回路电阻测试仪的设计和研究
序言
上海日行电气有限公司系一家集电力检测设备、仪器仪表、电力工业自动化系统研发、生产与销售于一体的高科技企业。特别是在回路电阻测试仪的科学研究方面具有庞大的实力，多次在高压试验方面获得**，该公司RXZ回路电阻测试仪产品远��国内外，取得了很高的荣誉。
摘 要：回路电阻测试仪本文介绍了回路电阻测量仪的设计，它是一种用于测量高压开关回路电阻的微电阻测量仪器。本论文主要涉及电源的设计,集成运放及A/D转换电路的应用,单片机的应用以及液晶显示模块的使用。能够加深掌握以单片机为控制,数据采集,处理的设计方法,以及电路设计的知识。它比传统的测试仪更加方便实用，具有广泛的应用前景。
关键字：模/数转换 单片机 液晶显示
Abstract: This paperintroducesthe design of the loop resistance measuringinstrument.It is a kind ofmicro-resistormeasuring 回路电阻测试仪instrument thatis used for measuring High-voltage Switchloop resistance. Thedesign of loop resistance measuring instrumentinvolves design ofthe electrical source, the application ofIntegrated OperationalAmplifier, A/D Converter Circuits andliquid-crystal display module.The design method of the control ofSCM, data Acquisition andprocessing, the knowledge of circuitdesign can be held deeply. Itis more feasible and more convenientthan that of traditionalmeasuring instrument with a vast range ofprosper forapplication.
KEY WORDS: A/D conversion ； SCM ；LCD
引言
近几年来，随着微电子技术和单片机的出现，引起测量仪表领域的一场新的技术**。以单片机为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为新一代的智能仪表。单片机具有体积小、价格低、功能强、可靠性好及使用方便灵活的特点，在智能化仪器仪表的设计和研究上得到了广泛的应用。本文从硬件和软件两个方面介绍了回路电阻测量仪的设计。主要从三个方面系统**的介绍了本次设计的内容。**部分主要介绍了回路电路测量仪的基本设计思想（模块化的设计）。**部分介绍了回路电阻测量仪的设计研制步骤，首先确定设计任务和仪表功能，然后详细介绍了回路电阻测量仪硬件电路的设计。第三部分主要是从软件方面介绍的，包括回路电阻测量仪的软件流程图和软件源程序。
通过对回路电阻测量仪的设计和研究，我们加深掌握了以单片机为控制、数据采集处理为核心的设计方法、液晶显示模块的使用以及电子电路设计的知识。
由于我们设计水平和时间所限，在设计难免出现一些错误和不妥之处，恳请各位老师能够给予批评指正。
1.回路电阻测量仪的基本设计思想
1.1 模块化设计
根据回路电阻测量仪的功能要求和技术经济指标，由大到小地按仪表功能层次把硬件和软件分成若干个模块，分别进行设计，然后把它们连接起来，这就是我们设计回路电阻测量仪的思想。
本文主要介绍了回路电阻测量仪硬件和软件两方面的设计内容。把硬件分成主机电路、模拟量输入通道、人-机联系电路和电源电路等几个模块,而把软件分成监控程序，中断处理程序及各种测量等功能模块。这些硬件、软件模块还可以继续细分，由下一层次更为具体的模块来支持和实现。
2.回路电阻测量仪的设计研究步骤
2.1设计任务和仪表功能的确定
（1）设计任务的确定：该题主要包括电源的设计,集成运放及A/D转换电路的应用,以及单片机的应用,包含测量和采集,液晶显示模块的使用，要求可以打印输出，并用Protel完成电子电路，设计软件完成电路的计算机辅助设计。
（2）仪表功能的确定：该回路电阻测试仪适用于高压开关接触电阻（回路电阻）的高精度测量，同样适用于其它需要微电阻测量的场合。
1）该电阻测试仪有两种测试：标准测试和自定义测试。标准测试，是根据规程中要求，为用户提供*直接、简便的方法,测试出试品阻值。测试电流C为100 A，测试时间T为5S。自定义测试，当开关的氧化膜过厚时，选择自定义测试中的大电流，长时间来进行测量，能有效的击穿氧化膜得到开关的真实阻值。该设计的回路电阻测试仪有三组可选的自定义电流和时间。C=50A，T=5S； C=150A，T=10S；C=200A，T=15S 。
