直流电阻测试仪的设计.docx

1、直流电阻测试仪的设计 毕 业 设 计题 目： 直流电阻测试仪的设计 院： 电气信息学院 专业： 电子技术班级：1101学号：xxx学生姓名：导师姓名：XXXX 完成日期：2015年6月8号 目录摘要 1Abstract 2第一章 绪论 31.1课题研究背景及意义 31.2直流电阻测试仪的研究现状 41.3课题的主要研究内容 5第二章 直流电阻测试仪方案设计 62.1直流电阻测试仪的原理 62.2整体方案设计 72.3 单片机的选型 72.4 A/D转换器的选型 92.5 显示LCD 10第三章 测试仪的硬件设计 113.1 单片机最小系统 113.2恒流源模块 123.3键盘显示模块 123.

2、4 A/D转换模块 143.5 RS-232串口模块 15第四章 测试仪的软件设计 164.1 主程序设计 164.2 键盘程序设计 174.3 电压检测设计 184.4 计算电阻值 18第五章 仿真与调试 205.1 系统仿真 205.2 硬件调试 20总结 21参考文献 22致谢 23附录系统总电路 24直流电阻测试仪的设计与研究摘要：电力变压器直流电阻测量是变压器出厂及预防性试验的主要项目之一，但电力变压器固有的时间常数较大，研究缩短电力变压器直流电阻的测量时间具有重要意义。 本论文主要研究了电力变压器直流电阻测量的基本原理和各种快速测量的方法，用Protel99SE对各种测量方法进行仿

3、真分析，分析了其优缺点及现场适用性，进而提出了一种切实可行的测量方法，并且利用单片机进行系统设计实现电力变压器直流电阻快速测量的目的。关键词:电力变压器，直流电阻，Protel99SE，单片机The Design and Implementationof the Dc Resistance TesterAbstract：Transformers DC resistance measurement is one of the primary item before transformer leaving factory and precautionary test.The inherent ti

4、me constant of transformer is quite long, so it is very important to study how to shorten the measuring time. In this dissertation the primary principle of transformers DC resistance measurement and all kinds of rapid measuring methods is studied, emulated and analyzed by Protel99SE, their advantage

5、 and disadvantage is analyzed and their on-site applicability is compared. Then one feasible measuring method is brought forward and the aim to rapidly measure transformers DC resistance is implemented through system design using singlechip. Key words: transformer; direct; current resistance; Protel

6、99SE; singlechip 第一章 绪论1.1课题研究背景及意义测量变压器绕组的直流电阻是一个很重要的试验项目，在电力变压器的生产、安装、例行检修、不定期检查以及故障排查时都需要对变压器绕组直流电阻进行检测，以保证变压器能够正常运行。电力变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。变压器的作用是多方面的，不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。它是电网的稳定和安全运行的直接保障，一旦变压器出现故障，就需要拉闸限电，甚至会出现大面积的停电事故，从而造成巨大的无法挽回的经济损失。所以电力变压器从生产到安装再到投入运行，其质量问题和故障检测都直接影响到人们的

7、正常的生活和工作。在电力设备试验规程中，绕组直流电阻检测的次序排在变压器试验项目的第二位，规程规定了电力变压器绕组直流电阻的检测周期为：（1） 1-3年必须检测；（2） 无励磁调压变压器变换分接位置后必须检测；（3） 有载调压变压器的分接开关检修后必须检测；（4） 大修小修后必须检测；（5） 必要时进行检测。另外，规程还对大型变压器做出了相应的要求：（6） 1.6MVA以上变压器，各相绕组电阻相互间的差别不应大于三相平均值的2%，无中性点引出的绕组，线间差别不应大于三相平均值的1%。（7） 1.6MVA及以下的变压器，相间差别一般不大于三相平均值的4%，线间差别一般不大于三相平均值的2%。（8

