断路器接触电阻测量仪延志辉.docx
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断路器接触电阻测量仪延志辉
单片机课程设计
山东科技大学
信息与电气工程学院
电气工程及其自动化
断路器接触电阻测量仪
一、断路器接触电阻测量仪总体框图
电信号
二、断路器接触电阻测量原理
1、断路器导电回路的电阻主要取决于断路器的动、静触头间的接触电阻，接触电阻又由收缩电阻和表面电阻两部分组成。
2、接触电阻的存在，增加了导体在通电时的损耗，使接触处的温度升高，其值的大小直接影响正常工作时的载流能力，在一定程度上影响短路电流的切断能力。
3、在实际应用中，测量电气开关（断路器）的接触电阻回路电阻的测试仪表中常见的是微欧仪。
断路器导电回路电阻的测量是在断路器处于合闸状态下进行的，是采用直流电压降法进行测量。
常见的测量方式有电压降法（电流、电压表法）和微欧仪法。
电压降法：
在被测回路中，通以直流电流时，在回路接触电阻上将产生电压降，测出通过回路的电流值以及被测回路上的电压降，根据欧姆定律计算出接触电阻。
由于电阻很小，用一般的万用表测量电压和电流的误差大、精度较小，得到的结果不准确，所以不使用这种方法
电压降法
微欧仪法：
而微欧仪的工作原理仍是电压降法。
通常将交流220V电压整流后，通过开关电路转换为高频电流，最后再整定为100A的恒定直流，用作测量电源。
测量时，微欧仪内的标准电阻Rf与被测回路电阻Rd串联，则有I=Ud/Rd=Uf/Rf，所以Rd=（Ud/Uf）*Rf。
从Rd=（Ud/Uf）*Rf中可知被测回路电阻阻值与电流无关，所以在电路中通过的电流即使稍有偏差，也不会对测量结果产生影响。
每次测试，合上微欧仪电源，按下测试按钮，便可将被测回路电阻（接触电阻）自动测出，并显示结果。
在测试过程中不需调节电流。
微欧仪法
三、提高测量精度的措施
1.克服测量引线电阻的影响
对于微电阻的精密测量，测量引线电阻的影响是不容忽视的，必须采取有效措施加以克服。
为达此目的，采用了四端子的引线方式，四端子引线示意图中Rx是被测电阻，R1--R4是引线电阻（包括接触电阻），AP是仪用放大器，恒流源的输出电流Ic经R1、R2加在Rx上。
电流恒定时，R1、R2的大小对于Rx上的电压降没有影响。
由于AP的输入阻抗高达50M欧姆，因此完全可以认为流经AP的电流Iv=0，而且AP的输入电压即为Rx两端电压，这样就克服R3、R4的影响。
当增益为1时，AP的输出电压Vs等于Rx两端电压。
测试电流较大，为100A，因此，电流的测量可采用分流器或电流互感器。
机内标准电阻R;可采用分流器。
分流器是一个小电阻。
一般分流器有四个接线端钮，其中两个大的叫电流端钮，与被测电路串联，另两个小的叫电压端钮，用专用导线与测量机构相连接。
分流器的规格用通过它的最大电流和相应的电压降来表示。
如300A、75mv的分流器。
只要测量分流器的电压降便可得知电路中的电流。
一般分流器的额定电压降是75mV或45mV。
2.减小工频信号产生的电磁干扰对测量精度的影响
对于工频信号可能产生的电磁干扰对测量精度的影响，在硬件上采用了电池供电方案和工频滤波电路，在软件上采用了多次数据采样和数字滤波，滤除干扰后取平均值的方法。
3.减小环境温度变落沙寸测量精度的影响
对于环境温度变化而引起的系统性能的变化，一方面，在元件选用上予以考虑，如程控运放环节的分压电阻采用精度为0.01%、温度系数为15ppm（1.5x10-5）的精密电阻，放大器采用了低温漂、低失调电压的器件，放大器AD642；另一方面调节程控运放的放大倍数，使电压、电流信号的幅值尽量接近于A/D转换器的满量程范围，以减小量化误差。
A/D转换器TLC2543同时测量电压、电流，计算出绕组的电阻。
4.恒流源的电流脉动的影响
由于被测触头结构为纵向磁场触头时，触头上增加了轮状线圈。
因此，被测触头是感性元件。
流过电流的微小变化都将产生较大的感应电势，从而影响测量精度。
对此影响，主要通过改善恒流控制环节的性能采用PI、PD控制予以消除。
四、抗干扰设计部分
1.地线设计
应主要考虑以下几点：
数据地和模拟地分开，特别加大线性电路的接地面积；
接地线尽量加粗，一般应在2.5mm以上；
各印刷板的接地线皆构成环路；
每个印刷板的接地线之间用粗导线连接。
2.电源线布置
尽量加粗电源线，设计时一般为2mm左右（最小为lmm）。
并采用使电源线、地线的走向于数据传递一致，这样有助于增加仪器的抗噪声能力。
3.其他抗干扰措施
配置去祸电容:
在各芯片的电源端与地线端之间直接跨接一个0.01uF的去藕电容。
