电阻测试仪毕业设计Word文档下载推荐.docx
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其大致分成三种类型:
1、DF9000大型地网变频大电流接地特性测量系统。
2、DF910K大型地网变频大电流接地阻抗测量系统。
3、DF902K变频抗干扰接地阻抗测量仪。
2.1.2绝缘电阻测试仪
绝缘电阻测试仪又称数字绝缘电阻测试仪、兆欧表、智能绝缘电阻测试仪等,适于在各种电气设备的保养、维修、试验及检定中作绝缘测试。
绝缘阻值分度线均匀清晰、便于准确读数。
操作简捷,携带方便。
低耗电,用8×
1.5V(AA,R6)电池供电,使用时间长。
具有电池容量检查功能。
有单电压机型和双电压机型,额定电压、量程合理配置成多种规格,适用面广。
采用先进数字处理技术,容量大、抗干扰能力强,能满足高压、高阻、大容量负载测试的要求,示值准确、稳定、可靠。
具有防震、防潮、防尘结构,适应恶劣工作环境。
保护功能完善,能承受短路和被测电容残余电压冲击。
2.1.3回路电阻测试仪
回路电阻测试仪采用100A恒流输出。
最高输出电压达10V(常规仪器的2-3倍)可采用载面细的测试线,大大减轻了现场测试人员的劳动强度。
测试过程全部由单片控制自动实施,精度高,复测性好,单按键操作,简单易行,测试数据液晶显示。
适用于不同的工作环境。
机内置100A/200A开关电源,使之达到恒流100A两套回路实时跟踪测试。
保证测试结果正确。
采用数字电路技术和开关电源技术相结合设计而成。
它适用于开关控制设备的接触电阻、回路电阻的测量。
其测试电流采用国家标准推荐的直流100A以上。
2.1.4直流电阻测试仪
直流电阻快速测试仪(微欧计)是取代直流单、双臂电桥的高精度换代产品。
采用了先进的开关电源技术,由点阵式液晶显示测量结果。
克服了其它同类产品由LED显示值在阳光下不便读数的缺点,同时具备了自动消弧功能。
HSXZR-10A直流电阻快速测试仪具有测速快、精度高、显示直观、抗干扰能力强、体积小、耗电省、测试数据稳定可靠、不受人为因素影响等优点。
仪器内装可充电电池组(12V),交直流两用,便于现场及野外测试。
是测量电力变压器及大型电机等各种感性负载电阻及低压开关接触电阻、电线电缆或焊缝接口电阻的理想仪器,其测量速度比电桥快一百多倍。
经过研究决定,根据自身的所学知识,我决定选择以直流电阻测试仪为核心,参照它的原理、结构特征,设计出一个简易电阻测试仪。
2.2简易自动电阻测试仪系统结构框图及原理
基准电阻矩阵:
由精密电阻组成,提供六个量程100Ω、1K、10K、100K、1M、10M的对应的基准电阻,其阻值分别为340Ω、5K、50K、500K、5M、50M。
自动量程切换:
根据被测电阻的大小,从六个基准电阻中选择最合适的基准电阻。
恒流源:
由LM358、被测电阻、稳压电源通过深度负反馈线形成恒流源。
ADC采样:
对LM358的输出端电压进行采样。
单片机系统:
对采样数据进行处理,控制采样,控制量程自动切换。
控制面板:
10MΩ量程选择,电源开关,键盘等组成。
数码显示:
3位数码管和两个KΩ、MΩ单位显示LED灯组成。
负载测试原理:
精密恒流源输出稳定电流并负载,模数转换器将采集到的负载模拟电压信号转换为数字信号并送入单片机,数字信号经单片机运算处理后则转换为相应的负载阻值,最后在单片机的控制下由液晶显示器实时显示出来。
从而完成了对负载阻值的实时测量。
三、硬件设计与选择
3.1单片机控制板模块的论证与选择
方案一:
采用自制单片机控制系统板。
自制控制系统板由于资源不易扩展,工作稳定度低,一般只适用于控制要求简单的场合,而对于较为复杂的控制系统,往往不能更好地满足控制要求。
方案二:
选择SCB-CS1系统控制板。
SCB-CS1是早期单片机控制产品,不能进行在线调试,控制板上可用资源少,只扩展了一个常用并行口8155,8位模数转换器ADC0809,8位的数模转换器DAC0832,这些模数、数模转换器件都是早期产品,性能低,不能满足更高的控制要求,系统板上显示与键盘均由8279控制,8279虽然能处理键盘的抖动,为编程带来方便,但是显示部分为8位数码管,显示信息少,体积大。
因此该控制板已较少使用。
方案三:
选取C8051F060/1/2/3/4/5/6/7高速混合信号ISP·
FLASH微控制器。
C8051F06x系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU,具有59个数字I/O(C8051F060/2/4/6)或24个数字I/O引脚(C8051F061/3/5/7),片内集成了两个16位、1引脚Msps的ADC,C8051F06x系列MCU对CIP-51内核和外设有几项关键性的改进,提高了整体性能,更易于在最终应用中使用。
扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源,允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预,因而有更高的执行效率。
在设计一个多任务实时系统时,这些增加的中断源是非常有用的。
由于C8051F06x控制板使用方便,能够满足更高的控制要求,能够使自己的专业知识得以施展,为实验的成功先做一个保障。
并且性价比高,能够完全满足此次设计的需求,所以选择方案三。
3.2恒流源的论证与选择
利用三端可调直流稳压集成芯片,通过调整其输出电压来实现负载的恒流特性。
特点:
直接利用稳压片提供所需功率,只需要添加相应控制电路即可,但是,其电流调整率指标只能达到0.5%~0.15%。
采用集成稳压器构成的开关恒流源。
图2所示是三端集成稳压器构成的开关恒流源。
当设定电阻R一定时,电路给负载Ro提供一恒定电流当RL发生变化时,由IC的输入—输出压差进行自动补偿而使负载电流保持不变。
图2采用集成稳压器构成的开关恒流源原理框图
采用集成运放的线性恒流源。
OP07构成的比较放大环节,与采样电路进行比较,控制场效应管的栅极电压,调整场效应管的导通角的大小,从而得到相应的电流值。
同时单片机控制电流检测模块对输出电流的回路里取样,经AD转换后显示相应的电流值,实现了电压——电流转换。
方案四:
根据I=U/R,通过提供基准电阻稳定的电压,只要电压源稳定不变,就可以获得恒定的电流。
如下图所示,恒流源I(OUT1)与LM358的负相输入端相联,待测电阻Rx作为LM358的反馈电阻接入,根据运算放大器深度负反馈虚短、虚断的概念,推导出Rx=Uo/I,Uo为DVM。
如下图所示:
图3恒流源模块
由图可以看出,当RX变化时,输出电压U0与RX的变化成正比,因此可以得到较高的精度。
故我们采取方案四来设计。
3.3A/D转换器论证与选择
ADC0809是八路模拟输入、八位数字量输出的A/D转换器,是
采用逐次比较法完成A/D转换的,由单一的5V电压供电,片内带有锁存功能的8路选一模拟开关。
MC14433是美国Motorola公司推出的单片3位半A/D转换器,其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少、输入阻抗高、功耗低、电源电压范围宽、精度高等特点,并且具有自动校零和自动积极转换功能,只要外接少量的阻。
ADI公司的AD7805,这是一款16位的AD转换器,双通道同步采样,非常适合测量低频微小模拟信号,这款器件带有自增益可编程放大器,可以过软件编程来直接测量传感器输出的微小信号。
AD7805具有分辨率高、动态范围广、自校准等特点,因而非常适合用在本系统的设计中。
经过实验我们发现AD7805能够测量的最小电压可达到1,所以从采样电阻采集的小信号可以直接送到AD,它的这种特性避免了在测量回路过多的设计采样电阻;
AD7805具有独立的时钟信号,可以通过外接晶振来实现,在这里我们选择2.4596MHz,它能有效的避开工频的干扰;
实践证明,这款A/D非线性失真低,抗干扰能力较强,能对微小信号有效的测量。
故选择方案三。
3.4控制系统的论证与选择
采用分压的方式进行,如下图所示。
图4分压恒方式
该方案在采样计算时,要达到1%的精度,要将电压输出曲线分成若干段才有可能达到精度,且区间越小,精度越高,这会为编程带来很大的不便,采用单片机系统很难实现,但硬件简单。
采用恒流源方式,如下图所示:
图5恒流方式
该方案主要是将电压源经分压产生的输出电压改由恒流源实现,在不同档位时,选择相应的档位开关。
该方案的硬件复杂,但精度较高,能满足测试要求。
综合考虑上述方案,方案二更能够达到测试的要求。
3.5显示模块的论证与选择
采用数码管显示
其优点是元件价格便宜,而且外围的电路简单。
但是扫描占用大量的I/O口资源,从而增大了单片机的运算开销,显示信息不丰富,功耗比较大。
采用LCD1602液晶显示
其优点是显示方便,使用方便灵活,占用I/O口少,不需要循环扫描,节省了大量的程序开销,但是其显示内容比较单一,所以放弃此方案。
采用12864LCD液晶显示
其优点是显示信息非常丰富,可以很形象的显示设计者的所想,方便使用者使用,占用I/O口少,不需要循环扫描,节省了大量的程序开销。
鉴于本系统的基本部分要求和发挥部分要求,在放弃发挥部分第二点的基础上,我们采用数码管显示作为我们的显示模块,用自制的独立式键盘作为数据的输出部分,这样设计的初衷是减少程序的编制难度使用。
显示模块电路如下图所示。
图6八位数码显示管
四、系统理论分析与计算
4.1电阻检测模块的分析
方案一:
电阻分压法。
如图:
图7电阻分压电路
将待测电阻Rx和基准电阻R串联在电路中。
由于电阻分压的作用,当串联到电路上的电阻Rx的值不同时其Rx上分的压降也不同。
通过测量上Vx便可求得Rx。
