压敏电阻漏电流测量论文概要.docx

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压敏电阻漏电流测量论文概要

摘要

本设计是基于51系列的单片机的低压压敏电阻实时在线检测系统设计，可以显示出压敏电阻漏电流，采用仪表放大器放大微弱信号，精度高，具有显示压敏电阻漏电流及显示漏电流是否在合格范围内的功能。

在设计的同时对单片机的理论基础和外围扩展知识进行了比较全面准备。

基于微弱信号检测技术的低压压敏电阻实时在线检测系统的设计过程在硬件与软件方面进行同步设计。

硬件部分主要由STC15F204EA增强型51单片机，LED显示电路，以及按键报警，继电器驱动电路等组成，系统通过LED显示数据，所以具有人性化的操作和直观的显示效果。

软件方面主要包括键盘程序，显示程序，计算方法，控制程序等。

本系统以单片机的C语言进行软件设计，为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，以便更简单地实现压敏电阻漏电流检测功能。

所有程序编写完成后，在Keil4软件中进行调试，确定没有问题后，在开发板上进行验证。

关键词：

STC15F204EA；数码管；LED；微电流检测

Abstract

Thisdesignisthelowvoltagevaristorreal-timeonlinedetectionsystemisdesignedbasedonthe51seriesmicrocontroller,canshowthevaristorleakagecurrent,theinstrumentationamplifieramplificationofweaksignal,highprecision,candisplaythevaristorleakagecurrentanddisplaywhethertheleakagecurrentinanacceptablerangefunction.Inthedesignofthesinglechipmicrocomputerandthetheoryfoundationandperipheralexpansioncomparedtocomprehensiveknowledge.

Thedesignprocessoflowvoltagevaristorreal-timeonlinedetectionsystemofweaksignaldetectiontechnologyofsynchronizationinthehardwareandsoftwaredesignbasedon.ThehardwarepartconsistsofSTC15F204EAenhanced51MCU,LEDdisplaycircuit,andthealarmbutton,therelaydrivecircuit,thesystemthroughtheLEDdisplaydata,sothehumanizedoperationandintuitivedisplayeffect.Thesoftwareincludeskeyboardprogram,displayprogram,calculationmethod,controlprogrametc..ThesystemsoftwareisdesignedwithMCUClanguage,inordertofacilitatetheexpansionandthechange,thesoftwaredesignusesthemodularstructure,makethelogicrelationofprogramdesignmoreconcise,inordertomoresimplyrealizethevaristorfunctionofleakagecurrentdetection.Allprogrammingiscomplete,theKeil4softwaredebugging,makesurethereisnoproblem,verifythedevelopmentboard.

KeyWords：

STC15F204EA;digitalcontrol;LED;microcurrentdetection

目录

1概述5

2设计方案论证6

2.1功能要求7

2.2方案确定7

2.2.1单片机芯片的选择方案和论证7

2.2.2显示模块选择方案和论证8

2.2.3电流采集放大的选择方案和论证8

2.2.4电路设计最终方案确定9

3主控制器和外围器件9

3.1STC15F204EA单片机9

3.2数码管11

4硬件设计12

4.1电路设计框图12

4.2系统概述12

4.3电源设计12

4.4电流采集部分14

4.5放大部分15

4.5cpu电路17

4.6显示电路17

4.7按键电路17

4.8报警电路18

5软件设计18

5.1初始化外设21

5.2按键识别21

5.3获取漏电流22

5.4报警程序23

5.5数码管显示程序24

5.6闪烁时控程序25

5.7相关的参数定义26

6硬件调试26

6.1调试步骤27

7软件调试29

7结论31

致谢32

参考文献33

附录34

附录Ⅰ硬件电路图34

附录Ⅱ主程序源代码35

1概述

　　“压敏电阻"是中国大陆的名词，意思是在一定电流电压范围内电阻值随电压而变，或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。

英文名称叫“VoltageDependentResistor”简写为“VDR”,或者叫做“Varistor"。

压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。

现在大量使用的"氧化锌"（ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素（Zn）和六价元素氧（O）所构成。

所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。

在中国台湾，压敏电阻器称为"突波吸收器",有时也称为“电冲击（浪涌）抑制器（吸收器）”。

　　压敏电阻有什么用？

压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阈值"UN"时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过UN时，它的阻值变小，这样就使得流过它的电流激增而对其他电路的影响变化不大从而减小过电压对后续敏感电路的影响。