8、） 与以前相同部位测得值比较，其变化不应大于2%。如电阻相间差在出厂时超过规定，制造厂需说明这种偏差的原因。（9） 不同温度下的电阻值按下式换算： （1.1） 式中、分别为在温度、时的电阻值；为计算用常数，铜导线取235，铝导线取225。变压器是由绕在同一铁芯上的两个或两个以上的线圈绕组组成，绕组之间是通过交变磁场而联系着并按电磁感应原理工作。其绕组具有大电感、微电阻的特点,因而其固有的时间常数也很大,电阻值的覆盖范围较宽。且绕组数多,一般低压侧需测量六个绕组,高压侧有多个分接位,每个分接位需测量三个绕组。由于电力变压器本身的这些特点,目前电子仪器在电阻测量的精度和自动测试等方面还不能满足要求

9、。因此,研制精密、快速、自动的测量装置具有重要的实际意义。1.2直流电阻测试仪的研究现状目前变压器直流电阻测量的方法有电压降法、电桥法和三相绕组测量法三种：（1）电压降法：其原理是在被测电阻中通以直流电流，测量该电阻上的电压降，根据欧姆定律即可算出被测电阻值。测量绕组直流电阻时，对每相绕组进行直流电阻的测量，然后利用测量数据，计算得出线圈的直流电阻。在不具备电桥的地方，一般采用这种测量方法。因为每相绕组可以等效成电阻和电感的串联电路，在接通电源后，电感中电流从零逐渐增加，最后达到一稳定数值，电感两端电压则从零忽然增加到电源电压，然后逐渐下降到稳态值，需要一个过渡过程，过程的长短取决于电路的时间

10、常数。这种方法的主要缺点是需要较长的时间才能测到准确值。（2）电桥法：电桥法分为单臂电桥法和双臂电桥法两种，原理都是利用检流计、电池、标准电阻进行测量。其中单臂电桥法的成本低，但是测量误差较大，测量时间很长；而双臂电桥法虽然改善了单臂电桥的引线误差问题，使得测量精度大大提高，但是测量时间还是很长。（3）三相绕组同时加压法：即在变压器的三相绕组同时加电压，同时测量每相的直流电阻。三相绕组同时加电压时，在每相绕组中通入的电流从零开始增加，由右手螺旋定则可知，三相电流在每个铁心柱中产生的磁通方向不同，它们的作用相互抵消，结果是使铁心中的合成 磁通近似为零。这使电感值L大为减小，因此时间常数也就降为最

11、低，测试时电流变化的过渡过程大为缩短，短时间内便能获得稳定的电流值，进而求出绕组的直流电阻值。此方法是根据楞次定律，使各相电流所产生的磁通在铁心中相互抵消，合成磁通为零，从而减小电感L值，使电路的时间常数减小，即减少了测量直流电阻的时间，提高了工作效率。在测量时，还应考虑绕组电阻的大小受温度影响的因素和直流电阻的不平衡率等问题。早期用来测量直流电阻的仪器QJ42和QJ44根据的原理是电桥法测直流电阻。这类仪器的直流电桥的测试电流为毫安级,用于测量变压器线圈直流电阻时,往往不能反映真实情况,造成错误的判断。比如1984年6月12日,武安变电站进行电气设备预防性试验时,用QJ42型双臂电桥测量变压

12、器侧线圈的直流电阻时,线圈的直流电阻平衡很好。然而变压器油样的化验结果却存在严重问题，、等气体组分均严重超标。根据色谱分析结果,吊芯检查发现,该变压器35kV侧B相线圈中性点连接处,存在趋于烧断的严重缺陷。随后研究的电桥法测量仪器结合了数字技术，比如QJ84A，其具有操作简便和读数醒目的特点，但在性能参数上并没有很大改进。在测量具有高电感和低电阻双重特性的电力变压器绕组直流电阻时，像QJ42、QJ44和QJ84A这类电桥法测量仪的测量时间长，附加误差大，优势不明显，其更多运用于普通电阻的在测量当中。1.3课题的主要研究内容本论文将完成以下几个方面的工作：（1） 完成直流电阻测试仪的硬件设计。芯

