基于MCS-51系列單片機(jī)和ICL7135實(shí)現(xiàn)智能型兆歐表的設(shè)計(jì)

引言

絕緣電阻是電氣安全檢測(cè)項(xiàng)目中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，而測(cè)得試品絕緣電阻60s的值R60與15s的值R15的比值K=R60/R15被稱為吸收比（對(duì)于大電容設(shè)備為lOmin之值與lmin之值的比值，稱為極化指數(shù)），是檢驗(yàn)絕緣是否嚴(yán)重受潮或存在局部缺陷的重要依據(jù)。兆歐表是測(cè)量絕緣電阻的專用儀表，應(yīng)用廣泛。而傳統(tǒng)的手搖指針式兆歐表，必須用手搖發(fā)電機(jī)保證有120r／s的轉(zhuǎn)速才能維持正常的輸出電壓，測(cè)量范圍小、誤差大、吸收比須在測(cè)量后另行計(jì)算，使用不便。

隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是單片機(jī)（single-chlp microcontroller）的出現(xiàn)并不斷發(fā)展，引起了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革。以單片機(jī)為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)機(jī)械及電子線路，可以容易地將計(jì)算技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，形成智能化測(cè)量?jī)x表。這種新型的智能化儀表在測(cè)量過程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、以及功能的多樣化方面都取得了巨大進(jìn)展，并得到了廣泛應(yīng)用。

基于ICL7135的智能型兆歐表采用MCS-51系列單片機(jī)875l和Harris公司生產(chǎn)的4 1/2位BCD碼精度A／D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135，具有測(cè)量精度高、量程寬、測(cè)量方便、體積小、功耗低、功能全等特點(diǎn)

1 ICL7135特性分析

TCT7l35是Harris公司采用先進(jìn)的LinMOSTM技術(shù)生產(chǎn)的高準(zhǔn)確度、通用型、位BCD碼精度雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器。它有許多優(yōu)良的特性，在本設(shè)計(jì)中能夠得到突出反映的有：

1）具有自動(dòng)校零功能，自動(dòng)較零的準(zhǔn)確性僅受系統(tǒng)噪聲的影響，且偏差小于10μV；

2）有超量程（OR）和欠量程（UR）信號(hào)，容易實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；

3）設(shè)有6個(gè)控制信號(hào)端、同時(shí)進(jìn)行字位輸出和BCD碼輸出，可與LCD譯碼／驅(qū)動(dòng)器及單片機(jī)接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，構(gòu)成智能化儀器；

4）滿量程為2 0000在±20000汁數(shù)范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度為±1個(gè)字。

2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)主要由直流高壓產(chǎn)生電路、取樣電路、數(shù)據(jù)采集與控制器、譯碼／驅(qū)動(dòng)LCD顯示4大部分組成。其原理框圖如圖l所示。下面將分別介紹4部分組成及工作原理。

2.l 直流高壓產(chǎn)生電路

直流高壓產(chǎn)生電路如圖2所示。

將6V直流電源經(jīng)集成器件555和電阻R1及R2與電容C1接成的基本無穩(wěn)態(tài)振蕩模式，構(gòu)成高頻多諧振蕩器，振蕩頻率f=1.44／［（R1+R2）C1］，約為15 kHz左右，產(chǎn)生的交變電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓，次極的感應(yīng)電壓經(jīng)倍頻整流、濾波后，可得到約l000v的直流電壓作為測(cè)量用電壓。

2.2取樣電路

取樣電路的作用足取得與測(cè)量值相關(guān)的電信號(hào)，用以計(jì)算、控制和顯示。劉測(cè)量的具體要求決定了取樣電路具體形式。本設(shè)計(jì)中取樣電路與ICL7135連接，如圖3所示。

圖3中，Rx為被測(cè)絕緣電阻、R3為量程調(diào)節(jié)電阻、R1、R2為取樣分壓電阻。

U為直流高壓產(chǎn)生電路提供的測(cè)量電壓，經(jīng)R1及R2分壓后（U2）加在7135的IN-，經(jīng)Rx、R3分壓后（U3）加在ICL7135的Cref-。

