兆歐表測量電壓報(bào)警顯示裝置的改造

李獻(xiàn)波

摘 要：手搖兆歐表沒有電壓顯示，制作一個(gè)手搖兆歐表實(shí)時(shí)電壓顯示設(shè)備作為向數(shù)字式兆歐表過渡的產(chǎn)品可以填補(bǔ)市場空白。本設(shè)計(jì)以100V手搖兆歐表為載體，以51單片機(jī)為控制芯片，制作一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)顯示兆歐表輸出測量電壓，并能夠在偏離要求電壓的10%時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警的裝置。

關(guān)鍵詞：兆歐表；51單片機(jī)；電壓

中圖分類號：TB971 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 兆歐表內(nèi)部結(jié)構(gòu)及測量原理

如圖1所示，與搖表表針相連的有兩個(gè)線圈，一個(gè)同表內(nèi)的附加電阻串聯(lián)；另一個(gè)和被測電阻串聯(lián)，然后一起接到手搖發(fā)電機(jī)上。當(dāng)搖動發(fā)電機(jī)時(shí)，兩個(gè)線圈中同時(shí)有電流通過，在兩個(gè)線圈上產(chǎn)生方向相反的轉(zhuǎn)矩，表針就隨著兩個(gè)轉(zhuǎn)矩的合成轉(zhuǎn)矩的大小而偏轉(zhuǎn)某一角度，這個(gè)偏轉(zhuǎn)角度決定于兩個(gè)電流的比值，附加電阻是不變的，所以電流值僅取決于待測電阻的大小。由圖可知，搖表輸出電壓為直流，檢測其輸出電壓只需檢測G、E端即可。

2 總體設(shè)計(jì)思路

通過對兆歐表其輸出的電壓波形觀察，其G、E端輸出的電壓是脈動的直流電壓，要想對報(bào)警顯示裝置系統(tǒng)提供工作電壓，必須得經(jīng)過降壓，需要一個(gè)電源開關(guān)模塊。兆歐表輸出的電壓信號是模擬變量，而模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809對輸入模擬量要求是信號單極性且電壓范圍是（0～5）V，這里需要一個(gè)采樣電路模塊。鑒于此，采用DC/DC降壓電路無疑是最好的選擇。采樣電路對輸出信號處理降壓，處理后傳送給ADC0809，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)等待轉(zhuǎn)換結(jié)束讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后通過數(shù)碼管動態(tài)顯示實(shí)時(shí)電壓值，然后再經(jīng)過判斷輸出的是否在電壓值設(shè)定顯示電壓安全范圍（90V～110V）內(nèi)，并存入單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器中，當(dāng)顯示的數(shù)值低于或高于這個(gè)范圍時(shí)，報(bào)警電路會發(fā)出聲光報(bào)警，引起操作者的注意，通過控制兆歐表的轉(zhuǎn)速，從而控制兆歐表的輸出的電壓值，這里就需要一個(gè)報(bào)警電路模塊，由LED和蜂鳴器組成。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源轉(zhuǎn)換電路

由于兆歐表輸出電壓相對較高，需要將兆歐表輸出的高電壓轉(zhuǎn)化為能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)等元件使用的5V電壓，電路原理圖如圖2所示。

兆歐表輸出電壓直接輸入Viper12A內(nèi)部MOSFET漏極，這就意味著IC供電電路和反饋回路是浮空的，其中IC供電電路由D3、C3組成，反饋回路由齊納二極管D1、C1組成，當(dāng)漏極通電后，Viper內(nèi)部電源起動電路使C3充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到閾值電壓——一般為16V，內(nèi)部60kHz振蕩電路就會觸發(fā)內(nèi)部觸發(fā)器，進(jìn)而驅(qū)動MOSFET導(dǎo)通。L1和才C4開始充電，電感電流緩慢上升，當(dāng)電流上升到通過反饋回路設(shè)定的值時(shí)，MOSFET關(guān)斷，L1、C4開始對外供電，這樣，反復(fù)充放，使得輸出電壓保持穩(wěn)定值，這里為15V。最終15V電壓經(jīng)過7805，降到5V為單片機(jī)和其他器件使用。

3.2 電壓采樣電路

電壓采樣電路負(fù)責(zé)將兆歐表輸出的高電壓按比例采集，然后送給A/D轉(zhuǎn)換器。采樣電路如圖3所示。

在給輸出電壓留出25V裕量的情況下，即輸出電壓范圍為0～125V，采樣電路輸出電壓為0～5V，所以采樣按25∶1的比例進(jìn)行。由于單個(gè)電阻能承受的電壓有限，為防止電阻擊穿，采用多電阻串聯(lián)的方式。為提高采樣電路的輸入阻抗，避免對兆歐表取出相對較大電流，影響測量精度，所以使用LM258組成的電壓跟隨器。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器采用常用的ADC0809芯片，其與單片機(jī)的連接方式如圖4所示。

