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

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(1.5 x 10-5)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

1 VSS 电源地 9 D

2 数据

2 VDD 电源正极 10 D

3 数据

3 VL 液晶显示偏压 11 D

4 数据

4 RS 数据/命令选择 12 D

5 数据

5 R/W 读/写选择 13 D

6 数据

6 E 使能信号 14 D

7 数据

7 D0 数据 15 BLA 背光源正极

8 D1 数据 16 BLK 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=600 R8=20 Rf4=1000 R14=20

Ua=(1+Rf4/R14)*(1+Rf2/R8)Ux=(1+600/20)*(1+1000/20)Ux=1581Ux

Ia=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DATE INPUT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、DATA INPUT被禁止，DATA OUT呈高阻状态，EOC为高。使CS变低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATA OUT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DATA OUT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unsigned int read2543(uchar port)

{

unsigned int data ad;

unsigned int data i;

unsigned char data al=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