基于Arduino的通用型通路與絕緣性檢測儀設計*

吳向臣　吳茂林　吳作棟

(1.海軍工程大學兵器工程系　武漢　430033)

(2.海軍駐連云港七一六所軍事代表室　連云港　222000)

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基于Arduino的通用型通路與絕緣性檢測儀設計*

吳向臣1吳茂林1吳作棟2

(1.海軍工程大學兵器工程系武漢430033)

(2.海軍駐連云港七一六所軍事代表室連云港222000)

摘要通過對通用型通路和絕緣性能檢測儀的設計與實現，滿足對特殊裝備進行通路與絕緣性能檢測的測量需求。采用Arduino核心控制板和兼容該控制板的傳感器進行電路的設計和功能實現，在滿足設計要求的同時簡化設計流程和電路結構。使用Arduino控制器和高精度A/D轉換模塊對測量設備的電路進行設計并轉化為實驗樣機，最后通過實驗驗證設備電路的測量精度。

關鍵詞Arduino; 通路電阻; 絕緣電阻; 高精度數模轉換

Universal Circuit and Insolation Detector Design Based on Arduino

WU Xiangchen1WU Maoling1WU Zuodong2

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

(2. Navy Representative Office in 716thResearch Institute, Lianyungang222000)

AbstractThe measure requirement is satified to the special equipment through the designing and realizing of the universal device to the access and the insolation.The circuit is designed based on the ARDUINO and the sensor of this CPU.This project not only satisfies the designing demand but also simplifies the flow path of the project. The ARDUINO and the precision A/D module are used to design the circuit and turn it to the prototype. At last the precision of this equitpment is checked through the test.

Key WordsArduino, via resistance, insulation resistance, high precision A/D

Class NumberTP311

1引言

隨著裝備的電子集成度越來越高，裝備設施在使用之前的檢測工作也就越來越繁重。同時某些裝備設施由于其自身的特殊性，對檢測設備的性能和參數的要求較高，因此一些市場通用的檢測設備普遍無法滿足該類型裝備的檢測要求。以本文涉及的對某裝備進行通路和絕緣性能檢測的設備為例。首先由于待檢測的裝備中存在火工品，檢測過程中回路電流要求必須控制在1mA以下。而普通的萬用表中的線路電流都在1mA以上，無法對該類型裝備進行檢測；其次在檢測絕緣性能時由于電壓小，電阻大，回路中的電流一般在微安級別，這對檢測設備的測量精度提出了較高的要求；再者在對通路性能進行檢測時，由于電阻值只有1Ω左右，即使是微弱的導線電阻也會對測量精度產生影響，因此這對測量設備的誤差控制提出了很高的要求。為了滿足對該型裝備的通路和絕緣性能檢測需求，需要設計專門針對裝備的檢測設備。

2設計思路和方案

2.1設計思路

設計電路時，通路檢測電路和絕緣性檢測電路分開設計，使用雙通道雙刀單擲開關進行模式選擇，通過高精度數模轉換模塊采集被測電阻的電壓和線路電流，由處理器芯片將數據讀出處理。使用公式計算出被測電阻阻值，并將該數據通過I2C總線發送到LCD顯示屏顯示。

2.2工作流程設計[1]

設備的檢測過程主要是通過高精度的數模轉換模塊采集電路信息，發送到核心控制進行信息處理，并通過I2C接口發送到顯示模塊中顯示。

系統結構圖如圖1所示。

圖1　系統原理圖

2.3技術方案設計

由于該設備主要用于對待測電路中的絕緣電阻和通路電阻性能進行檢測，并將檢測結果直觀地顯示給操作人員。由此電路設計的主要內容包括電路信號采集電路設計，信號處理和運算模塊設計，顯示電路設計三個方面。為了到達設計目的，同時簡化設計過程，本系統硬件平臺采用基于DFrobot公司的Arduino UNO開發板芯片和MCP3424數模轉換模塊以及LCD-2004顯示模塊進行電路設計。

3Arduino原理[1]

