，AP是儀用放大器，恒流源的輸出電流Ic經(jīng)R1、R2加在Rx上。電流恒定時，R1、R2的大小

4、對于Rx上的電壓降沒有影響。由于AP的輸入阻抗高達(dá)50M歐姆，因此完全可以認(rèn)為流經(jīng)AP的電流Iv=0，而且AP的輸入電壓即為Rx兩端電壓，這樣就克服R3、R4的影響。當(dāng)增益為1時，AP的輸出電壓Vs等于Rx兩端電壓。 測試電流較大，為100A，因此，電流的測量可采用分流器或電流互感器。機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電阻R;可采用分流器。分流器是一個小電阻。一般分流器有四個接線端鈕，其中兩個大的叫電流端鈕，與被測電路串聯(lián)，另兩個小的叫電壓端鈕，用專用導(dǎo)線與測量機(jī)構(gòu)相連接。分流器的規(guī)格用通過它的最大電流和相應(yīng)的電壓降來表示。如300A、75mv的分流器。只要測量分流器的電壓降便可得知電路中的電流。一般分流器的額定電壓降

5、是75mV或45mV。2.減小工頻信號產(chǎn)生的電磁干擾對測量精度的影響對于工頻信號可能產(chǎn)生的電磁干擾對測量精度的影響，在硬件上采用了電池供電方案和工頻濾波電路，在軟件上采用了多次數(shù)據(jù)采樣和數(shù)字濾波，濾除干擾后取平均值的方法。3.減小環(huán)境溫度變落沙寸測量精度的影響對于環(huán)境溫度變化而引起的系統(tǒng)性能的變化，一方面，在元件選用上予以考慮，如程控運(yùn)放環(huán)節(jié)的分壓電阻采用精度為0.01 %、溫度系數(shù)為15ppm(1.5 x 10-5)的精密電阻，放大器采用了低溫漂、低失調(diào)電壓的器件，放大器AD642；另一方面調(diào)節(jié)程控運(yùn)放的放大倍數(shù)，使電壓、電流信號的幅值盡量接近于A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程范圍，以減小量化誤差。A/

6、D轉(zhuǎn)換器TLC2543同時測量電壓、電流，計算出繞組的電阻。4.恒流源的電流脈動的影響由于被測觸頭結(jié)構(gòu)為縱向磁場觸頭時，觸頭上增加了輪狀線圈。因此，被測觸頭是感性元件。流過電流的微小變化都將產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢，從而影響測量精度。對此影響，主要通過改善恒流控制環(huán)節(jié)的性能采用PI、PD控制予以消除。四、抗干擾設(shè)計部分1.地線設(shè)計應(yīng)主要考慮以下幾點(diǎn)：數(shù)據(jù)地和模擬地分開，特別加大線性電路的接地面積；接地線盡量加粗，一般應(yīng)在2.5mm以上；各印刷板的接地線皆構(gòu)成環(huán)路；每個印刷板的接地線之間用粗導(dǎo)線連接。2.電源線布置盡量加粗電源線，設(shè)計時一般為2mm左右(最小為lmm)。并采用使電源線、地線的走向于數(shù)據(jù)

7、傳遞一致，這樣有助于增加儀器的抗噪聲能力。3.其他抗干擾措施配置去禍電容:在各芯片的電源端與地線端之間直接跨接一個0.01uF的去藕電容。CMOS電路中不使用的輸入引腳應(yīng)接地，否則會引起邏輯電平的不正常，易接受外界干擾產(chǎn)生的誤動作。五、系統(tǒng)硬件部分1.CPU的選擇P89C51/89C52/89C54/89C58含有非易失FLASH，并行可編程的程序存儲器，所有器件都是通過引導(dǎo)裝載器串行編程（ISP），2種系列單片機(jī)采先進(jìn)CMOS工藝的單片8位微控制器是80C51微控制器系列的派生。和80C51指令相同。其特點(diǎn)為： 80C51中心處理單元 片內(nèi)FLASH程序存儲器 速度可達(dá)33MHz 全靜態(tài)操作

