兆欧表测量电压报警显示装置的设计

宋好琦 付雷东

(1.安阳市质量技术监督检验测试中心，安阳 455000；2.安阳工学院，安阳 455000)



兆欧表测量电压报警显示装置的设计

宋好琦1付雷东2

(1.安阳市质量技术监督检验测试中心，安阳 455000；2.安阳工学院，安阳 455000)

以STC89C51单片机为核心，设计了一种辅助测量装置，对兆欧表产生的模拟量测量电压进行实时地数字显示，配合声光报警，使之保持在合理的范围内，满足JJG622-1997《绝缘电阻表(兆欧表)检定规程》对兆欧表测量电压的技术要求。

兆欧表；测量电压；STC89C51；ADC0809

0 引言

兆欧表又称绝缘电阻表，是通过测量电气设备或电气线路的绝缘电阻，发现这些设备或线路的电气安全隐患，避免发生触电或设备损坏等事故的发生，使用极为广泛。按照国家计量法实施细则，兆欧表属于强制检定的计量器具。

兆欧表工作时的测量电压是通过手摇发电机产生的，在额定转速(一般为120r/min)下，其输出电压达到正常工作电压。在实际应用中，转速很难控制，其测量电压往往偏离其额定值，甚至超出检定规程的要求范围，这样得到的测量结果就会失真，容易引起对测量结果的误判。

为了使试验人员能对测量电压进行有效控制，我们设计了一种辅助装置，能将兆欧表产生的模拟量测量电压实时直观地显示出来，并在超出设定的允许偏差时，发出声光报警，使试验人员及时调节转速，恢复到正常的工作电压。下面分别介绍它的硬件电路的设计和软件电路的设计。

1 装置的硬件设计

1.1 硬件原理图

本设计依据数字式兆欧表A/D转换技术、数字显示技术，采用以单片机为核心设计的测量电压的报警显示装置。本装置选择的是额定输出电压为100V的手摇式兆欧表，由于手摇式兆欧表输出电压比较高，而且其值与转速密切相关，如果装置电源取自测量电压，即使通过相应的降压处理得到所需电源电压，而因其不稳定性，对后续电路势必会造成一定的影响。因此，AD转换电路、单片机控制电路及报警显示电路的电源由9V干电池通过转5V电路提供，系统硬件原理图如图1所示。

1.2 硬件模块设计

1.2.1 电源电路模块

三端固定集成稳压电路的输出电压是固定的，常用的是CW7800/CW7900系列。W7900系列输出负电压，W7800系列输出正电压，其输出电压有5、6、7、8、9、10、12、15、18、20和24V。三端稳压器的工作原理，由采样、基准、放大和调整等单元组成。集成稳压器只有三个引出端子：输入、输出和公共端。输入端接整流滤波电路，输出端接负载；公共端接输入、输出的公共连接点。为使它工作稳定，在输入和输出端与公共端之间并接一个电容。使用三端稳压器时注意一定要加散热器，否则不能工作到额定电流。

一般的电源电路主要由7805稳压管来组成，采用9V干电池输入供电，经过三端稳压器7805和电容滤波后，稳压成+5V直流电源给STC89C51等供电。

1.2.2 晶振电路模块

晶振分为有源晶振和无源晶振两种，其作用是在电路上产生震荡电流，发出时钟信号。无源晶振是有2个引脚的无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来；有源晶振有4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，体积较大。

图1 装置的硬件原理图

在STC89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机晶振电路。

1.2.3 复位电路模块

复位电路是为确保微机系统中的电路能稳定可靠的工作。其主要功能是上电复位，必要时可以按键复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为4.75～5.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此，在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。

STC89C51是高电平复位，当复位按键未闭合时由于电容对直流的阻隔作用，RST相当于直接接在地上，这时单片机没有复位，当复位键按下后RST直接接高电平，单片机就可以复位了。