3.1Arduino基礎

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，Arduino主要包含兩個部分。硬件部分是可以用來實現各種電路連接的Arduino電路板；軟件部分主要有一個可以在個人計算機上進行程序開發集成環境叫做Arduino IDE。使用者通過在Arduino IDE中編譯和調試程序代碼。調試成功后通過串口設備將代碼上傳到Arduino控制板中。隨后程序在控制板中自動循環運行。Arduino家族包含各種傳感器，控制器，通信模塊和顯示模塊。適合設計和開發不同類型的設備儀器、無人機和機器人。

3.2Arduino模塊使用原理[3]

3.2.1核心控制板

Arduino UNO開發板芯片是Arduino USB接口系列的最新版本，其原理圖如下所示，為Arduino平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數字輸入/輸出(其中6路克作為PWM輸出)，6路模擬輸入，一個16MHZ晶體振蕩器，一個USB接口，一個電源插座。UNO已經發展到第三版，該版本具有如下特點：

在AREF出增加了兩個管腳SDA和SCL，支持I2C接口；增加了IOREF和一個預留管腳，因此擴展板可以兼容5V和3.3V核心板。

圖2　核心板元件圖

3.2.2高精度數模轉換模塊

MCP3424高精度數模轉換模塊為Microchip MAP342X系列的低噪聲和高精度18為A/D轉換器，元件如下圖所示。這些器件可以將模擬輸入信號轉換成分辨率高達18位的數字代碼。片內2.048V基準電壓使輸入電壓范圍為-2.048~+2.048差分輸入。用戶通過2線I2C串行接口對控制配置為進行設定，從而使這些器件按3.75、15、60或者240采樣/s的速度進行轉換。在每個轉換周期內，器件自動對失調和增益誤差進行校正。器件可以在不同溫度和電源電壓波動下，在不同轉換周期內提供精確的轉換結果。器件采用2.7V~5.5V單電源供電，并使用兼容標準、快速或快速模式和兩線I2C串行接口。其特點是：在每個轉換周期內，自動對失調和增益誤差進行校正。

其分辨率可以設置，以滿足不同場景的要求。用戶可在A/D轉換之前可選擇PGA增益對信號進行放大[2]，方便對微弱電壓的檢測。提供兩種轉換模式：單次轉換模式和連續轉換模式

3.2.3液晶顯示模塊

I2C LCD2004模塊來自DFrobot的一款顯示器，采用I2C的通信接口驅動。LCD2004擁有4*20字節的STN白色字符顯示及藍色背光燈。同時該顯示器可以兼容其他單片機。美觀實用，功能強大。

工作電壓5V。I2C設備地址：0x20~0x27。通訊接口：I2C。液晶參數：4行，每行20個字符。點尺寸：0.55mm×0.55mm。尺寸：98mm×60mm×24mm。

4硬件電路設計與分析

4.1電路結構設計[4]

由于采用了模塊化的設計方案，使得設計過程較為簡單。電路結構設計主要分為三個部分:信號采集部分、信號處理部分和信息顯示部分。通過數模轉換模塊采集和處理從電路中檢測到的電信號，并將模擬信號轉化為數字信號，通過SDA和SCL端口將數據發送到處理模塊中。處理模塊處理來自各個端口的數據，并通過相關計算的出待測數據的結果。并通過串口通信的方式將結果交給顯示模塊輸出。電路設計結構如圖3所示。

4.2電路設計[5]

電路設計過程中，主要從測量設備的安全性出發，控制線路內的電流大小，同時兼顧電路設計的簡潔性和便攜性。由于電路設計過程中主要采用模塊設計，簡化了設計電路。只需要通過導線將不同的模塊按照相應的端口連接在一起。不同模塊之間通過不同的通信協議連接，并進行數據交互。其中使用最多的為串口轉TTL電平通信方式。同時考慮到設備的使用環境不同，為了提高電路的測量精度，抵消環境因素尤其是氣溫因素對電路測量結果的影響，因此在設計過程中增加了熱敏電阻減小溫度變化帶來的測量誤差。測量電路的安全性是儀器的重要指標，在任何情況下，設備的線上電流不得大于10mA。因此在電路中采用冗余設計，任何一個元件短路的情況下，都不會造成電流超過限制值。電路設計圖如圖4所示，對應的PCB電路如圖5所示。