8、RAM可擴(kuò)展到64K字節(jié)4級中斷6個中斷源1個8位I/O口全雙工增強(qiáng)型UART幀數(shù)據(jù)錯誤檢測自動地址識別電源控制模式時鐘的停止和恢復(fù)空閑模式掉電模式可編程時鐘輸出雙DPTR寄存器低EMI (禁止ALE)3個16位定時器外部中斷可以從掉電模式中喚醒2.放大芯片AD642JH 功能說明：待放大的輸入電壓里面含有噪聲和其他干擾因素，必須經(jīng)過隔離濾波以后才能輸送到下一級放大電路進(jìn)行有效的放大， 此處由芯片AD642及其輔助電路構(gòu)成運(yùn)算放大電路電路，提高了輸入阻抗，對小信號進(jìn)行放大，并完成電路隔離和阻抗變換。AD642JH3.A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次

9、逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。TLC2543的特點(diǎn)（1）12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器；（2）在工作溫度范圍內(nèi)10s轉(zhuǎn)換時間；（3）11個模擬輸入通道；（4）3路內(nèi)置自測試方式；（5）采樣率為66kbps；（6）線性誤差±1LSBmax；（7）有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC；（8）具有單、雙極性輸出；（9）可編程的MSB或LSB前導(dǎo)；（10）可編程輸出數(shù)據(jù)長度。TLC2543的引腳排列及說明TLC2543有兩種封裝形式：DB、DW或N封裝以及FN封裝，這兩種封裝的引腳排列如下圖，引腳說明見下

10、表。 TLC2543的封裝 圖中AIN0-AIN10為模擬輸入端；CS為片選端；DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端；DOUT為 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端；EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束端；CLK為 I/O時鐘；REF+為正基準(zhǔn)電壓端；REF-為負(fù)基準(zhǔn)電壓端；VCC為電源 ；GND為地。TLC2543引腳說明4.液晶顯示屏LCD下面是LCD1602與51單片機(jī)的接口電路引腳功能說明 1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14腳（無背光）或 16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如下表所示: 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示

11、偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀/寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 5.數(shù)據(jù)傳輸RS232RS232引腳定義：1 載波檢測 （DCD） 2 接收數(shù)據(jù) （RXD） 3 發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）4 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好 （DTR） 5 信號地 （GND） 6 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好 （DSR）7 發(fā)送請求 （RTS） 8 發(fā)送清除 （CTS） 9 振鈴指示 （RI）MAX232芯片MAX232是一種把電腦的串行口RS232信號電平（-10 ，+10v）轉(zhuǎn)換為單片

12、機(jī)所用到的TTL信號點(diǎn)平（0 ，+5）的芯片。MAX232引腳圖RS232與MAX232和51單片機(jī)接口電路6.RD-D打印機(jī)RD-D的封裝RD-D打印機(jī)的引腳功能注：“入”表示輸入到打印機(jī)，“出”表示從打印機(jī)輸出。信號的邏輯電平為TTL電平。7.運(yùn)算放大部分1.放大器接觸電阻的計算過程U1=(1+Rf2/R8)Ux U2=(1+Rf4/R14)Ua Rf2=600 R8=20 Rf4=1000 R14=20 Ua=(1+Rf4/R14)*(1+Rf2/R8)Ux=(1+600/20)*(1+1000/20)Ux=1581Ux Ia=I*Rf3/R3=I*(100/10000)=I/100 R

13、x=Ux/Ix=(Ua/1581)/(100*Ia)=Ua/(Ia*158100)2.分流器分流器采用0.00035歐姆的電阻，然后經(jīng)過差分放大電路100倍的放大將電壓信號傳送至A/D轉(zhuǎn)換器的一個輸入端。8.A/D轉(zhuǎn)換器與51單片機(jī)的接口電路1. 控制字的格式 控制字為從DATE INPUT端串行輸入的8bit數(shù)據(jù)，它規(guī)定了TLC2543要轉(zhuǎn)換的模擬量通道、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長度以及輸出數(shù)據(jù)的格式其中高4bit(D7D4)決定通道號，對于O通道至 lO通道，該4bit為0000-1010H，當(dāng)為101l-l101時,用于對TLC2543的自檢,分別測試V(+)+V(-) /2、V(+)、V(-)

