一种智能型兆欧表的设计

2006-05-17 14:46:34来源: 电源技术应用

O 引言

  绝缘电阻是电气安全检测项目中的一项重要内容,而测得试品绝缘电阻60s的值R60与15s的值R15的比值K=R60/R15被称为吸收比(对于大电容设备为lOmin之值与lmin之值的比值,称为极化指数),是检验绝缘是否严重受潮或存在局部缺陷的重要依据。兆欧表是测量绝缘电阻的专用仪表,应用广泛。而传统的手摇指针式兆欧表,必须用手摇发电机保证有120r/s的转速才能维持正常的输出电压,测量范围小、误差大、吸收比须在测量后另行计算,使用不便。

  随着电子技术的不断进步,尤其是单片机(single-chlp microcontroller)的出现并不断发展,引起了仪器仪表结构的根本性变革。以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规机械及电子线路,可以容易地将计算技术与测量控制技术结合在一起,形成智能化测量仪表。这种新型的智能化仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理、以及功能的多样化方面都取得了巨大进展,并得到了广泛应用。

  基于ICL7135的智能型兆欧表采用MCS-51系列单片机875l和Harris公司生产的位BCD码精度A/D转换芯片ICL7135,具有测量精度高、量程宽、测量方便、体积小、功耗低、功能全等特点。

1 ICL7135特性分析

  TCT7l35是Harris公司采用先进的LinMOSTM技术生产的高准确度、通用型、位BCD码精度双积分式A/D转换器。它有许多优良的特性,在本设计中能够得到突出反映的有:

  1)具有自动校零功能,自动较零的准确性仅受系统噪声的影响,且偏差小于10μV;
  2)有超量程(OR)和欠量程(UR)信号,容易实现量程的自动转换;
  3)设有6个控制信号端、同时进行字位输出和BCD码输出,可与LCD译码/驱动器及单片机接口,进行数据处理,构成智能化仪器;
  4)满量程为2 0000在±20000汁数范围内的准确度为±1个字。

2 硬件电路设计与实现

  本设计主要由直流高压产生电路、取样电路、数据采集与控制器、译码/驱动LCD显示4大部分组成。其原理框图如图l所示。

下面将分别介绍4部分组成及工作原理。

2.l 直流高压产生电路

  直流高压产生电路如图2所示。


  将6V直流电源经集成器件555和电阻R1及R2与电容C1接成的基本无稳态振荡模式,构成高频多谐振荡器,振荡频率f=1.44/[(R1+R2)C1],约为15 kHz左右,产生的交变电压经脉冲变压器升压,次极的感应电压经倍频整流、滤波后,可得到约l000v的直流电压作为测量用电压。

2.2取样电路

  取样电路的作用足取得与测量值相关的电信号,用以计算、控制和显示。刘测量的具体要求决定了取样电路具体形式。本设计中取样电路与ICL7135连接,如图3所示。


  图3中,Rx为被测绝缘电阻、R3为量程调节电阻、R1、R2为取样分压电阻。

  U为直流高压产生电路提供的测量电压,经R1及R2分压后(U2)加在7135的IN-,经Rx、R3分压后(U3)加在ICL7135的Cref-。

  根据双积分A/D转换器的工作原理,转换结果由式(1)得到。

  
  式(1)中常数10000由lCL7135的正向积分固定时间T1=10000TCP决定,TCP为时钟脉冲周期。10000即为正向积分阶段的时钟脉冲数。VIN为VIN+VIN-之间的电势差,在本设计中VI+接ANALOG COM,因此VIN=VIN+-VIN-=-U2。VREF在标准工作模式情况下为Cref+与Crdf-之间所接电容在自动调零阶段充电所获得的标准电压值。在本设计中Cref+与Cref-之间不再接电容,将Cref+接ANALOG COM,同时将Cref-与ANALOG COM间电压钳制为U3,Cref+与Cref-之间电压为一U3。因此式(1)可表示为

  

  由于ICL7135的标准基准电压值VREF=lV,而加在Rx与R3上的测量用电压为1000V,所以Rx》R3,使得U3≤2V。由于ICL7135VIN-上允许加的最大电压值为O.8V,而加在R1与R2上的测量用电压为1000V,所以R1与R2取值应满足R1》R2、U2≤O.8V。

  式(2)可进一步表示为

  
  可见,当R1、R2、R3取定时,Rx值与测量电压U无关,故能消除U变化刘结果的影响。

2.3 数据采集与控制及显示部分


  实现数据采集与控制和LCD显示的硬件电路原理图如图4所示。图中ICL71 35、8155、8751构成单片机最小系统,ICM721l为LCD显示驱动芯片,异或门CD4070配合ICM7211驱动显示模块ESD81lA。ESD81lA为大连东显公司生产的位LCD显不器,足以满足显示需要。

  具体工作原理为:取样电路的电信号经ICL7135转变为数宁信号,但A/D转换的结果是动态的。74LSl57为4位2选l数据多路开关,其作用足根据高位选通信号D5的输出不同,将万位数据、过量程、欠量程标志或是ICL7135的4个低位BCD码送入8155。

  ICL7135在发出选通脉冲时,将数据送入接口电路8155。而8751单片机则通过中断查询的方式读取数据,并进行存储。通过单片机定时分别获取15s和60s的绝缘电阻值(或lmin和10min),通过计算获得吸收比(极化指数)。将所得结果进行保存和适当的码制转换,响应键盘以显示绝缘电阻值或吸收比(极化指数)。


3 软件部分设计与实现
  单片机的主程序流程图如图5所示。


4 结语

  智能型兆欧表的主要技术特点有:
  
  1)是一种智能型仪表,采用555器件,直流电源经振荡、整流、滤波后提供测量电压,自动计算吸收比,较手摇式兆欧表具有质的进步;

  2)具有自动校零和自动量程转换功能,采用8155作为接口电路,既方便地为ICL7135提供了时钟,又为进一步完善表的功能提供了接口;

  3)取样电路与ICL7135的连接设计,能消除测试电压U的变化对真实读数的影响。

关键字:量程  单片机  电压

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/measure/200605/3905.html
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