圖3　電路設計結構

圖4　檢測儀模塊電路設計

圖5　檢測儀模塊PCB設計

4.3設備性能指標分析

通用型通路與絕緣性能檢測儀主要功能為：通路性能檢測和絕緣性能檢測。具有電源指示、模式指示和誤操作安全保護功能；可檢測各型設備的內阻和絕緣電阻；也可檢測某些特殊裝備的內阻，例如使用電發控裝置的設備電路；檢測結果由處理器經過處理得到是否合格的有效結論；同時檢測結果可直接存儲并顯示在設備上，便于判讀。設備性能指標：

1) 測量范圍

內阻檔：0.00Ω~5.00Ω；絕緣電阻檔：1MΩ~100MΩ；安全電流：小于10mA。

2) 測量精度

內阻檔：不大于5%；絕緣電阻檔：不大于5%；電流測量：5%。

3) 安全允許電流：不大于5mA；采用直流充電電源，電壓工作范圍：1.5V~9V。

5設備實驗分析

5.1實驗設計[6]

圖6　實驗樣機圖

由于該設備的設計用途主要是在于對實際裝備尤其是某些有特殊要求的裝備進行檢測，因此在設備設計完成后，需要對設備進行多次實驗和調試。通過實驗調試，一方面調試設備的測量精度使其滿足指標要求；另一方面可以通過實驗檢驗測量儀器的可靠性和使用安全性。實驗過程中對儀器電路電流進行反復測量，確保電流始終小于安全電流。實驗設備樣機如圖6所示，實驗過程中，使用不同阻值的電阻模擬待測系統中的內阻和絕緣電阻，使用檢測設備對不同阻值的電阻進行測量，顯示電阻值和線上電流。

5.2誤差分析

圖7　實驗結果圖

通過實驗可以對設備的測量誤差進行分析，如圖7所示分別為標準阻值為5.1mΩ的絕緣電阻和標準阻值為0.7Ω的通路電阻通過檢測設備測量的結果。首先兩者電流分別為0.87μA和425.23μA，均沒有超過設置要求的10mA的標準。由于0.7Ω的通路電阻接入電路測得的電流值為425.23μA，而0.7Ω可以近似為導通因此該測量設備的最高電流小于500μA。其次通過標準阻值電阻計算兩者的測量精度分別為2.35%和4.28%，滿足測量要求。經過多次反復實驗得到的數據結果分析,設備精度滿足設計要求。

6結語

本測量設備的設計完成不僅滿足了對于特殊裝備通路和絕緣性能的測量需求，而且本次設計中，使用了模塊化的設計方式，了解Arduino平臺和相關傳感器的使用方法。由于Arduino的開源性，使得它可以支持的模塊十分豐富。通過本次設計，積累了使用Arduino設計的經驗，為以后使用該平臺設計更加復雜的測量和控制系統打下了技術基礎。

參 考 文 獻

[1] 程晨.Arduino開發實戰指南[M].北京：機械工業出版社,2012:20-26.

[2] 譚亮.Processing互動編程藝術[M].北京：電子工業出版社,2011:43-50.

[3] 于欣龍,Massimo Banzi,郭浩.愛上Arduino[M].北京：人民郵電出版社,2012:64-69.

[4] 楊毅明.數字信號處理[M].北京：機械工業出版社,2012:25-45.

[5] 張寶玲,吳蘭臻,鄭海昕.基于Arduino的趣味電子制作[M].北京:科學出版社,2011:41-46.

[6] 袁本華,董崢.基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統設計[J].安徽農業科學,2012(8):5049-5050.

中圖分類號TP311

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.033

作者簡介:吳向臣，男，碩士研究生，研究方向：兵器科學與技術。吳茂林，男，碩士，副教授，研究方向:兵器科學與技術。吳作棟，男，研究方向：系統工程。

收稿日期:2015年9月12日,修回日期:2015年10月25日