13、片选型，确定选用的芯片；完成恒流源电路的设计；完成数模转换电路的设计；设计硬件原理图。（2）完成直流电阻测试仪的软件设计。根据选用芯片的时序要求，编写采样程序；根据显示屏的时序要求，编写显示程序。（3）完成系统的仿真与调试。第二章 直流电阻测试仪方案设计2.1直流电阻测试仪的原理电力变压器绕组可以等效为一个电感值很大的电感和小阻值电阻的串联，各种测量方法都是以这一模型为基础。当有一个直流电压加在电力变压器绕组两端时，由于上述大电感的存在，使得绕组中流过的电流不能突变。而是按照一个指数函数进行上升，过程电流满足如下公式： （2.1）式中，绕组所接直流电压；绕组直流电阻；绕组时间常数，,为绕组电感

14、；图2.1 测量等效原理图图2.2 绕组电流随时间变化曲线图测量时间从开始，电流为，然后随时间逐渐上升，至时间，达到稳定值。通常认为，当时，为稳定值的时电路已经达到稳定。所以，电流达到稳定的时间，取决于时间常数。已经知道，电力变压器是大电感和小电阻串联等效。而越大，则电流达到稳定的时间就需要越长。例如某型号电力变压器，绕组未饱和电感近似为，直流电阻为，当时，稳定时间达近小时。而且，当测量时间，为稳定值的，还存在的误差，实际测量时间大于。因此，选择适当的电力变压器直流电阻测量方法减少测量时间是非常必要的。要缩短测量时间，就要减小。又取决于绕组的电感和直流电阻值。可以采取的办法是增加附加电阻，或减

15、小绕组电感。2.2整体方案设计根据直流电阻的测试原理，设计出直流电阻测试仪的系统总体结构框图如下面图3所示：图2.3 系统总体结构框图通过对恒流源控制与状态检测，完成对被测绕组的充电、测量、放电的全部过程，向被测电阻中通入一个恒定的电流值。从测量电路获得的电压信号，经程控运放环节调整后，由A/D转换器采样，再由单片机一系列的运算过程计算出电阻值，并显示在显示器上。以80S51为核心组成单片机控制单元,通过数据存储器和I/ O口扩展,完成测试与控制功能。通过面板上的按键完成恒流源输出电流大小的选择(以实现测量结果的存储、查询及处理),以及启动测量过程、中断测量过程等指令输入,测量结果及状态信息由

16、LCD显示输出。通过RS-232C接口，本系统还可以在上位机的控制下,完成测量过程并实时传递测量结果和测试状态；下载测量参数(如绕组的标准电阻值)；上载所存储的测量结果。电源管理部分实现蓄电池和交流电源的切换,蓄电池充电过程的控制，蓄电池电压的检测及过度放电的防护，测量过程中电源开关误关断的保护等功能。2.3 单片机的选型由于单片机种类繁多，各种型号都有其一定的应用环境，因此在选用时要多加比较，合理选择，以期获得最佳的性价比。一般来说在选取单片机时从下面几个方面考虑：性能、存储器、运行速度、I/O口、定时/计数器、串行接口、模拟电路功能、工作电压、功耗、封装形式、抗干扰性、保密性，除了以上的一

17、些的还有一些最基本的比如：中断源的数量和优先级、工作温度范围、有没有低电压检测功能、单片机内有无时钟振荡器、有无上电复位功能等。在开发过程中单片机还受到：开发工具、编程器、开发成本、开发人员的适应性、技术支持和服务等等因素。基于以上因素本设计选用单片机80S51单片机作为本设计的核心元件。80S51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。80S51内置中央处理单

18、元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，80S51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。其管脚功能图和内部结构图分别如图2.4、图2.5所示。图2.4 80S51单片机管脚定义图2.5 80S51单片机内部结构2.4 A/D转换器的选型ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内

19、部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。其内部结构图及其引脚如图2.6所示。图2.6 ADC0809内部结构图2.7 ADC0809管脚定义ADS0809的主要特性：（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；（2）具有转换起停控制端；（3）转换时间为100s(640KHz)，130s（500KHz）；（4）单个+5V电源供电；（5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准；（6）工作温度范围为-40+85摄氏度；（7）低功耗，约15mW。2.5 显示LCD本设计选用12864LCD显示器。1264LCD功耗低、体

