宋好琦 付雷東

(1.安陽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，安陽 455000；2.安陽工學(xué)院，安陽 455000)

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兆歐表測(cè)量電壓報(bào)警顯示裝置的設(shè)計(jì)

宋好琦1付雷東2

(1.安陽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，安陽 455000；2.安陽工學(xué)院，安陽 455000)

以STC89C51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一種輔助測(cè)量裝置，對(duì)兆歐表產(chǎn)生的模擬量測(cè)量電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)地?cái)?shù)字顯示，配合聲光報(bào)警，使之保持在合理的范圍內(nèi)，滿足JJG622-1997《絕緣電阻表(兆歐表)檢定規(guī)程》對(duì)兆歐表測(cè)量電壓的技術(shù)要求。

兆歐表；測(cè)量電壓；STC89C51；ADC0809

0 引言

兆歐表又稱絕緣電阻表，是通過測(cè)量電氣設(shè)備或電氣線路的絕緣電阻，發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備或線路的電氣安全隱患，避免發(fā)生觸電或設(shè)備損壞等事故的發(fā)生，使用極為廣泛。按照國(guó)家計(jì)量法實(shí)施細(xì)則，兆歐表屬于強(qiáng)制檢定的計(jì)量器具。

兆歐表工作時(shí)的測(cè)量電壓是通過手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的，在額定轉(zhuǎn)速(一般為120r/min)下，其輸出電壓達(dá)到正常工作電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)速很難控制，其測(cè)量電壓往往偏離其額定值，甚至超出檢定規(guī)程的要求范圍，這樣得到的測(cè)量結(jié)果就會(huì)失真，容易引起對(duì)測(cè)量結(jié)果的誤判。

為了使試驗(yàn)人員能對(duì)測(cè)量電壓進(jìn)行有效控制，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種輔助裝置，能將兆歐表產(chǎn)生的模擬量測(cè)量電壓實(shí)時(shí)直觀地顯示出來，并在超出設(shè)定的允許偏差時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，使試驗(yàn)人員及時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，恢復(fù)到正常的工作電壓。下面分別介紹它的硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件電路的設(shè)計(jì)。

1 裝置的硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件原理圖

本設(shè)計(jì)依據(jù)數(shù)字式兆歐表A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字顯示技術(shù)，采用以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的測(cè)量電壓的報(bào)警顯示裝置。本裝置選擇的是額定輸出電壓為100V的手搖式兆歐表，由于手搖式兆歐表輸出電壓比較高，而且其值與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，如果裝置電源取自測(cè)量電壓，即使通過相應(yīng)的降壓處理得到所需電源電壓，而因其不穩(wěn)定性，對(duì)后續(xù)電路勢(shì)必會(huì)造成一定的影響。因此，AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路及報(bào)警顯示電路的電源由9V干電池通過轉(zhuǎn)5V電路提供，系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

1.2 硬件模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 電源電路模塊

三端固定集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓是固定的，常用的是CW7800/CW7900系列。W7900系列輸出負(fù)電壓，W7800系列輸出正電壓，其輸出電壓有5、6、7、8、9、10、12、15、18、20和24V。三端穩(wěn)壓器的工作原理，由采樣、基準(zhǔn)、放大和調(diào)整等單元組成。集成穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子：輸入、輸出和公共端。輸入端接整流濾波電路，輸出端接負(fù)載；公共端接輸入、輸出的公共連接點(diǎn)。為使它工作穩(wěn)定，在輸入和輸出端與公共端之間并接一個(gè)電容。使用三端穩(wěn)壓器時(shí)注意一定要加散熱器，否則不能工作到額定電流。

一般的電源電路主要由7805穩(wěn)壓管來組成，采用9V干電池輸入供電，經(jīng)過三端穩(wěn)壓器7805和電容濾波后，穩(wěn)壓成+5V直流電源給STC89C51等供電。

1.2.2 晶振電路模塊

晶振分為有源晶振和無源晶振兩種，其作用是在電路上產(chǎn)生震蕩電流，發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)。無源晶振是有2個(gè)引腳的無極性元件，需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無法振蕩起來；有源晶振有4只引腳，是一個(gè)完整的振蕩器，其中除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件，體積較大。

圖1 裝置的硬件原理圖

在STC89C51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)晶振電路。

1.2.3 復(fù)位電路模塊

復(fù)位電路是為確保微機(jī)系統(tǒng)中的電路能穩(wěn)定可靠的工作。其主要功能是上電復(fù)位，必要時(shí)可以按鍵復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為4.75～5.25V。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此，在電源上電時(shí)，只有當(dāng)VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。

STC89C51是高電平復(fù)位，當(dāng)復(fù)位按鍵未閉合時(shí)由于電容對(duì)直流的阻隔作用，RST相當(dāng)于直接接在地上，這時(shí)單片機(jī)沒有復(fù)位，當(dāng)復(fù)位鍵按下后RST直接接高電平，單片機(jī)就可以復(fù)位了。