根據(jù)雙積分A／D轉(zhuǎn)換器的工作原理，轉(zhuǎn)換結(jié)果由式（1）得到。

式（1）中常數(shù)10000由lCL7135的正向積分固定時(shí)間T1=10000TCP決定，TCP為時(shí)鐘脈沖周期。10000即為正向積分階段的時(shí)鐘脈沖數(shù)。VIN為VIN+VIN-之間的電勢(shì)差，在本設(shè)計(jì)中VI+接ANALOG COM，因此VIN=VIN+-VIN-=-U2。VREF在標(biāo)準(zhǔn)工作模式情況下為Cref+與Crdf-之間所接電容在自動(dòng)調(diào)零階段充電所獲得的標(biāo)準(zhǔn)電壓值。在本設(shè)計(jì)中Cref+與Cref-之間不再接電容，將Cref+接ANALOGCOM，同時(shí)將Cref-與ANALOG COM間電壓鉗制為U3，Cref+與Cref-之間電壓為一U3。因此式（1）可表示為

由于ICL7135的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓值VREF=lV，而加在Rx與R3上的測(cè)量用電壓為1000V，所以Rx》R3，使得U3≤2V。由于ICL7135VIN-上允許加的最大電壓值為O.8V，而加在R1與R2上的測(cè)量用電壓為1000V，所以R1與R2取值應(yīng)滿足R1》R2、U2≤O.8V。式（2）可進(jìn)一步表示為

可見，當(dāng)R1、R2、R3取定時(shí)，Rx值與測(cè)量電壓U無關(guān)，故能消除U變化劉結(jié)果的影響。

2.3 數(shù)據(jù)采集與控制及顯示部分

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制和LCD顯示的硬件電路原理圖如圖4所示。圖中ICL71 35、8155、8751構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，ICM721l為L(zhǎng)CD顯示驅(qū)動(dòng)芯片，異或門CD4070配合ICM7211驅(qū)動(dòng)顯示模塊

ESD81lA。ESD81lA為大連東顯公司生產(chǎn)的位LCD顯不器，足以滿足顯示需要。

具體工作原理為：取樣電路的電信號(hào)經(jīng)ICL7135轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)寧信號(hào)，但A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果是動(dòng)態(tài)的。74LSl57為4位2選l數(shù)據(jù)多路開關(guān)，其作用足根據(jù)高位選通信號(hào)D5的輸出不同，將萬位數(shù)據(jù)、過量程、欠量程標(biāo)志或是ICL7135的4個(gè)低位BCD碼送入8155。ICL7135在發(fā)出選通脈沖時(shí)，將數(shù)據(jù)送入接口電路8155。而8751單片機(jī)則通過中斷查詢的方式讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)。通過單片機(jī)定時(shí)分別獲取15s和60s的絕緣電阻值（或lmin和10min），通過計(jì)算獲得吸收比（極化指數(shù)）。將所得結(jié)果進(jìn)行保存和適當(dāng)?shù)拇a制轉(zhuǎn)換，響應(yīng)鍵盤以顯示絕緣電阻值或吸收比（極化指數(shù)）。

3 軟件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)的主程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語

智能型兆歐表的主要技術(shù)特點(diǎn)有：

1）是一種智能型儀表，采用555器件，直流電源經(jīng)振蕩、整流、濾波后提供測(cè)量電壓，自動(dòng)計(jì)算吸收比，較手搖式兆歐表具有質(zhì)的進(jìn)步；

2）具有自動(dòng)校零和自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能，采用8155作為接口電路，既方便地為ICL7135提供了時(shí)鐘，又為進(jìn)一步完善表的功能提供了接口；

3）取樣電路與ICL7135的連接設(shè)計(jì)，能消除測(cè)試電壓U的變化對(duì)真實(shí)讀數(shù)的影響。

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