利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。

例如：

我们家用的彩电的电源电路中就使用了氧化锌压敏电阻，这里使用的压敏电阻压敏电压为470V，当瞬态的浪涌电压最大值（非有效值）超过470V时，压敏电阻就是体现他的钳位特性，把过高的电压拉低，让后级电路工作在一个安全的范围内。

压敏电阻在通过规定波形的大电流时其两端出现的最高峰值电压。

按规定时间间隔与次数在压敏电阻上施加规定波形电流后，压敏电阻参考电压的变化率仍在规定范围内所能通过的最大电流幅值。

在参考电压的作用下，压敏电阻中流过的电流。

允许长期连续施加在压敏电阻两端的工频电压的有效值。

而压敏电阻在吸收暂态过电压能量后自身温度升高，在此电压下能正常冷却，不会发热损坏。

过高的电压拉低，让后级电路工作在一个安全的范围内。

1压敏电阻漏电流大，会缩短压敏电阻使用寿命，严重的可以直接因发热过大而烧毁压敏电阻。

2会消耗额外增加电路系统的功耗。

漏电流做为压敏电阻影响电路系统性能的重要参数，准确测量漏电流，对于设计者合理选择性能优良的压敏电阻，设计出优秀的电路，有重要帮助。

本文设计的压敏电阻实时在线检测系广泛用量产时的压敏电阻性能判定，可实现压敏电阻的在线漏电流检测，可以用于工厂原件筛选，工程师判定压敏电阻质量等。

因而，此设计具有相当重要的现实意义和实用价值。

2设计方案论证

压敏电阻标准定义的漏电流是指在0.75E1电压施加下的回路电流，一般是μA级。

数值在15μA以下为合格。

但是，对于小规格低电压的压敏电阻，如5mm尺寸以下，压敏电压在100v以下的，标准定义的漏电流是指在0.85E0.1电压施加下的回路电流，一般也是μA级，数值在30μA以下为合格。

在这里我的测量方法选择最后一种，由于大部分压敏电阻都用作浪涌保护，短路保护等，工作于市电电压下，所以我们选择的市电电压作为压敏电阻漏电流的源。

上面是指常规压敏电阻的漏电流，常规压敏是突变型的。

那么对于缓变型的压敏电阻，漏电流的数值会在20mA以下，是毫安级。

还有一个是评价工作电压下的漏电流，一样，就是在压敏电阻装在的电路的正常工作电压施加在压敏电阻时的压敏电阻回路电流。

突变型的数值在微安级，缓变型的漏电流的数值会在毫安级。

因此我们的测量电路应能适应ua到几十ma的电流。

2.1功能要求

1、以两个电流互感器（CT）监测电压电源系统的负载电流，压敏电阻前后的负载电流差即为压敏电阻的漏电流，对漏电流信号进行放大和整流滤波，得到压敏电阻的漏电流的模拟值；

2、能显示压敏电阻漏电流的大小；

3、具有自动判断功能，判断压敏电阻漏电流大小，提示其优劣；

4、当压敏电阻漏电流过大时，能报警提示；

5、离线功能，压敏电阻漏电流过大时，断开压敏电阻供电；

6、可以手动控制；

2.2方案确定

2.2.1单片机芯片的选择方案和论证

方案一:

采用NXP的P89LPC9251芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中相关的参考资料较少，不利于快速短时间开发。

方案二:

采用STC15F204EA,片内ROM全都采用FlashROM；自带8通道10位ADC，IO驱动电流可达20ma，可以直接驱动数码管，能以5V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为4KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。

所以选择采用STC15F204EA作为主控制系统.

2.2.2显示模块选择方案和论证

方案一：

采用LED液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,但是价格昂贵,需要的接口线多,所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。

方案二：

采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。

方案三：

采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字最合适,而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用的单片机口线少。

所以采用了LED数码管作为显示。

2.2.3电流采集放大的选择方案和论证

方案一：

直接采用串联电阻测电流方法，用的材料少节约成本，但是可靠性不高，而且运放的输入端电压容易过高，造成运放损坏。

所以不采用此方案。

方案二：

采用电流互感器，电流互感器是一种全隔离的电流测量器件，无需直接接触，通过电磁耦合即可测量出被测电流的大小，而且精度高,抗干扰能力强.

