基于单片机直流低电阻测试仪的设计毕业设计论文

刘工在线

直流低电阻测试是变压器在交接、大修和改变分接开关后必不可少的实验项目。
% J6 f' T, l. k0 s) L在通常情况下，用传统的方法（电桥法和压降法）测量变压器绕组以及大功率电感设
备的直流低电阻是一项费时费力的工作，同时被测的直流低电阻有可能相当小，可达
0 L  s8 C/ q( G, D* B% e0 Q. d6 `! p到毫欧姆数量级，更是增加了测量的难度。为了改变这种情况，缩短测量时间以及减
轻工作人员的负担而研制开发的直流低电阻测试仪。
本文设计了以STM32F030R8T6 单片机做为数据处理和控制核心的直流低电阻测
试仪设计方案，该直流低电阻测试仪釆用恒流源测电阻的方法，给待测电阻提供一个
恒定电流， 16 位模数转换A/D 采集待测两端的电压，通过将转换后的采样值送入单片
机进行数据处理来确定其电阻值。单片机通过对数字信号处理，完成电阻测量功能和
9 Z  D' b" f% H  F# f自动换档功能并在数码管上显示。论文从硬件和软件两个方面介绍了设计的实现方法，
0 P7 F, i- P: o% O+ q) I7 c! U* L; V其中硬件设计的重点是单片机最小系统的设计、A/D 转换器的合理选择、恒流源电路、
) h1 A0 F/ H7 [( U自动档位选择电路。软件设计的重点是电阻测量算法的设计。经测试表明，该系统的
# U3 [& h$ e- s指标达到了要求，工作可靠，操作简单，用户界面友好。
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1.1 系统背景
低电阻在电器设备中是应用非常广泛的，像电力电缆、通讯电缆、继电器、电机
和变压器等设备的接触电阻，这些电阻阻值都相当小，可达到毫欧姆数量级，本来就
很不容易测量，再加上温度的变化也会影响电阻的阻值，当测量时间过长、电源供电
太久都有可能造成所测的电阻值随着温度的增加而偏高，这些情况在实际应用中都有
9 Q. {  [- g. v* v可能造成很大的偏差，从而影响测量结果。低电阻的测量是电子测量中的一个常见课
题，它具有十分重要的意义。
在电力系统中，变压器是整个发、变、输、供电行业的主导，它可以控制发电机
的电压升高或下降，所以变压器是电力系统中最重要的设备之一，变压器的运行状态
* a6 y: K; R& ~. M9 w) J关乎电力系统的是否安全可靠的运行。变压器是是借助于电磁感应的原理来改变交流
电压的电气设备，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯），由于变压器具有
8 I! v9 _6 c+ |3 m* Y- h电感的特殊性使得绕组直流低电阻测量成为变压器在大修、交接和改变分接开关后必
不可少的例行试验项目。变压器的生产过程、检修过程或事故分析现场都一定做这项
* x9 R+ x, x- B  L试验，它是保证变压器生产质量、检修质量和安全运行的主要手段，也是故障后的必
7 T+ G0 s# j3 i0 F& a% i( c要检测项目之一。测量绕组直流低电阻的目的有：
0 D& [& o* m# z% a- t1）导线的规格是否符合要求；
* v$ o2 S3 r% Z; h5 j2）检查并绕导线和并联支路的正确性；
3）检查变压器三相绕组的直流低电阻是否平衡；
6 l' _7 m. M; Q4）检查焊接质量，如导线与引线之间的焊接、引线与套管连接处的焊接、以及导
- W' ]! G" Z/ |4 ]; s# Z$ H线之间的焊接等；
. u+ b, z0 y3 D& C& Z- |$ B8 u) {5）由于变压器绕组的温升是根据绕组在温升试验前的冷态电和温升试验后断开单
元瞬间的热态电阻共同计算得到的，所以温升试验需测量电阻；
: g. Q* ?& u& ?6）提供精确的直流低电阻值，共计算附加损耗和电阻损耗之用，为此，要求直流
/ j1 s9 U' j0 m' q% h2 G6 Y! T6 W低电阻的测量误差不超过± 0.2％，并且要换算到75℃值。
直流低电阻的测量可以检查出变压器在生产过程产生的质量问题，例如：在绕制、
焊接、引线和开关接触等工艺过程产生的问题。在变压器性能试验中绕组直流电阻是
0 g$ U, u2 B* z, t0 @一项必要的参数，也是出厂试验必须检查的参数。直流电阻的测量不但是判断变压器
优劣性能的一个关键性指标，而且是载入履历表的重要性能参数，为今后的运行和维
修提供了参考依据。在使用部门，定期的测量直流低电阻可以了解变压器的运行状况,
排除安全隐患。
/ J$ e2 C) ?9 y/ U3 D随着电子和计算机技术的发展，直流低电阻测试仪在电阻测量中得到了广泛的应
用, 但是由于变压器本身具有电感的特点, 在测量精度、自检和测试时间等方面还有待
0 P; m4 u9 B/ q9 @, Z3 o提高。因此，研制精密度高、快速自动的直流低电阻测量装置具有十分重要的意义。