该方案原理简单,理论上只要参考电阻精确,就可以测量任何阻值的电阻,但实际上由于AD的分辨率有限,当待测电阻的很大或是很小时就很难测出Rx上的压降Vx,从而使测量范围缩小,要提高测量范围和精度就需要对电阻分档测试和提高AD的分辨率,这无疑会增加系统的复杂性和成本。
利用RC充电原理,根据电路原理电容充电的时间常数τ=RC。
通过选择适当的参考电容,通过测量充电到一个固定电压时所需的时间即可以测量出相应的电阻阻值。
此方案中当电阻值过小时,充电时间很短,普通的微处理器难以测量,同时通过实际测试发现当电阻太大时充电时间和电阻的大小线性度变差,这将导致测量误差增大。
这些因素导致电阻测量范围较窄。
利用RC和555定时器组成的多谐振荡电路,通过测量输出振荡频率的大小即可求得电阻的大小,如果固定电阻值,该方案硬件电路实现简单,通过选择合适的电容值即可获得适当的频率范围,同时输出波形为TTL电平的方波信号所以不需要再对信号做电平变换。
即可直接供数字电路处理。
综上所述,本设计采用方案三,采用低廉的NE555构建RC多谐振荡电路,输出通过D触发器74LS74将波形整形成二分频的对称方波送交控制器处理。
电阻模块的电路图如下图所示,分为两大部分,第一部分恒流源电路,实现将电阻的变化用电压变化成线性地表示。
其本质上来说是一个同相比例运放电路,5V或0.5V的基准电压加在同相端,为接在反相端的基准电阻提供电压,由于电压是恒定的,且同相端的电压与反相端电压相等,因此,流过基准电阻的电流是恒定的,不随待测电阻而变化,这样就将待测电阻的阻值变化用电压的变化线性的表示出来,基中0.5V的基准电压是用在测试大于1MΩ的电阻条件下。
集成运放输出端的三极管是为了提高集成运放的输出电流。
图中的开关部分为档位选择开关,要根据测试电阻的大小,合理地选择开关的通断。
开关部分可由导通电阻小,允许通过电流较大的模拟开关来实现,也可由小继电器实现。
在本电路中,我们采用了小型继电器来实现。
模拟开关第二部分为信号放大部分,其功能是通过测量放大器将Rx两端的电压变成单端电压,经放大器后,输出A/D转换器所需的0-2.4V的电压。
图8NE555构建RC多谐振荡电路
4.2电阻检测模块的计算
欧姆定律可知:
I=U/R,由于采用7805稳压块提供+5V稳压电压,为方便计算,基准值都采用量程的5倍阻值选择。
根据设计要求,测试电阻的档位分为100Ω、1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ等不同档位,且要求精度达到1%,为此,我们将其档位分为若干档,以便在对待测电阻进行测试时选择合适的档位。
具体的计算方法:
根据5V的电源电压,以及基准电阻的关系,如基准电阻为1KΩ,待测电阻为130Ω,通过电压与电阻的关系有以下公式:
通过以上公式计算出基准电压。
再通过下式可计算出相应的数字量:
将计算的数值送到A/D转换器中,从而实现了数字量与模拟的转换,得到相应的数值。
五、硬件原理图
5.1系统总体框图
系统总体框图如下图所示:
图9硬件总框架
5.2恒流源测试电路原理图
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供
5V或者
12V电压,确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现,故不作详述。
图10恒流电路
5.3六路自动量程切换电路图
以CD7501/CD4501八路模拟开关和基准电阻矩阵构成六路自动量程切换电路,根据题目要求测量量程分为:
100Ω,1KΩ,10KΩ,10MΩ,因此,对应的基准电阻分别为:
500,5K,50K,500K,5M,50M,对应的通道分别为S1,
S2,S3,S5,S6,S,具体电路如上图所示。
图11自动量程切换
5.4单片机系统原理图
使用C8051F06X单片机作为系统的控制核心。
C8051F06X具有体积小,片上资源丰富和I/O口多可复用的优点,最重要的是C8051F06X是16位机,具有超低的功耗,而且本身集成8路10位的ADC,这是其他控制器不可比拟的优势。
图12单片机C8051F06X系统电路
5.5A/D转换电路图
经过采样电路的信号不能直接送A/D转换电路,必须要进行信号的调理,这里主要指信号放大和滤波。
为此本系统设计了基于OP07的有源放大电路和π型滤波电路。
经过调理后的信号送A/D转换电路,具体电路图如
图13模数转换电路
5.6整体电路原理图
图14电路整体图
六、软件设计
6.1单片机资源分配
//数码管显示位控制端,低电平有效
sbitdata0=P2^1;
sbitdata1=P2^2;
sbitdata2=P2^3;
//KorM量程选择,低电平量程自动选择100Ω,1KΩ和10KΩ档,高电平量程是10MΩ档
sbitKorMselect=P2^0;
//量程选择开关控制端,A1A0编码与选通通道的关系为:
当P2^0=0时,00->
S1,01->
S2,10->
S3;
//当P2^0=1时,00->
S5,01->
S6,10->
S7。
sbitscaleseletor0=P2^4;
//A0
sbitscaleseletor1=P2^5;
//A1
//阻值单位设置
sbituint_K=P2^6;
//K单位灯控制
sbituint_M=P2^7;
//M单位灯控制
6.2软件延时程序
voiddelay(unsignedinti)
{
unsignedintx,y;
for(x=200;
x>
0;
x--)
for(y=i;
y>
y--);
}
6.3按键键值读取程序
KorMselect=1;
KorMselecttmp=KorMselect;
if(KorMselecttmp==1)
{
delay(5);
KorMselect=1;
KorM_flag=1;
}
else
KorM_flag=0;
6.4ADC初始化程序
voidADC_init()
P1ASF=0x01;
//指定P1.0为ADC功能
ADC_CONTR=0;
AUXR1=0x00;
//转换结果位十位
ADC_CONTR=0xe0;
//九十个机器周期为一个AD转换周期
delay
(1);
6.5ADC采样驱动程序
unsignedintADProDC(uintm)//连续采样m次,并求m次采样平均值
unsignedlongadcbuf=0;
unsignedlongad_result=0;
unsignedinti=0;
//清除ADC_CONTR
ADC_CONTR&
=0xf8;
//延时
ADC_CONTR|=0xe8;
while(m--)
adcbuf=0;
ADC_RES=0;
//清A/D转换结果寄存器高8位
ADC_RESL=0;
ADC_CONTR|=0x08;
//0000,1000ADCS=1,启动转换
delay
(1);
while((ADC_CONTR&
0x10)==0);
//0001,0000等待A/D转换结束
ADC_CONTR=ADC_CONTR&
0xE7;
//1110,0111清ADC_FLAG位,停止A/D转//换
adcbuf=ADC_RES;
adcbuf<
<
=2;
//adcbuf值左移2位
ADC_RESL&
=0x03;
//ADC_RESL值保留低2位值
adcbuf+=ADC_RESL;
//计算十位采样值
ad_result+=adcbuf;
//采样值累加
i++;
//采样次数加一
adcbuf=(unsignedint)(ad_result/i);
//计算i次电压采样平均值
returnadcbuf;
//adcbuf为返回值
6.6被测电阻值计算程序
unsignedintSAMPtoRES(uintadcdata,intSmode)
floatD1,D2;
unsignedlongdatabuf;
intpen[4]={6,2,20,0};
//各量程补偿初值
D1=(float)adcdata;
//采样数据类型转换为浮点数
D1=D1/1023;
D1=(D1*507);
D1=modf(D1,&
D2);
//分解D1值,整数部分存入D2中,小数部分是返回值
if(D2>
=102)//溢出处理
D2=998-pen[Smode];
databuf=(unsignedint)D2;
//数据类型转换为整型数
returndatabuf;
6.7数码管显示驱动程序
voidRESTODISPLAY()
intdata_pointor;
//七段码表指针
intzero_flag=0;
//第一位灭零标志
data_pointor=(x/100%10);
switch(scale_mode)
case0:
//100欧姆量程
if(data_pointor==0)//第一位灭零
P0=0xff;
zero_flag=1;
else
P0=tab[data_pointor];
zero_flag=0;
break;
case1:
//1K欧姆量程
P0=0x40;
default:
//10M欧姆量程
P0=(tab[data_pointor]&
0x7f);
data0=0;
data2=1;
//显示第二位
data_pointor=(x/10%10);
switch(scale_mode)
if(data_pointor==0&
&
zero_flag==1)//第二位灭零
P0=tab[data_pointor];
//1K、10K欧姆量程
P0=(tab[data_pointor]);
data0=1;
data1=0;
//显示第三位
data_pointor=x%10;
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