2.2.4电路设计最终方案确定

综上各方案所述,对此次作品的方案选定:

以单片机STC15F204EA为主控制器，电流数据是通过两个电流互感器采集到的电压进仪表放大器进行差分放大，ADC采集被放大的电压，计算出压敏电阻漏电流的大小，并通过LED数码管显示出来，并用键盘来完成测试的启动。

3主控制器和外围器件

3.1STC15F204EA单片机

加密性强,很难解密或破解,解密费用很高、国内能解密的人少,一般的仿制者望而退步.

超强抗干扰:

1、高抗静电（ESD保护）

2、轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT测试）

3、宽电压,不怕电源抖动

4、宽温度范围,-40℃~85℃

5、I/O口经过特殊处理

6、单片机内部的电源供电系统经过特殊处理

7、单片机内部的时钟电路经过特殊处理

8、单片机内部的复位电路经过特殊处理

9、单片机内部的看门狗电路经过特殊处理

三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施:

稳定性:

1、禁止ALE输出;

2、如选6时钟/机器周期,外部时钟频率可降一半;

3、单片机时钟振荡器增益可设为1/2Gain.

超低功耗:

1、掉电模式:

典型功耗<0.1μA

2、空闲模式:

典型功耗2mA

3、正常工作模式:

典型功耗4mA-7mA

4、掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池

供电系统,如水表、气表、便携设备等.

在系统可编程,无需编程器,可远程升级

可送STC-ISP下载编程器,1万片/人/天

可供应内部集成MAX810专用复位电路的单片机,

只有D版本才有内部集成专用复位电路,原复位电路可以保留,也可以不用,不用时RESET脚直接短到地

功能:

STC15F204EA系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（T）的单片机,是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,采用宏晶第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统8051，但速度快6-12倍。

内部集成高精度R/C时钟,±1%温飘，常温下温飘5‰,5MHz~35MHz宽范围可设置,可彻底省掉外部昂贵的晶振。

8路高速10位A/D转换（30万次/秒），针对电机控制,强干扰场合。

·增强型8051CPU,1T,单时钟/机器周期,速度比普通8051快6-12倍

·工作电压:

STC15F204EA系列工作电压:

5.5V-3.8V（5V单片机）

STC15L204EA系列工作电压:

3.6V-2.4V（3V单片机）

·工作频率范围:

5MHz~35MHz,相当于普通8051的60MHz～420MHz

·低功耗设计:

低速模式,空闲模式,掉电模式（可由外部中断唤醒）.低功耗设计

·1K/2K/3K/4K/5K字节片内Flash程序存储器,擦写次数10万次以上

·片上集成256字节RAM

·有EEPROM功能,擦写次数10万次以上

·ST11.ISP/IAP,在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器

·2个16位可重装载定时器,兼容普通?

051的定时器T0/T1,并可实现时钟输出和PWM功能或D/A使用

·可编程时钟输出功能,T0在P3.5输出时钟,T1在P3.4输出时钟?

在P0.0口输出内部高精度R/C时钟IRC_CLK（也可2分频输出IRC_CLK/2）。

·先进的指令集结构,兼容普通8051指令集,有硬件乘法/除法指令

·封装:

.封装:

SOP-28,SKDIP-28

这里选用stc15f204easop-20单片机，外围电路及其简单，可直接驱动数码管，大大节省了设计时使用的器件。

3.2数码管

采用动态扫描的方式显示，难度主要在于软件。

3.2.1数码管介绍

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管。

按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

4硬件设计

4.1电路设计框图

4.2系统概述

本电路是由STC15F204EA单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，能在5V低压工作；电流电流检测由电流互感器实现，它是一种高性能、低功耗、高隔离的获取采样电流的方式。

显示部份由3个数码管限流电阻构成，使用动态扫描显示方式对数字的显示。

。

按键部分由单个触发式按键构成。

报警部分使用一个三极管驱动高亮LED实现。

硬件的结构和可靠性直接影响着整个系统的可靠性，所以合理的安排电路能提高电子产品的性能。

4.3电源设计

电源部分为这个电路的力量源头，一个优秀的电源可以延长电路寿命，是电路工作于稳定状态。

在直流电源供电系统中，有一个重要的组成部分，就是为稳压电路，几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源供电才能正常工作，所以我们应当了解ELGAR直流电源稳压电路的组成。

下面就跟着上海太琴的专业人士一起了解一下稳压电路对直流电源的重要性吧！

直流电与交流电不一样，交流电是持续不断的脉冲来提供电能的，但是直流电源供电一般都是稳压供电，这对电子设备有着重要的作用，稳压电路也就是提供更加稳定的直流电能，考虑到整流滤波店里中的电压与理想中的直流电供电电压有一定的差距，简单的说就是现实生活中直流电压是不能达到相对稳定的状态，主要有两个原因。