CMOS电路中不使用的输入引脚应接地，否则会引起逻辑电平的不正常，易接受外界干扰产生的误动作。
五、系统硬件部分
1.CPU的选择
P89C51/89C52/89C54/89C58含有非易失FLASH，并行可编程的程序存储器，所有器件都是通过引导装载器串行编程（ISP），2种系列单片机采先进CMOS工艺的单片8位微控制器是80C51微控制器系列的派生。
和80C51指令相同。
其特点为：
80C51中心处理单元
片内FLASH程序存储器
速度可达33MHz
全静态操作
RAM可扩展到64K字节
4级中断
6个中断源
1个8位I/O口
全双工增强型UART
――帧数据错误检测
――自动地址识别
电源控制模式
――时钟的停止和恢复
――空闲模式
――掉电模式
可编程时钟输出
双DPTR寄存器
低EMI（禁止ALE）
3个16位定时器
外部中断可以从掉电模式中唤醒
2.放大芯片AD642JH
功能说明：
待放大的输入电压里面含有噪声和其他干扰因素，必须经过隔离滤波以后才能输送到下一级放大电路进行有效的放大，此处由芯片AD642及其辅助电路构成运算放大电路电路，提高了输入阻抗，对小信号进行放大，并完成电路隔离和阻抗变换。
AD642JH
3.A/D转换芯片
TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。
由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
TLC2543的特点
（1）12位分辩率A/D转换器；
（2）在工作温度范围内10μs转换时间；
（3）11个模拟输入通道；
（4）3路内置自测试方式；
（5）采样率为66kbps；
（6）线性误差±1LSBmax；
（7）有转换结束输出EOC；
（8）具有单、双极性输出；
（9）可编程的MSB或LSB前导；
（10）可编程输出数据长度。
TLC2543的引脚排列及说明
TLC2543有两种封装形式：
DB、DW或N封装以及FN封装，这两种封装的引脚排列如下图，引脚说明见下表。
TLC2543的封装
图中AIN0-AIN10为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。
TLC2543引脚说明
4.液晶显示屏LCD
下面是LCD1602与51单片机的接口电路
引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下表
所示:
编号符号引脚说明编号符号引脚说明
1VSS电源地9D2数据
2VDD电源正极10D3数据
3VL液晶显示偏压11D4数据
4RS数据/命令选择12D5数据
5R/W读/写选择13D6数据
6E使能信号14D7数据
7D0数据15BLA背光源正极
8D1数据16BLK背光源负极
5.数据传输RS232
RS232引脚定义：
1载波检测（DCD）2接收数据（RXD）3发送数据（TXD）
4数据终端准备好（DTR）5信号地（GND）6数据准备好（DSR）
7发送请求（RTS）8发送清除（CTS）9振铃指示（RI）
MAX232芯片
MAX232是一种把电脑的串行口RS232信号电平（-10，+10v）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0，+5）的芯片。
MAX232引脚图
RS232与MAX232和51单片机接口电路
6.RD-D打印机
RD-D的封装
RD-D打印机的引脚功能
注：
①“入”表示输入到打印机，“出”表示从打印机输出。
②信号的逻辑电平为TTL电平。
7.运算放大部分
1.放大器
接触电阻的计算过程
U1=（1+Rf2/R8）Ux
U2=（1+Rf4/R14）Ua
Rf2=600R8=20Rf4=1000R14=20
Ua=（1+Rf4/R14）*（1+Rf2/R8）Ux=（1+600/20）*（1+1000/20）Ux=1581UxIa=I*Rf3/R3=I*（100/10000）=I/100
Rx=Ux/Ix=（Ua/1581）/（100*Ia）=Ua/（Ia*158100）
2.分流器
分流器采用0.00035欧姆的电阻，然后经过差分放大电路100倍的放大将电压信号传送至A/D转换器的一个输入端。
8.A/D转换器与51单片机的接口电路
1.控制字的格式