IN7～I(xiàn)N0是模擬量輸入通道，本設(shè)計(jì)中將ADDB、ADDC直接接地，通過ADDA選通芯片第0通道；ALE是地址鎖存允許信號，對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中；START是轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809，START下降沿時(shí)啟動芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平，本信號簡寫為ST；CLK是時(shí)鐘信號，ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號由外界提供，因此有時(shí)鐘信號引腳，通常使用頻率為500kHz的時(shí)鐘信號，本系統(tǒng)采用單片機(jī)IO口模擬時(shí)鐘信號；EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，EOC=0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用；D7～D0是數(shù)據(jù)輸出線，為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連，D0為最低位，D7為最高；OE是輸出允許信號，用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)，OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻，OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；Vref是參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)，其典型值為+5V（Vref（+）=+5V，Vref（-）=-5V），本設(shè)計(jì)中Vref（+）=5V，Vref（-）=0V。

3.4 51單片機(jī)最小系統(tǒng)

51單片機(jī)的最小系統(tǒng)有復(fù)位電路、時(shí)鐘電路組成，考慮到便攜性，程序燒寫通過51開發(fā)板進(jìn)行，這里不再另外增加電路。最小系統(tǒng)電路如圖5所示。

由于單片機(jī)P0口內(nèi)部不帶上拉，所以，如果做I/O口使用需額外加上拉電阻。晶振選擇頻率為12M的石英晶振。

3.5 顯示電路

本系統(tǒng)使用4位共陽數(shù)碼管作為顯示器件，設(shè)計(jì)電路如圖6所示。

它的8個(gè)發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常公共陽極接高電平，其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時(shí)，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點(diǎn)亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時(shí)，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻大小，本設(shè)計(jì)的限流電阻選520Ω。

3.6 報(bào)警電路

報(bào)警電路使用蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行超限聲光報(bào)警，電路如圖7所示。

3.7 硬件原理圖

本設(shè)計(jì)是以額定電壓為100V的手搖兆歐表為載體，采用單片機(jī)為核心技術(shù)的電壓顯示報(bào)警裝置，用兆歐表輸出的電壓經(jīng)過一個(gè)開關(guān)電源模塊和7805兩級降壓之后為系統(tǒng)供電，采樣電路是采用多電阻串聯(lián)分壓，A/D轉(zhuǎn)換電路，顯示電路，報(bào)警電路幾個(gè)模塊組成的電路，硬件原理圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)程序主要有顯示子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、報(bào)警子程序3大部分組成。系統(tǒng)控制要求為：A/D轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將兆歐表輸出的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供單片機(jī)處理，數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示兆歐表輸出電壓，單片機(jī)判斷電壓是否在兆歐表額定輸出電壓的±10%范圍之內(nèi)，如果超限，隨即報(bào)警。

主程序流程如圖9所示。主程序設(shè)計(jì)思路簡單易實(shí)現(xiàn)，首先選通A/D轉(zhuǎn)換器，使其開始工作，然后按單片機(jī)位精度、采樣比例1∶25轉(zhuǎn)換為實(shí)際的輸出電壓，由于A/D轉(zhuǎn)換器為八位、參考電壓5V，所以其精度為5/255，則實(shí)際輸出電壓為U=A/D輸出值×（5/255）×25。然后，一方面將此電壓值送于顯示子程序?qū)崟r(shí)顯示，另一方面將此電壓值和額定輸出電壓值的±10%進(jìn)行比較，如果電壓值不在范圍，隨即驅(qū)動聲光報(bào)警電路，發(fā)出報(bào)警信號，引起使用者的注意。

結(jié)論

本設(shè)計(jì)以100V兆歐表為載體，通過理論分析驗(yàn)證了兆歐表電壓實(shí)時(shí)顯示方案的可行性。設(shè)計(jì)器具的電壓直接取至兆歐表輸出電壓，為其便攜性和易安裝提供了可能；電壓采樣電路的精密電阻和電壓跟隨器保證了采樣的準(zhǔn)確性；電壓顯示及報(bào)警確保電壓超限能夠一目了然；51單片機(jī)作為核心控制器件，保證了整個(gè)系統(tǒng)能夠協(xié)同工作。

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