一、就是电源负载的情况，当直流电源负载的时候，整个电路中的负载电流就会发生变化，因为整流滤波电路没有理想的那么完美，存在一定的内阻，这样也就影响了电路中电压，电压发生改变一定会影响电子设备的正常运行。

所以稳压电路是非常重要的。

二、在直流电路中，由于电网中的淡雅也不是很稳定，每当电网中电压发生改变的时候，整个电路中的输出电压也就会发生改变，因为在直流电电路，稳定的输出电压是必须的，因此设计人员为了直流电源能够输出稳定的电压，就采用三端集成稳压器来实现稳定电压功能。

当电网中电压和负载电流发生辩护的时候，只有调整自身的输出电压才能保证其输出电压的稳定，而采用串联的直流电路的输出电压和电压成反比，也就是说电路中的电流也是能够改变电压的。

综上所述，直流电源想要在电路中提供稳定的电压，就只有在一个稳压电路中工作，也可以理解为稳压电路对直流电源的重要性非常大。

设计的电源如下图：

4.3.178L05芯片介绍

78L05是一种固定电压（5V）三端集成稳压器,其适用于很多应用场合.象牵涉到单点稳压场合需要限制噪声和解决分布问题的在-卡调节.此外它们还可以和其它功率转移器件一起构成大电流的稳压电源,如可驱动输出电流高达100毫安的稳压器

.其卓越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情况.当用于替代传统的齐纳二极管-电阻组的时候,其输出阻抗得到有效的改善,其偏置电流大大减少.

78L05特性

*三-端稳压器

*输出电流可达到100mA

*无需外接元件

*内部热过载保护

*内部短路电流限制

*从2004年底开始，提供的各类封装形式，均为无铅封装产品。

78L05应用须知

*如果稳压器离电源滤波器有一段距离,Cin是必需的

*Co对稳定性而言是可有可无的,但的确能够改善瞬态响应

注；

（1）为确定输出电压值,请选择电压值后缀（xx）

（2）为获得最佳的稳定性和瞬态响应,建议使用旁边电容并尽量可能挨着电路安装。

4.4电流采集部分

电流采集部分的目的是低噪声，低失真，高灵敏度。

4.4.1电流互感器原理

在电力系统中被广泛采用的是电磁式电流互感器，其工作原理和变压器非常相似。

　　下面我们谈一下电流互感器的特点：

（1）电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。

（2）一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次线圈中的电流完全取决于被测电路的负荷电流．而与二次电流无关；

　　电流互感器一、二次额定电流之比，称为电流互感器的额定互感比：

kn=I1n/I2n

因为一次线圈额定电流I1n己标准化，二次线圈额定电流I2n统一为5（1或0.5）安，所以电流互感器额定互感比亦已标准化。

kn还可以近似地表示为互感器一、二次线圈的匝数比，即kn≈kN=N1/N2式中N1、N2为一、二线圈的匝数。

电流互感器的作用就是用于测量比较大的电流。

这里电流互感器主要起到隔离大电流获得微弱的差模电流，选择1:

1这个档的电流互感器，放大倍数为1倍。

4.5放大部分

这里采用高输入阻抗高抗干扰的典型仪表放大电路。

4.5.1仪表放大器特点

高共模抑制比　

共模抑制比（CMRR）则是差模增益（Ad）与共模增益（Ac）之比,即:

CMRR=20lg|Ad/Ac|dB;仪表放大器具有很高的共模抑制比,CMRR典型值为70～100dB以上。

高输入阻抗　

要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗,仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡,其典型值为109～1012Ω.

低噪声　

由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压,因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上,在1kHz条件下,折合到输入端的输入噪声要求小于10nV/Hz.

低线性误差　

输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正,但是线性误差是器件固有缺陷,它不能由外部调整来消除。

一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%,有的甚至低于0.0001%.

低失调电压和失调电压漂移　

仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成,输入和输出失调电压典型值分别为100μV和2mV.

低输入偏置电流和失调电流误差　

双极型输入运算放大器的基极电流,FET型输入运算放大器的栅极电流,这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。

双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为1nA～50pA;而FET输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为50pA.

充裕的带宽　

仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽,典型的单位增益小信号带宽在500kHz～4MHz之间。

具有“检测”端和“参考”端　

仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端,允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降（IR）的影响可减至最小。

这里设计电路如下：

设计