14、的值，當(dāng)為 lllO時，TLC2543進(jìn)入休眠狀態(tài)。低4bit決定輸出數(shù)據(jù)長度及格式，其中D3、D2決定輸出數(shù)據(jù)長度，Ol表示輸出數(shù)據(jù)長度為8bit，l1表示輸出數(shù)據(jù)長度為 l6bit，其他為 l2bitDl決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出，還是低位先送出，為0表示高位先送出。DO決定輸出數(shù)據(jù)是單極性(二進(jìn)制)還是雙極性(2的補(bǔ)碼)，若為單極性，該位為O，反之為1。2.轉(zhuǎn)換過程上電后，片選CS必須從高到低，才能開始一次工作周期，此時EOC為高，輸人數(shù)據(jù)寄存器被置為O，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機(jī)的。開始時，片選CS為高，I/0CLOCK、DATA INPUT被禁止，DATA OUT呈高阻狀態(tài)，EOC為高

15、。使CS變低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATA OUT脫離高阻狀態(tài)12個時鐘信號從I/OCLOCK端依次加入，隨著時鐘信號的加入，控制字從 DATAINPUT一位一位地在時鐘信號的上升沿時被送入TLC2543(高位先送入)，同時上一周期轉(zhuǎn)換的A/D數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DATA OUT一位一位地移出。TLC2543收到第4個時鐘信號后，通道號也已收到，此時TLC2543開始對選定通道的模擬量進(jìn)行采樣，并保持到第12個時鐘的下降沿。在第l2個時鐘下降沿，EOC變低，開始對本次采樣的模擬量進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間約需10uF。轉(zhuǎn)換完成后EOC變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)

16、寄存器中，待下一個工作周期輸出。此后，可以進(jìn)行新的工作周期。對TLC2543的操作，關(guān)鍵是理清接口時序圖和寄存器的使用方式。3.TLC2543與 89C51單片機(jī)的接 口示意圖與程序89C51單片機(jī)沒有 SPI接口，為了與 TLC2543接口可以用軟件功能來實(shí)現(xiàn) SPI接口，其硬件接口如上圖所示單片機(jī)通過編程產(chǎn)生串行時鐘，即由CLK先高后低的轉(zhuǎn)變提供串行時鐘；并按時序發(fā)送與接收數(shù)據(jù)位，完成通道方式/通道數(shù)據(jù)的寫入和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出；用累加器和帶進(jìn)位的左循環(huán)移位指令來合成 SPI功能；R2暫存高8bit，R3暫存低4bit。本程序選擇 l2bit輸 出數(shù)據(jù)長度，高位導(dǎo)前。TLC2543在每次 I/

17、O周期讀取的數(shù)據(jù)都是上次轉(zhuǎn)移的結(jié)果，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換結(jié)果在下一個I/O周期中被串行移出。第一次讀數(shù)由內(nèi)部調(diào)整，讀取的轉(zhuǎn)換結(jié)果可能不準(zhǔn)確，應(yīng)丟棄。9.綜合電路原理圖五、系統(tǒng)軟件部分1.A/D轉(zhuǎn)換器流程圖2.A/D轉(zhuǎn)換軟件實(shí)現(xiàn)/從TLC2543讀取采樣值，形參port是采樣的通道號，根據(jù)TLC2543的時序圖編程unsigned int read2543(uchar port)unsigned int data ad;unsigned int data i;unsigned char data al=0,ah=0;_CS=0;EOC=1;CLOCK=0;Port<<=4; /左移4位for (i=0;i<8;i+) /輸入通道號一port D_IN=(bit)(port&0x80); CLOCK=1; CLOCK=0; port<<=1;for (i=0;i<4;i+) /填充4個CLOCKCLOCK=1;CLOCK=0;_nop_();_nop_();while(!EOC) /等待A/DC轉(zhuǎn)換結(jié)束_nop_();_nop_();for (i=O;i<4;i+)/取D11-D8D_ OUT=1; /在單片機(jī)中，要從