控制字为从DATEINPUT端串行输入的8bit数据，它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度以及输出数据的格式．其中高4bit（D7～D4）决定通道号，对于O通道至lO通道，该4bit为0000-1010H，当为101l-l101时,用于对TLC2543的自检,分别测试[V（+）+V（-）]/2、V（+）、V（-）的值，当为lllO时，TLC2543进入休眠状态。
低4bit决定输出数据长度及格式，其中D3、D2决定输出数据长度，Ol表示输出数据长度为8bit，l1表示输出数据长度为l6bit，其他为l2bit．Dl决定输出数据是高位先送出，还是低位先送出，为0表示高位先送出。
DO决定输出数据是单极性（二进制）还是双极性（2的补码），若为单极性，该位为O，反之为1。
2.转换过程
上电后，片选CS必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输人数据寄存器被置为O，输出数据寄存器的内容是随机的。
开始时，片选CS为高，I/0CLOCK、DATAINPUT被禁止，DATAOUT呈高阻状态，EOC为高。
使CS变低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脱离高阻状态．12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543（高位先送入），同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出。
TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。
在第l2个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10uF。
转换完成后EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。
此后，可以进行新的工作周期。
对TLC2543的操作，关键是理清接口时序图和寄存器的使用方式。
3.TLC2543与89C51单片机的接口示意图与程序
89C51单片机没有SPI接口，为了与TLC2543接口可以用软件功能来实现SPI接口，其硬件接口如上图所示单片机通过编程产生串行时钟，即由CLK先高后低的转变提供串行时钟；并按时序发送与接收数据位，完成通道方式/通道数据的写入和转换结果的读出；用累加器和带进位的左循环移位指令来合成SPI功能；R2暂存高8bit，R3暂存低4bit。
本程序选择l2bit输出数据长度，高位导前。
TLC2543在每次I/O周期读取的数据都是上次转移的结果，当前的转换结果在下一个I/O周期中被串行移出。
第一次读数由内部调整，读取的转换结果可能不准确，应丢弃。
9.综合电路原理图
五、系统软件部分
1.A/D转换器流程图
2.A/D转换软件实现
//从TLC2543读取采样值，形参port是采样的通道号，根据TLC2543的时序图编程
unsignedintread2543（ucharport）
{
unsignedintdataad;
unsignedintdatai;
unsignedchardataal=0,ah=0;
_CS=0;
EOC=1;
CLOCK=0;
Port<<=4;//左移4位
for（i=0;i<8;i++）//输入通道号一port
{
D_IN=（bit）（port&0x80）;
CLOCK=1;
CLOCK=0;
port<<=1;
}
for（i=0;i<4;i++）//填充4个CLOCK
{
CLOCK=1;
CLOCK=0;
}
_nop_（）;
_nop_（）;
while（!
EOC）//等待A/DC转换结束
{
_nop_（）;
_nop_（）;
for（i=O;i<4;i++）//取D11--D8
{
D_OUT=1;//在单片机中，要从端口取数据，必先将端口置1，然后再取
ah<<=1;
if（D_OUT）/l判断D_OU7C是否为1，取高4位值
ah|=0x01;
CLOCK=1;
CLOCK=0;
}
for（i=0;i<8;i++）//取D7--D0
{
D_OUT=1;
a1<<=1;
if（D_OUT）//判断D_OUT是否为1，取低8位值
al|=0x01;
CLOCK=1;
CLOCK=0;
}
_CS=1;
ad=（unsignedint）ah;
ad<<=8;
ad|=al;//得到AD值。
令ah和al产生12位数值
return（ad）;
}
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