兆欧表测量电压报警显示装置的改造

【摘要】2 总体设计思路 通过对兆欧表其输出的电压波形观察，其G、E端输出的电压是脉动的直流电压，要想对报警显示装置系统提供工作电压，必须得经过降压，需要一个电源开关模块。兆欧表输...

摘 要：手摇兆欧表没有电压显示，制作一个手摇兆欧表实时电压显示设备作为向数字式兆欧表过渡的产品可以填补市场空白。本设计以100V手摇兆欧表为载体，以51单片机为控制芯片，制作一个能够实时显示兆欧表输出测量电压，并能够在偏离要求电压的10%时进行声光报警的装置。

关键词：兆欧表；51单片机；电压

中图分类号：TB971 文献标识码：A

1 兆欧表内部结构及测量原理

如图1所示，与摇表表针相连的有两个线圈，一个同表内的附加电阻串联；另一个和被测电阻串联，然后一起接到手摇发电机上。当摇动发电机时，两个线圈中同时有电流通过，在两个线圈上产生方向相反的转矩，表针就随着两个转矩的合成转矩的大小而偏转某一角度，这个偏转角度决定于两个电流的比值，附加电阻是不变的，所以电流值仅取决于待测电阻的大小。由图可知，摇表输出电压为直流，检测其输出电压只需检测G、E端即可。

2 总体设计思路

通过对兆欧表其输出的电压波形观察，其G、E端输出的电压是脉动的直流电压，要想对报警显示装置系统提供工作电压，必须得经过降压，需要一个电源开关模块。兆欧表输出的电压信号是模拟变量，而模数转换芯片ADC0809对输入模拟量要求是信号单极性且电压范围是（0～5）V，这里需要一个采样电路模块。鉴于此，采用DC/DC降压电路无疑是最好的选择。采样电路对输出信号处理降压，处理后传送给ADC0809，经过A/D转换，单片机等待转换结束读取转换结果，然后通过数码管动态显示实时电压值，然后再经过判断输出的是否在电压值设定显示电压安全范围（90V～110V）内，并存入单片机的数据存储器中，当显示的数值低于或高于这个范围时，报警电路会发出声光报警，引起操作者的注意，通过控制兆欧表的转速，从而控制兆欧表的输出的电压值，这里就需要一个报警电路模块，由LED和蜂鸣器组成。

3 系统硬件设计

3.1 电源转换电路

由于兆欧表输出电压相对较高，需要将兆欧表输出的高电压转化为能够为单片机等元件使用的5V电压，电路原理图如图2所示。

兆欧表输出电压直接输入Viper12A内部MOSFET漏极，这就意味着IC供电电路和反馈回路是浮空的，其中IC供电电路由D3、C3组成，反馈回路由齐纳二极管D1、C1组成，当漏极通电后，Viper内部电源起动电路使C3充电，当充电电压达到阈值电压――一般为16V，内部60kHz振荡电路就会触发内部触发器，进而驱动MOSFET导通。L1和才C4开始充电，电感电流缓慢上升，当电流上升到通过反馈回路设定的值时，MOSFET关断，L1、C4开始对外供电，这样，反复充放，使得输出电压保持稳定值，这里为15V。最终15V电压经过7805，降到5V为单片机和其他器件使用。

3.2 电压采样电路

电压采样电路负责将兆欧表输出的高电压按比例采集，然后送给A/D转换器。采样电路如图3所示。

在给输出电压留出25V裕量的情况下，即输出电压范围为0～125V，采样电路输出电压为0～5V，所以采样按25∶1的比例进行。由于单个电阻能承受的电压有限，为防止电阻击穿，采用多电阻串联的方式。为提高采样电路的输入阻抗，避免对兆欧表取出相对较大电流，影响测量精度，所以使用LM258组成的电压跟随器。

3.3 A/D转换电路

A/D转换器采用常用的ADC0809芯片，其与单片机的连接方式如图4所示。

IN7～IN0是模拟量输入通道，本设计中将ADDB、ADDC直接接地，通过ADDA选通芯片第0通道；ALE是地址锁存允许信号，对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中；START是转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809，START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换，在A/D转换期间，START应保持低电平，本信号简写为ST；CLK是时钟信号，ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚，通常使用频率为500kHz的时钟信号，本系统采用单片机IO口模拟时钟信号；EOC是转换结束信号，EOC=0，正在进行转换，EOC=1，转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用；D7～D0是数据输出线，为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连，D0为最低位，D7为最高；OE是输出允许信号，用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据，OE=0，输出数据线呈高阻，OE=1，输出转换得到的数据；Vref是参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其典型值为+5V（Vref（+）=+5V，Vref（-）=-5V），本设计中Vref（+）=5V，Vref（-）=0V。

3.4 51单片机最小系统

51单片机的最小系统有复位电路、时钟电路组成，考虑到便携性，程序烧写通过51开发板进行，这里不再另外增加电路。最小系统电路如图5所示。

由于单片机P0口内部不带上拉，所以，如果做I/O口使用需额外加上拉电阻。晶振选择频率为12M的石英晶振。

3.5 显示电路

本系统使用4位共阳数码管作为显示器件，设计电路如图6所示。

它的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常公共阳极接高电平，其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻大小，本设计的限流电阻选520Ω。

3.6 报警电路

报警电路使用蜂鸣器和发光二极管进行超限声光报警，电路如图7所示。

3.7 硬件原理图

本设计是以额定电压为100V的手摇兆欧表为载体，采用单片机为核心技术的电压显示报警装置，用兆欧表输出的电压经过一个开关电源模块和7805两级降压之后为系统供电，采样电路是采用多电阻串联分压，A/D转换电路，显示电路，报警电路几个模块组成的电路，硬件原理图如图8所示。

4 系统软件设计

本设计程序主要有显示子程序、A/D转换子程序、报警子程序3大部分组成。系统控制要求为：A/D转换器负责将兆欧表输出的电压转换为数字量供单片机处理，数码管实时显示兆欧表输出电压，单片机判断电压是否在兆欧表额定输出电压的±10%范围之内，如果超限，随即报警。

主程序流程如图9所示。主程序设计思路简单易实现，首先选通A/D转换器，使其开始工作，然后按单片机位精度、采样比例1∶25转换为实际的输出电压，由于A/D转换器为八位、参考电压5V，所以其精度为5/255，则实际输出电压为U=A/D输出值×（5/255）×25。然后，一方面将此电压值送于显示子程序实时显示，另一方面将此电压值和额定输出电压值的±10%进行比较，如果电压值不在范围，随即驱动声光报警电路，发出报警信号，引起使用者的注意。

结论

本设计以100V兆欧表为载体，通过理论分析验证了兆欧表电压实时显示方案的可行性。设计器具的电压直接取至兆欧表输出电压，为其便携性和易安装提供了可能；电压采样电路的精密电阻和电压跟随器保证了采样的准确性；电压显示及报警确保电压超限能够一目了然；51单片机作为核心控制器件，保证了整个系统能够协同工作。

参考文献

[1]张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计[M].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[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]康华光.电子技术基础数字部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]黎文模，段晓峰.PROTEL DXP电路设计与实例精解[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[5]李科杰.新编传感器技术手册[M].北京：国防工业出版社，1995.