1.2 直流低电阻测试仪的发展状况
近几十年来，计量仪表的发展极为迅速，计量仪器在工业生产和人民生活等各个
+ q0 _, U: G; o& X  o2 I0 Z领域应用非常广泛。尤其在现代数字技术的仪器仪表出现之后，把模拟仪器仪表的精
8 S* |4 T6 \5 z8 E! u) [确性、测量速度与分辨率提高了几个数量级，为以后实现测试自动化打下了良好的基
1 {' j5 ~8 Q/ x% N础。由于计算机的引入，使仪器的功能发生了质的飞越，它使得从个别参数的测量转
  [; M5 A$ D0 w" ]变成整个系统特征参数的测量，从单一只接受接收、显示转变为多方面的控制、分析、
! ~  x* w; z! [" e5 C处理、计算与显示输出，从原本只用单个仪器进行测量转变成用现在的测量系统进行
测量。
0 s2 E5 B) `8 O8 u: p8 C4 n) x1 `! Q: z直流低电阻测试仪是一种广泛应用于各种变压器及电感线圈铜阻、继电器接触电
" e7 R  e* a9 O* |- u阻、开关、接插件接触电阻、导线电阻、元器件焊点接触电阻以及其它电气设备电流
3 L$ F, Q' B; D! p" E6 I  X" D  p2 j负载试验的一种智能化仪表，它适用于测量各种产品的直流微电阻阻值, 是直流单、双
臂电桥的高精度换代产品, 具有测试精度高、测量速度快、稳定性好等优点。国内目
前常见的这类仪器有瑞士产的 2288 、2282，国产有 JD2540 、FK-Ⅲ等多种型号，这些
% R8 [4 f. s+ j4 u仪器的量程大致在 0 .5mΩ～200Ω 以上，准确度大致为 0.1 ％～ 0.2 ％。这类直流低
电阻测试仪的生产和使用已经有多年的历史，在仪器使用过程中技术人员也总结出该
/ Y& n( L/ j4 T. E, X" E仪器很多特点和不足，随着微型计算机技术和电子技术的不断提高，直流低电阻测试
$ R; e9 X  I( d; p  h4 Q仪也在不断地发展和提高。直流低电阻测试仪的发展方向正向着便携、快速、精确、
可靠的方向发展，未来高精度的直流低电阻测试仪仍存在许多发展空间。对于变压器
的绕组电阻的测量，从过去采用电压和电流表的直流压降法测量和电桥法测量，逐渐
地由基于单片机的自动测量仪器所代替。此类仪器主要由恒流源、放大滤波电路、A/D
, T6 I3 _) {- D转换电路、微处理器（ CPU）及显示电路组成。仪器由微处理器控制、数据处理、自动
3 f2 Q9 ?' F, Q换档、测量数据的显示。恒压恒流源的电压一般为 20V ～60V 或更高；电流一般可以
进行多档可选，最大的输出电流可以达到 50A ，以此来适应对特大容量变压器绕组直
流低电阻的测量。为防止测量结束后进行改线时绕组产生感应电势，造成仪器损坏，
一些仪器还在输入端加入瞬态电压保护电路。
1.3 论文的主要内容及结构
1 w; h3 N9 a1 O" Q本文根据小电阻测量的要求，设计了直流低电阻测试仪。不仅可以测量一般性的
微小电阻，还可以根据需要测量变压器绕组电阻。
8 B! U2 n* w; c- K1、深入学习了低电阻测量要求及其一般电阻测量的计算方法。
2 、提出了直流低电阻测试仪的总体设计方案， 重点介绍了微控制器芯片
7 ?0 D- I6 u  v2 ~7 T  zSTM32F030R8T6 和高精度的A/D 转换器ADS1110 ，并在这两个芯片为核心的基础
5 n+ H7 |/ j) [3 O6 [; Y上完成了直流低电阻测试仪硬件电路的搭建。
论文的结构安排如下：
第1 章介绍了课题的研究背景和意义，阐述了微小电流测量的一般性以及变压器
# x7 S; b+ E( E% [4 C' M测量的特殊性，直流低电阻测试仪的功能及国内外发展现状，并给出了论文的主要内
1 u# L, a/ }$ y1 G容和结构安排。
6 e/ X  |. d! j' R+ \5 o# f第2 章介绍了直流低电阻测试仪的测量方法和总体方案框架以及各模块简介。
1 P* @& s' g( z% `第3 章给出了直流低电阻测试仪的硬件设计电路。依次说明了直流低电阻测试仪
中处理器模块、恒流源模块、光耦继电器控制模块、运放放大模块、数据采集模块、
' ], w+ [( u6 z) B* h( |9 C显示模块、通讯模块、电源模块的工作原理。
( a$ a; {1 {2 U. O6 A第4 章在完成直流低电阻测试仪硬件的基础上，进行了软件的设计，依次进行了
: @4 o% i! {' w' E主程序、显示子程序、A/D 采集子程序、按键子程序、报警子程序的设计。
第5 章对系统进行了调试，主要对硬件和软件两个方面进行调试。
第6 章对论文工作进行了总结，给出了后续需要改进的部分以及未来的展望。

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