20、积小、重量轻、超薄的优点是其他显示器无法比拟的，主要运用于单步偏激控制和微控制器控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。LCD主要分为字符式、段位式和点阵式三种类型，其中字符式LCD和段位式LCD只能作为字符和数字的简单显示，而点阵式LCD既可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线、汉字和一些自定义字符。本设计选用的128列64行的12864点阵LCD显示器如图2.8所示。图2.8 12864LCD显示器第三章 测试仪的硬件设计本系统由对恒流源的控制，向被测电阻中通入一个恒定的电流值。从测量电路获得的电压信号，经程控运放环节调整后，由A/D转换器采样，再由单片机一系列的运算过程计算出电阻值

21、，并显示在显示器上。3.1 单片机最小系统AT89S51是一种带4K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能的CMOS8位微处理器。称为单片机，其可擦除制度存储器可以反复擦出1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT85S51是一种高效微控制器，包括4K字节可编程FLASH存储器、1288位内部RAM、两个16位定时计数器、全静态工作：0Hz-24MHz、32可编程I/O线、5个中断源、可编程串行通道、片内振荡器和时钟电路。单片机最小系统如图3.1所示。图

22、3.1 AT80S51单片机最小系统原理图3.2恒流源模块恒流源由信号源和电压控制电流源（VCCS）两部分组成。恒流源是输出电流保持恒定的电流源，而理想的恒流源应该具有以下特点：（1）不因负载(输出电压)变化而改变；（2）不因环境温度变化而改变；（3）内阻为无限大（以使其电流可以全部流出到外面）。设计要求对不同阻值的直流微电阻进行测量，所以在恒流源的设计中需要应对不同阻值是通入合适的电流，减小测量的系统误差。恒流源模块电路如图3.2所示。图3.2 恒流源电路原理图3.3键盘显示模块十六进制的键盘上有8个通信线路，即R1，R2，R3，R4，C1，C2，C3和C4。R1至R4代表四行和C1至C4表

23、示的四列。当一个特定的键被按下时，相应的行和列的键连接的端子短路。例如，如果按下键1行R1和列C1短路等。该计划被称为列扫描方法确定哪个键被按下。在该方法中一个特定的行被保持在较低水平（其它行被保持高）和列检查低。如果一个特定的列低，这意味着该列的相应行保持在较低水平（行）之间连接的关键是被按下。例如行R1最初保持在较低水平和C1列在扫描过程中发现低，这意味着按下键1。键盘控制原理如图3.4所示。图3.4 键盘控制原理图采用128列64行的12864点阵LCD显示器，每屏可显示4行8列共32个1616点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中 文字符或2个168点阵全高ASCII码字符，即每屏最多

24、可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。内部提供1282字节的字符显示RAM缓冲区。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。12864LCD接口电路如图3.2所示。图3.3 12864LCD接口电路3.4 A/D转换模块ADC0809的工作原理（1）IN0IN7：8条模拟量输入通道。信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。（2）地址输入和控制线：4条。ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、B、C 三条地址线的地址信号

25、进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A、B和C 为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。（3）数字量输出及控制线：11条。ST为转换启动信号，在转换期间，ST 应保持低电平；EOC为转换结束信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据；OE为输出允许信号；D7D0为数字量输出线。（4）时钟输入信号线：CLK。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。（5）VREF（+），VREF（）为参考电压输入。ADC0809与AT80S51单片机接口电路如图3.5所示。图3.5 ADC0809与单片机接口电路3.

