电力变压器直流电阻的快速测量方法----硬件设计

第五章电力变压器直流电阻测试仪的硬件设计和软件设计

基于上一章所提出的助磁法结合恒流源的改进方法，本论文利用单片机进行了系统设计来实现电力变压器直流电阻的快速测量。

5.1电力变压器直流电阻测试仪的硬件设计

5.1.1系统整体结构

本装置以80C196单片机为核心组成单片机控制单元，通过数据存储器和I/O口扩展，完成测试与控制功能。本测试系统的总体结构如图5-1所示

电源部分是通过一个开关电源产生单片机工作电源+5V和±12V，其中，继电器工作电源+12V由变压器降压，整流桥整流产生。键盘只有四个按键，通过按键来实现功能选择，完成测试、存储和打印功能。测试结果通过LCD显示输出。

单片机控制单元主要由80C196单片机为核心，外部扩展程序存储器EPROM27128，数据存储器RAM6264和E2PROM2864，译码电路由两片74LS138实现。地址锁存由74LS373完成。I/O口扩展由一片8255实现，实现对打印机的控制，输出继电器的控制，键盘的输入和液晶显示的控制。

恒流源电路主要由恒流源的采样电路、比较电路等，将交流电通过整流桥将交流电变为直流电，经电流调整和电流反馈，最后实现0.1A~10A范围的稳流输出。

测量回路主要由恒流源输出稳定电流直接通过电力变压器绕组，不接入标准电阻（将串入电阻用继电器短接），测量充电电流，当充电电流达到设定值时将继电器断开，将电阻串入测量回路中。为了保证单片机供电稳定性，继电器控制电源单独供电。

由于绕组电感的存在，残余电流对使用者和测试设备将构成威胁，因此必须有电流放电回路，电流放电回路由放电电阻和一个反向二极管构成，充电时二极管关断，电源对绕组充电，断电时二极管导通，绕组通过二极管和放电电阻放电。

5.1.2单片机控制单元电路

80C196单片机特别适用于各类自动控制系统，如工业过程控制系统，伺服系统，分布式控制系统，变频调速电机控制系统等，还适用于一般的信号处理系统和高级智能仪器，以及高性能的计算机外部设备控制器和办公自动化设备控制器，和MCS-51系列相比，80C196单片机在以下几个方面提高了性能：CPU中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器-寄存器结构CPU的操作直接面向256字节的寄存器。消除了一般CPU结构中存在的累加器的瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。

256字节寄存器中24字节是专用寄存器。其余232字节均为通用寄存器，其通用寄存器的数量远比一般CPU的寄存器数量多。这样就有可能为各中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销，并大大方便了程序设计。

有一套效率更高，执行速度更快的指令系统。可以对带符号数和不带符号数操作；16位乘16位指令的执行时间为14个状态周期，32位除16位指令的执行时间为26个状态周期；还有符号扩展，数据规格化（用于浮点计算中）等指令。此外，三操作数指令大大提高了指令效率。

除上述几点外80C196单片机还集成了更为丰富的外设装置，如时钟发生器，定时器/计数器，标准输入/输出口，全双工异步串行输入/输出口，监视定时器（Watchdog），用于提高系统抗干扰能力，模拟/数字转换器，高速输入/输出器，脉宽调制输出等。

5.1.2.1地址分配与译码电路

80C196具有一个逻辑上完全统一的寄存器空间，即把程序存储器空间，数据存储器空间及I/O口统一编址，可寻址范围为64KB.因此在应用系统的设计中，应全面考虑程序存储器，数据存储器的容量，占用的地址，I/O端口及其地址，以及其它芯片的扩展，并将它们合理进行安排。本装置所用芯片较多，因此用译码法进行系统扩展，译码电路由两片3/8译码器74LS138构成，如图5-2所示

5.1.2.2外部存储器的扩展
80C196没有片内ROM，在进行应用系统设计时，必须进行外部程序存储器扩展，以便用来存放用户程序等。考虑到应用程序的大小，选用EPROM27128作为程序存储器。在与80C196单片机的扩展连接中，EPROM的连线主要由三类：地址线，数据线和控制线。如图5-3所示

在80C196单片机中，P4口被用作地址总线，负责传递高8位地址码，P3口作地址/数据总线，当P3﹑P4共同指定地址后，P3还要成为数据总线。EPROM的控制线主要有：片选线﹑输出允许线，片选线直接连接于Y1和Y2的相与输出，地址为2000H—5FFFH，输出允许线与读选通信号直接相连。当EPROM的片选线为低，该芯片被选通，在读信号有效期间，EPROM输出允许有效，数据总线上为指定某单元的程序代码，在读信号的上升沿出现时，CPU读入这一数据。

80C196单片机内部只有256字节的RAM，其中包括了24字节的SFR（专用寄存器），堆栈指针占用了2个字节，数据存储器的容量远远不够，因此需要进行外部数据存储器扩展。本装置选用6264作为外部数据存储器。6264数据线和地址线的连接与EPROM的连接方法相同，控制线有两个片选端和读写信号线。两个片选端其中一个CS2接正电源VCC，另一个接片选信号Y3.

