電子指針式兩路兆歐表的設(shè)計(jì)

游雨云 程智君

摘? 要：本設(shè)計(jì)使用變壓器降壓，獲得三路低壓正弦交流電，采用TL431實(shí)現(xiàn)兩路高精度基準(zhǔn)穩(wěn)壓，為絕緣電阻提供電壓，另一路構(gòu)成雙電源，為工作電路供電電壓。使用低輸入失調(diào)電壓運(yùn)放OP07驅(qū)動(dòng)兩路表盤(pán)分別指示照明和動(dòng)力的絕緣對(duì)地電阻值。電路共設(shè)置了4個(gè)報(bào)警檔位和1個(gè)自檢檔位，當(dāng)絕緣電阻值低于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路指示燈亮，并通過(guò)繼電器輸出報(bào)警信號(hào)，自檢檔位用于表頭顯示校準(zhǔn)。STC15W104為主控芯片，控制按鍵切換報(bào)警檔位，同時(shí)輸出PWM信號(hào)經(jīng)RC濾波轉(zhuǎn)換為直流比較基準(zhǔn)電壓。

關(guān)鍵詞：TL431;報(bào)警檔位;STC15W104;PWM信號(hào)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM934.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）30-0041-02

Abstract： This design uses transformer step-down to obtain three low-voltage sinusoidal alternating current， uses TL431 to achieve two high-precision reference voltage stabilization， provides voltage for insulation resistance， and the other constitutes a double power supply to supply voltage for the working circuit. The low input offset voltage operational amplifier OP07 is used to drive the two dials to indicate the insulation-to-ground resistance of lighting and power respectively. The circuit has a total of four alarm gears and one self-check gear. When the insulation resistance is lower than the set value， the alarm circuit indicator light is lit， and the alarm signal is output through the relay. Then， the self-test gear position is used for the display and calibration of the meter. STC15W104 is the main control chip， which controls the button to switch the alarm gear， and at the same time， the output PWM signal is converted into DC reference voltage by RC filter.

Keywords： TL431; alarm gear; STC15W104; PWM signal

引言

手搖式兆歐表可臨時(shí)檢測(cè)電路的絕緣情況，對(duì)于有些需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)絕緣阻值的場(chǎng)合則不實(shí)用，本設(shè)計(jì)可安裝在電路中，時(shí)刻監(jiān)測(cè)電路的絕緣情況，并能在絕緣值下降到設(shè)置的報(bào)警檔位時(shí)進(jìn)行報(bào)警，切斷供電電路，保護(hù)人員和用電設(shè)備的安全。電路共分為4個(gè)功能部分：電源電路，采樣驅(qū)動(dòng)電路，主控電路和報(bào)警電路。

1 電源電路

電源電路使用一路交流220V輸入，兩路交流32V和一路交流雙12V輸出變壓器降壓。兩路32V輸出經(jīng)TL431獲得約2.5V～36V的基準(zhǔn)穩(wěn)壓，為被測(cè)絕緣電阻提供基準(zhǔn)電壓。其中，基準(zhǔn)電壓輸出值為：UZM_VCC=2.5×（1+）V，UDL_VCC=2.5×（1+）V，RP1和RP2為電壓幅值調(diào)節(jié)電阻，調(diào)試過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)RP1和RP2將UZM_VCC和UDL_VCC電壓調(diào)整至26V左右。另一路雙12V輸出經(jīng)過(guò)整流濾波后，通過(guò)LM7809和LM7909構(gòu)成正負(fù)9V直流電源，為運(yùn)放提供電源。從+9V端接7805獲得+5V電源，為主控芯片單片機(jī)提供電源。

2 采樣驅(qū)動(dòng)電路

因兩路絕緣電阻測(cè)量電路是完全對(duì)稱(chēng)互不干擾的，這里以一路為例分析?；鶞?zhǔn)電源UDL_VCC加載至R12、R13和被測(cè)絕緣電阻RX的串聯(lián)電路中，通過(guò)R13取得的電壓送至U2的3腳，U2使用低噪聲、低失調(diào)電壓的OP07運(yùn)放構(gòu)成跟隨器。R13兩端的電壓為：

UR13=UDL_VCC

當(dāng)UDL_VCC=26V時(shí)，被測(cè)絕緣電阻RX為接近∞Ω：

被測(cè)絕緣電阻RX為接近0Ω：

UR13=×26V=4.13V

4個(gè)報(bào)警檔位0.1MΩ，0.2MΩ，0.5MΩ，1MΩ對(duì)應(yīng)的電壓值分別為：

U0.1M？贅=3.15V，U0.2M？贅=2.55V，U0.5M？贅=1.62V，U1M？贅=1.00V，該電壓用于滯回比較器的正輸入端，實(shí)現(xiàn)滯回報(bào)警功能。