2）本仪器智能化，具有日期时钟、自动打印、数据存储功能，能存储100组数据，便于对历史数据的保存和跟踪分析，输出电流和时间可由菜单操作选择，无需调压器或电位器调整，无机械性故障。
3）该仪器使用方便：采用宽温型液晶显示器,英文菜单操作，测量数据显示结果直观，打印机能以英文模式打印记录数据。
4）当被测信号输入时，只需按下测量键，仪器就能自动测试，并显示结果。
（3）仪表各部分说明如下：
1）电流输出端子：与测试电缆中粗的那根相接，对试品输出200A、150A、100A、50A电流。
2）电压输入端子：与测试电缆中细的那根相接，测量试品上的压降。
3）打印机：用于测试数据的记录。回路电阻测试仪
5）液晶显示器：以英文方式显示菜单及测试结果。
6）电源插座：接220V市电。
2.2 回路电阻测量仪的硬件电路设计
在了解了回路电阻测量仪的设计任务和功能之后，我们将回路电阻测量仪的设计任务按功能模块分解成若干个课题，再逐一进行具体的设计。
2.2.1 单片机的选择
在智能化测��仪表中，单片机是仪表的主体，是核心。MCS-51系列单片机具有数据存贮器和程序存贮器两个寻址空间，分别都为64K，在指令空间和执行速度上，MCS-51系列单片机也是比较合理的，它的算术和逻辑运算指令功能较强，而且还有乘除指令和位操作指令（即布尔操作指令）。中断处理能力较强，能满足一般实际应用的要求，其外围扩展芯片也十分丰富。根据各方面的综合考虑，8051适合于低成本的场合，因此我们采用8051单片机。
2.2.2 单片机复位电路的设计
如果干扰信号已经通过某种途径作用到了CPU上，则CPU就不能按正常状态执行程序，从而引起混乱，这就是通常所说的程序“跑飞”。为了防止程序跑飞和保持系统的稳定性，设计了一种模仿人工监测的“程序运行监视器”俗称“看门狗”（WATCHDOG）。
2.2.3单片机时钟电路的设计
单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须在外部加附加电路。*常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振电路。本设计采用的振荡晶体为7.3728MHZ。C1和C2都采用20PF，电容值无严格要求。
2.2.4回路电阻测试仪 单片机存储器扩展设计
由于单片机内资源的限制，在许多情况下，往往不能满足使用的要求，因此必须进行系统扩展。此次设计扩展了一片程序存储器2764（8K*8位的紫外线擦除电可编程只读存储器，单一+5V供电）和一片外部RAM（8K*8）。因为我们这次设计要求该回路电阻测量仪有数据存储功能。我们将要保存的测量数据和测量时的日期时间存储在扩展的外部RAM中，以防止内部RAM存储空间的不足。采用环行存储，仪表每次存储一组数据，程序将测量次数加1，当超过100组存储数据时，程序将测量次数存储单元清零，下一组测量数据将从数据区首地址开始存入，仪表内部总是保存*新的100组测量数据。
2.2.5 单片机I/O扩展设计
8051单片机有4个8位并行I/O（Input/Output,输入/输出）口，只有不进行系统扩展时，这4个才能完全提供给用户使用，否则P0口和P2口要作为地址和数据总线使用，这样真正提供给用户使用的只有P1和P3口的一部分，往往满足不了要求，因此要进行I/O口扩展。本次设计采用的I/O接口芯片是8155。
3.测量部分（数据采集系统）的设计
在充分考虑了各种因素选择了单片机之后，还要进行输入输出接口和其他功能组件的设计。
3.1前置放大器
为了能够实现对外界各种模拟信号的测量，必须要采用数据采集系统将信号送入仪表之中，外部的模拟信号经过前置放大器A和采样保持放大器SHA后进入ADC，转换成数字量后，进入仪表内部。
此次设计被测信号的幅值（被测电阻的模拟电压）是变化的，因此我们采用可以根据被测信号幅值的大小来改变放大器增益的程控放大器，以便把不同电压范围的输入信号都放大到ADC所需要的幅度。采用同相输入，运算放大器的型号为ADOP-07。S1~S4为4路模拟开关，由单片机通过程序来控制某一路开关的接道，电路的增益随开关接通的情况而定。
3.2 采样保持放大器
采样保持放大器SHA(Sample-HoldAmplifier)的作用是保持输入信号在ADC转换期间内不变。如果不采用SHA，而将电压Vx直接加到ADC上去进行转换，在ADC转换期间，如果Vx变换过大就会造成A/D转换的误差。要想ADC在能保证精度的条件下直接转换，输入信号Vx的频率只能是直流或很低频的信号。
3.3 A/D模数转换器