1.2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路模塊

ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換，由單一的+5V電源供電。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由A、B、C的編碼來決定所選的通道。ADC0809完成一次轉(zhuǎn)換需100μs左右，它具有輸出TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到STC89C51的數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，ADC0809可對(duì)0～5V的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

ADC0809是8路8位ADC芯片，片內(nèi)有8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼、256電阻梯形網(wǎng)絡(luò)、電子開關(guān)樹、逐次逼近寄存器、比較器和3態(tài)輸出鎖存器等，特別適合與微機(jī)接口。以下是ADC0809與89C51連接電路分析：

89C51是8位CMOS單片微機(jī)芯片，有1個(gè)雙工口P0口和2個(gè)半雙工口P1口、P2口，其中P0.0～P0.7(P0口的8個(gè)引腳號(hào))主要用作數(shù)據(jù)和地址總線口。

1.2.5 模擬電壓輸入電路

該設(shè)計(jì)的模擬電壓輸入信號(hào)是由手搖式兆歐表輸出的脈動(dòng)電壓，經(jīng)過降壓變壓器及后續(xù)電路處理得到的0～5V的模擬電壓，該電路中為了保證測(cè)量電路的安全，在模擬信號(hào)傳送給ADC0809之前加了一個(gè)自鎖開關(guān)，當(dāng)按下開關(guān)后手動(dòng)搖動(dòng)兆歐表后信號(hào)就會(huì)傳送到后續(xù)電路中。

1.2.6 顯示電路模塊

顯示電路采用的是4位共陽極數(shù)碼管顯示，該數(shù)碼管的段碼a～f分別接單片機(jī)的P0.0～P0.6，DP接P0.7，由于在顯示時(shí)DP是不需要點(diǎn)亮的，所以，P0.7一直是低電平，K1、K2、K3、K4作為每一位的片選端，分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)的P3.0～P3.3，其中片選端K4作為顯示電壓的符號(hào)“U”，整個(gè)過程中一直保持被選中顯示狀態(tài)。

1.2.7 報(bào)警電路模塊

本裝置報(bào)警電路中的三極管Q3起開關(guān)作用，當(dāng)基極電壓變成低電平時(shí)，使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲；而當(dāng)基極電壓為高電平時(shí)則使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。D2為發(fā)光二極管，當(dāng)P3.6輸出為高電平時(shí)，LED發(fā)光，當(dāng)其輸出為低電平時(shí)LED熄滅。

1.2.8 單片機(jī)控制電路模塊

該硬件電路以STC89C51單片機(jī)為核心，結(jié)合外圍硬件電路組成單片機(jī)的控制系統(tǒng)，P0口與顯示電路相連接，并有P3口的部分引腳控制其顯示，P2口是A/D模塊轉(zhuǎn)化后數(shù)字量的輸入端口，P1口的部分引腳與ADC0809的時(shí)鐘、使能端相連。

2 裝置的軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)流程圖

主程序是裝置的檢測(cè)和控制程序，在程序運(yùn)行過程中必須先進(jìn)行初始化，其中包括從A/D中讀取數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)的處理、控制數(shù)碼管顯示及報(bào)警電路的啟動(dòng)。系統(tǒng)在初始化完成以后進(jìn)入A/D讀數(shù)程序，實(shí)時(shí)的讀入當(dāng)前輸入的模擬電壓，并且在四位數(shù)碼管顯示電路上顯示，完成對(duì)手搖式兆歐表轉(zhuǎn)速的控制。裝置軟件設(shè)計(jì)的總體流程圖如圖2示：

圖2 主體程序設(shè)計(jì)流程圖

開始時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，讀取手搖式兆歐表輸出電壓并傳送給單片機(jī)，再由數(shù)碼管顯示，當(dāng)采集的電壓值低于或者超出額定電壓的±%10時(shí)，開始報(bào)警且啟動(dòng)溫控電路工作，直至電壓恢復(fù)至所設(shè)定的范圍內(nèi)，從而控制手搖式兆歐表的轉(zhuǎn)速。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)流程圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809在獲取數(shù)據(jù)后，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把模擬量按照一定的方式轉(zhuǎn)化為數(shù)字量再傳送給單片機(jī)，進(jìn)一步做后續(xù)電路的處理。A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)流程圖

對(duì)單片機(jī)初始化后，首先判斷模擬電壓是否有輸入，然后測(cè)量當(dāng)前的電壓值，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)。

3 結(jié)束語

本裝置的設(shè)計(jì)是基于數(shù)字顯示技術(shù)，以STC89C51單片機(jī)為核心，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809把采集到的模擬量傳送給單片機(jī)，并且當(dāng)其超出兆歐表額定電壓的±10%時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以此來控制手搖式兆歐表的轉(zhuǎn)速，將測(cè)量電壓保持在檢定規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

[1] 張毅剛.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì).哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008

[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分.北京:高等教育出版社，2006

[3] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分.北京:高等教育出版社，2006

[4] JJG622-1997 絕緣電阻表(兆歐表)檢定規(guī)程.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2004

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.10