E²PROM是电可擦除的可编程只读存储器，它的主要优点是可以自动擦除并能在线改写，且能在断电情况下保存数据，而不需要保护电源。本装置选用2864作为E²PROM，它的连接方法与RAM的连接方法相同。

5.1.2.3 I/O扩展电路

80C196单片机I/O口线不多，在本装置中显示器﹑键盘和继电器的控制都需占用口地址，因此必须进行I/O口的扩展。8255在在单片机应用系统中广泛采用，其内部包含有三个端口，具有三种工作方式，由于它编程选择，使用灵活方便，通用性强。在本装置中选用一片8255进行I/O口扩展。电路如图5-4所示[page]

5.1.3放电回路

放电回路的电路原理图如图5-5所示

测量结束时，将继电器K 1断开，因变压器绕组具有大电感，电流不能立即降为零，这样就会产生很大的电势e=Lx×（di/dt）因此必须加有放电回路，在本放电回路中，当继电器K 1断开后，二极管D 1导通，绕组中电流通过放电电阻R4和二极管形成回路，完成放电过程。放电电阻的选择要适当，放电电阻越大。电阻上消耗的功率越，放电时间越短，放电回路两端的电压越高。因此放电电阻的选择既要控制放电电压值是安全的，又要使放电时间尽可能短。

5.1.4信号采集电路

信号采集是针对80C196单片机而言的，为实现测量结果的显示及保护等功能，必须有采样计算电路。一方面可利用80C196单片机8路10位A/D转换器以及CPU的计算处理功能，另一方面可以使用单独的A/D转换器件，选取了AD1674.但是，进入A/D转换器和单片机的信号必须是经过调理[29]的信号，它要求符合以下条件：

（1）信号幅值不能超过±5V；

（2）进入AD1674和单片机输入口的信号是电压信号；

（3）输入信号不能干扰系统的正常工作；

因此，进入AD1674和单片机的信号必须经过适当的处理。对于电信号有电流和电压信号两种，在进入AD1674和单片机的之前的电流信号要转换成电压信号，利用电阻即可实现；对于高压、交变信号要转换成低压才能进入单片机。

在该设计中，采用直流采样。被测变压器绕组两端的电压通过滤波、放大和缓冲等环节送入AD1674的采集端口。滤波采用R、C滤波，缓冲采用电压跟随器，如图5-6所示

5.1.5信号的A/D转换

信号的A/D转换电路采用了AD1674，AD1674的结构特点和性能参数如下

（1） 12位逐次逼近ADC，可选择工作于12位，也可工作于8位。

（2）具有三态可控输出缓冲器，数字逻辑输入输出电平为TTL电平。

（3） 12位数据可以一次读出，也可以两次读出，便于与8位和16位微机相连接。

（4）具有+10.00V的内部电压基准源，最大误差为+1.2%，并可输出1.5mA的电流。

（5）内部具有时钟产生电路，不需要外部接线。

（6）可以单极性也可以双极型模拟输入，单极性时，满量程为0V~+10V和0V~+20V，从不同引脚输入。双极型输入时，满量程0V~+5V和0V~+10V，从不同引脚输入。

（7）单极性输入时，输出数字量为原码。双极型输出时，输出为偏移二进制码。

AD1674通过外部适当连线可以实现单极性输入，也可以实现双极型输入。输入信号均以模拟的AGND为基准。模拟输入信号的一端必须与AG相连，并且接点尽量靠近AGND引脚，接线应短。片内10V基准电压输出引脚REFOUT也是以AGND为基准，通常数字地DGND与AGND连在一起。所有电位器（调增益和调零点用）均应采用低温度系数电位器。例如金属模陶瓷电位器。

5.1.6打印机接口

目前，为单片机应用系统配置的微型打印机[31]中，比较流行的选用TPμP系列的点阵微型打印机。这种打印机整机体积小，重量轻，功能完善，操作简单，连接方便。选用该系列的TPμP-A40P型打印机，这是一种面板式超小型点阵通用打印机。其中“TP”为商标，“μP”表示微型打印机，“A”表示面板式，“40”表示每行最多打印40个字符，最后一个字符“P”表示接口形式为并行接口。基本参数如下：打印宽度：40个字符/行打印机接口：CENTRONICS并行接口打印速度：0.4行/秒电源：直流+5V，电流1.5A外型尺寸：107*65*80mm³