A/D转换器的种类很多，此次设计我们所采用的A/D转换器为5G14433型。5G14433是一种国产廉价型的3位半双积分A/D转换器，其廉价且抗干扰性好。5G14433与8051的接口电路，由于5G14433转换结果的输出是动态的，必须将其数据输出端DS1~DS4，Q3~Q0通过并行接口与8051连接。
4. 人-机接口电路设计
智能仪表通过人-机联系部件和设备接收各种命令及数据，并且给出运算和处理结果。人-机联系部件通常有键盘、显示器、打印机等。下面我们将介绍本次设计所采用的人-机接口电路。
4.1显示器接口
根据设计的要求，我们采用了EPSON公司生产的EA-D20040AR点阵式液晶显示模块。
EA-D20040AR与单片机8051的接口中，EA-D20040AR是由低功耗的CMOS电路组成的，而8051为TTL电路，所以为了两者之间的兼容，应在8051单片机的P0口与EA-D20040AR的数据线D0~D7之间加上一个总线驱动器74LS245。80C51单片机的读写线有2根，而EA-D20040AR只有一根读写线，因此两者之间有一个转换电路。EA-D20040AR的片选端是高电平有效，故从译码器输出的片选信号需经过一个反相器之后才能接到它的片选端上。
4.2 键盘接口
键盘是一组开关（按键）的集合，操作者可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人-机对话。本次设计采用3×3矩阵式键盘。单片机8051与矩阵式键盘接口，采用可编程并行接口8155。8155的PA口作为键盘的行扫描口，PC口为键盘输入口。单片机8051首先要从键盘接口中获得按键的键值（键号），然后根据各个不同的键值执行不同的操作。
4.3打印机接口
本次设计要求将测量的数据用打印机打印输出，因此有必要设计打印机的接口电路。根据选择比较后，我们采用的打印机型号为PP40型。PP40的所有I/O信号与TTL电平兼容。
单片机8051与PP40的接口方法。单片机8051的P1口作为数据口，P3.0作为选通信号输出线，P3.2作为中断请求输入线。输出到PP40的选通信号必须由软件产生，由于选通信号产生以后经28μsBUSY才上升为高电平，所以外部中断应选用边沿触发方式。
此次设计我们设置了如下打印格式：
Current:####A Time:####S Resistance: ####μΩ 20##.##.####：## |
5.仪表中其它芯片及辅助电路设计
5.1 DS1302低功耗串行时钟芯片
本次设计中，要求回路电阻测量仪可以显示日期，因此需要一个实时时钟。
我们在此次设计中选择低功耗串行时钟芯片DS1302。DS1302是由DALLAS公司生产的高性能、低功耗、带RAM的串行实时时钟芯片。
因为DS1302的数据发送或接收时序和8051的串行口不完全一致，因此需要在TXD的输出端加反相器。
5.2 其它辅助电路
在回路电阻测量仪电路的设计当中，我们还用到了其它辅助电路，例如：75452反相驱动器，74LS373锁存器，74LS139译码器，74LS245同相驱动器，74LS138译码器。
6.电源的设计
根据仪表硬件所选择的各个芯片和电路所需的电源，我们设计了 5V的电源和供待测回路电阻所需的电源。
6.1 仪表内部电源
电源的交流电压是用的220V市电。将220V交流电通过低频变压器降压得到所需要的交流电压，然后将交流电压经过整流、滤波变成含一定纹波成份的直流电压，送入稳压器的输入侧，从输出侧可以得到所需稳定的直流电压，再将直流电压经过滤波得到所需更加稳定的5V直流电压。
6.2供待测回路电阻所需的电源。
该电源是由+5V的电源经过恒流管LM334和可调式基准电压源 LM336而得。
7.系统软件的总体设计
回路电阻测量仪的硬件设计在前面已经介绍了，根据硬件的设计内容我们设计相应的软件。为了使读者更好的理解，我们软件设计分为六大模块：参数设置模块、数据采集模块、数据分析和处理模块、控制输出模块、数据管理模块。
8.系统主要功能模块
软件是对设计的回路电阻测试仪硬件功能的实现。为了使读者更清晰，更好地了解功能的实现方法和编程的方便，首先要对器件地址初始化、参数初始化和堆栈指针初始化。
结 束 语
本课题研究和设计回路电阻测试仪，给出了用户简单易懂的界面。本设计以单片机为核心，应用了数据采集系统，A/D转换，人机接口电路完成了回路电阻的测试。本设计有如下特点：
（1）单片机为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为新一代的智能仪表。
（2）用液晶显示模块，使界面直观易于操作。
（3）数据采集采用I/O接口和A/D转换，计算机可直接完成数据的采集、分析、处理。
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