UR13經(jīng)過(guò)OP07運(yùn)放跟隨后驅(qū)動(dòng)表頭，其中P3和P4為表頭接口，RP3和RP4用于校準(zhǔn)表頭指示。表頭的滿度1mA，均勻地將絕緣電阻的阻值刻在表盤(pán)上。

3 主控電路

主控電路使用抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格相對(duì)便宜，支持在線編程的51核心單片機(jī)STC15W104，該芯片共有8個(gè)引腳，6個(gè)端口，其中P3.4和P3.5口用于輸出PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)R5、C9和R6、C10低通濾波獲得平均直流電壓，即DA電壓，將這個(gè)DA電壓作為報(bào)警。

電路的基準(zhǔn)電壓，改變PWM的占空比，可獲得不同的基準(zhǔn)電壓，從而實(shí)現(xiàn)不同檔位的報(bào)警功能。P3.4口連接一個(gè)按鍵，通過(guò)按鍵按測(cè)試檔位，0.1MΩ，0.2MΩ，0.5MΩ，1MΩ循環(huán)改變，每按一次按鍵切換至下一個(gè)檔位，同時(shí)將檔位的值存入EEPROM進(jìn)行掉電保存，斷電冷啟動(dòng)后將檔位值從EEPROM中讀取。P3.0，P3.1和P3.2 3個(gè)引腳與74HC595串入并出芯片控制引腳相連，控制595驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管指示當(dāng)前的報(bào)警檔位。

因該單片機(jī)本身不帶硬件PWM輸出，需要通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中使用了兩組定時(shí)器，一組控制PWM輸出頻率，設(shè)置為1KHz，一組控制PWM占空比，占空比的可調(diào)為4個(gè)報(bào)警檔位的換算值，能夠精確地控制輸出的DA電壓，滿足報(bào)警精度為1%的要求，同時(shí)由于該單片機(jī)自帶EEPROM存儲(chǔ)，不需要外置，降低了系統(tǒng)的成本。

4 報(bào)警電路

兩路報(bào)警電路完全一樣，這里以其中一路電路分析，因0.1MΩ，0.2MΩ，0.5MΩ，1MΩ 4個(gè)報(bào)警檔位對(duì)應(yīng)的電壓值分別為：U0.1M？贅=3.15V，U0.2M？贅=2.55V，U0.5M？贅=1.62V，U1M？贅=1.00V。為了消除在報(bào)警臨界點(diǎn)存在反復(fù)報(bào)警的問(wèn)題，使用OP07運(yùn)放構(gòu)成滯回比較器。回差電壓：UTH=×（UOH-UOL），如UOH=8V，UOL=-8.3V，則UTH=0.163V，R18和R19為回差電壓調(diào)節(jié)電阻，可以通過(guò)改變R18和R19的比值改變回差電壓值，回差電壓越大，消除噪聲越好，但靈敏度下降。驅(qū)動(dòng)表頭的輸出電壓通過(guò)DL_OUT端輸入滯回比較器，比較器正端輸入電壓U+=UDL_OUT-（UDL_OUT-UOL），可得4個(gè)報(bào)警檔位運(yùn)放正端的輸入電壓分別為：3.04V，2.44V，1.34V，0.91V，根據(jù)此電壓可以計(jì)算出運(yùn)放負(fù)端DL_DA的輸入電壓值，從而計(jì)算出PWM信號(hào)的占空比，D=，其中5V為單片機(jī)的供電電壓，即基準(zhǔn)電壓，將4個(gè)報(bào)警檔位的正端輸入電壓帶入占空比公式，可以得到0.1MΩ，0.2MΩ，0.5MΩ，1MΩ 4個(gè)報(bào)警檔位PWM輸出的占空比分別為：61%，49%，27%，18%，通過(guò)程序比較容易實(shí)現(xiàn)這些占空比的PWM輸出。經(jīng)過(guò)滯回比較器輸出的報(bào)警信號(hào)通過(guò)C15電容濾波，消除高頻干擾，再通過(guò)一級(jí)跟隨器利用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。當(dāng)絕緣電阻值大于設(shè)置的報(bào)警電阻值時(shí)，電路不報(bào)警，繼電器斷開(kāi)輸出常閉信號(hào);當(dāng)絕緣電阻值小于設(shè)置的報(bào)警電阻值時(shí)，電路報(bào)警，繼電器吸合輸出常開(kāi)信號(hào)，切斷用電設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了提高報(bào)警的精度，使用多圈精密電位器調(diào)節(jié)絕緣電阻的測(cè)量電壓，再通過(guò)程序進(jìn)行數(shù)字濾波處理，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的雙重處理。本設(shè)計(jì)中均使用1%精度的貼片電阻，報(bào)警的絕緣電阻精度可以做到1%。本電路已在船載發(fā)電機(jī)電力系統(tǒng)中使用，具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，報(bào)警準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。電路可以使用數(shù)碼管或液晶屏作為顯示設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展，以便應(yīng)用于更多的場(chǎng)合。

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