26、5 RS-232串口模块在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口(又称EIARS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-9插头座，通常插头在DCE端，插座在DTE端。PC机的RS-232口为9芯针插座。一些设备与PC机连接的RS-232接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需要三条接口线，即“发送数据TXD”、“接收数据RXD”和“信号地GND”。在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3到-15V；逻辑“0”为+3到+15V。本设计采用MAX

27、232实现RS-232的接口功能。MAX232是单+5V电源的RS-232收发器，片内包括两个驱动器、两个接收器和一个将+5V变换成RS-232所需的10V输出电平的双充电泵电压变换器。RS-232串口电路如图3.6所示。图3.6 RS-232串口接线图第四章 测试仪的软件设计本系统的软件设计采用模块化设计的方法，整个程序包括主程序、数据采集程序、数据处理程序、串行通讯程序、定时器中断程序、LCD显示程序。所有的程序均采用C语言编写，可以很方便地调试和下载程序代码。4.1 主程序设计本课题软件设计的思路是通过面板上的按键对恒流源控制，完成对被测绕组的充电、测量、放电的全部过程，并选择一个合适的

28、恒定的电流值通入到被测电阻中。从测量电路获得的电压信号，经程控运放环节调整后，由A/D转换器进行采样，再由单片机一系列的运算过程计算出电阻值，并显示在显示器上。其程序控制流程框图如图4.1所示。图4.1 主程序控制流程框图本系统主要是基于AT80S51单片机的直流电阻测试仪，系统上电之后首先就是系统复位，将程序内部指针调到初始位置，接下来就是控制恒流源向被测直流电阻中通入可选择大小的恒定电流，然后就开始对通入电流的电阻进行电压的检测，将测得的电压由A/D转换器进行采集，采集后的电压值送单片机内部，最后就可以利用测得电压值来进行计算得出直流电阻的电阻值，并且可以查询历史记录和与PC及通讯。其中串

29、行通讯子程序不仅可以将单片机存储的数据传送到PC机进行处理分析，用户也可以根据情况从PC机上设置待测数据多少以及测试时间的长短等。从而完成对高电感，微阻值的小电阻测量的全部过程。4.2 键盘程序设计在键盘程序中，首先设置一个按键值变量，初始值为-1，另外给每个按键分别设置从0-15的值，当按下任一个按键时，该按键值赋给按键变量，并且返回。在判断按键值的同时进行消抖处理，方法是当单片机侦测到有按键按下时，延时10ms左右，再判断该值是否稳定，如果值依然存在，则确认该按键按下。流程图如图4.2所示。图4.2 按键控制流程框图当键盘扫描程序采集到数字大于9的按键值时，根据按键值设定的标志位进入不同的

30、功能中，当按下按键为E时，测试仪状态恢复正常工作状态，并且将数据清零。当按下按键A、B、C、D时，系统将清零并选择不同的恒定电流返回主程序继续工作。当按下按键F时，则单片机进入计算阻值功能，在该状态下，单片机将按照设定的电阻值计算公式进行高精、快速的计算，得到最终结果并送LCD显示器。4.3 电压检测设计本系统中的电压检测需要先对系统初始化、电压检测初始化。测完电压后通过A/D转换器采集送单片机计算，计算得出结果后可以有两个选择：一是将得出结果送LCD显示器；二是改变恒定电流重新检测。如此可以得出多组数据最后进行平均值的计算得出结果，以确保最后结果与实际阻值之间的误差达到最小，方便工作人员判断

31、电力变压器是否正常运行，保障用电用户安全。电压检测流程图如图4.3所示。图4.3 电压检测流程框图4.4 计算电阻值本系统采用的电阻测试方法为电压降法，其原理是在被测电阻中通以直流电流，测量该电阻上的电压降，根据欧姆定律即可算出被测电阻值。测量绕组直流电阻时，对每相绕组进行直流电阻的测量，然后利用测量数据，计算得出线圈的直流电阻。在不具备电桥的地方，一般采用这种测量方法。因为每相绕组可以等效成电阻和电感的串联电路，在接通电源后，电感中电流从零逐渐增加，最后达到一稳定数值，电感两端电压则从零忽然增加到电源电压，然后逐渐下降到稳态值，需要一个过渡过程，过程的长短取决于电路的时间常数。具体测量流程如图4.4所示。图4.4 电阻计算流程框图第五章 仿真与调试5.1 系统仿真本系统在protues上进行仿真。首先在protues上画好系统电路原理图，打开keil，在keil上输入程序，编译生成.HEX文件之后烧入protues单片机内，就可以开始仿真了，但是由于12864LCD的字库和一些其