1.2.4 A/D转换电路模块

ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换，由单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由A、B、C的编码来决定所选的通道。ADC0809完成一次转换需100μs左右，它具有输出TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到STC89C51的数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对0～5V的模拟信号进行转换。

ADC0809是8路8位ADC芯片，片内有8路模拟开关、地址锁存与译码、256电阻梯形网络、电子开关树、逐次逼近寄存器、比较器和3态输出锁存器等，特别适合与微机接口。以下是ADC0809与89C51连接电路分析：

89C51是8位CMOS单片微机芯片，有1个双工口P0口和2个半双工口P1口、P2口，其中P0.0～P0.7(P0口的8个引脚号)主要用作数据和地址总线口。

1.2.5 模拟电压输入电路

该设计的模拟电压输入信号是由手摇式兆欧表输出的脉动电压，经过降压变压器及后续电路处理得到的0～5V的模拟电压，该电路中为了保证测量电路的安全，在模拟信号传送给ADC0809之前加了一个自锁开关，当按下开关后手动摇动兆欧表后信号就会传送到后续电路中。

1.2.6 显示电路模块

显示电路采用的是4位共阳极数码管显示，该数码管的段码a～f分别接单片机的P0.0～P0.6，DP接P0.7，由于在显示时DP是不需要点亮的，所以，P0.7一直是低电平，K1、K2、K3、K4作为每一位的片选端，分别对应单片机的P3.0～P3.3，其中片选端K4作为显示电压的符号“U”，整个过程中一直保持被选中显示状态。

1.2.7 报警电路模块

本装置报警电路中的三极管Q3起开关作用，当基极电压变成低电平时，使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而当基极电压为高电平时则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。D2为发光二极管，当P3.6输出为高电平时，LED发光，当其输出为低电平时LED熄灭。

1.2.8 单片机控制电路模块

该硬件电路以STC89C51单片机为核心，结合外围硬件电路组成单片机的控制系统，P0口与显示电路相连接，并有P3口的部分引脚控制其显示，P2口是A/D模块转化后数字量的输入端口，P1口的部分引脚与ADC0809的时钟、使能端相连。

2 装置的软件设计

2.1 主程序设计流程图

主程序是装置的检测和控制程序，在程序运行过程中必须先进行初始化，其中包括从A/D中读取数据、对数据的处理、控制数码管显示及报警电路的启动。系统在初始化完成以后进入A/D读数程序，实时的读入当前输入的模拟电压，并且在四位数码管显示电路上显示，完成对手摇式兆欧表转速的控制。装置软件设计的总体流程图如图2示：

图2 主体程序设计流程图

开始时，对系统进行初始化，读取手摇式兆欧表输出电压并传送给单片机，再由数码管显示，当采集的电压值低于或者超出额定电压的±%10时，开始报警且启动温控电路工作，直至电压恢复至所设定的范围内，从而控制手摇式兆欧表的转速。

2.2 A/D转换程序设计流程图

模数转换芯片ADC0809在获取数据后，再对数据进行处理，把模拟量按照一定的方式转化为数字量再传送给单片机，进一步做后续电路的处理。A/D转换程序设计流程图如图3所示。

图3 A/D转换程序设计流程图

对单片机初始化后，首先判断模拟电压是否有输入，然后测量当前的电压值，并转换成数字信号传给单片机。

3 结束语

本装置的设计是基于数字显示技术，以STC89C51单片机为核心，通过模数转换芯片ADC0809把采集到的模拟量传送给单片机，并且当其超出兆欧表额定电压的±10%时，报警电路发出报警信号，以此来控制手摇式兆欧表的转速，将测量电压保持在检定规程规定的范围内，保证测量结果的准确可靠。

[1] 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2008

[2] 康华光.电子技术基础 模拟部分.北京:高等教育出版社，2006

[3] 康华光.电子技术基础 数字部分.北京:高等教育出版社，2006

[4] JJG622-1997 绝缘电阻表(兆欧表)检定规程.北京:中国计量出版社，2004

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.10