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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