电子指针式两路兆欧表的设计

游雨云 程智君

摘  要：本设计使用变压器降压，获得三路低压正弦交流电，采用TL431实现两路高精度基准稳压，为绝缘电阻提供电压，另一路构成双电源，为工作电路供电电压。使用低输入失调电压运放OP07驱动两路表盘分别指示照明和动力的绝缘对地电阻值。电路共设置了4个报警档位和1个自检档位，当绝缘电阻值低于设定值时，报警电路指示灯亮，并通过继电器输出报警信号，自检档位用于表头显示校准。STC15W104为主控芯片，控制按键切换报警档位，同时输出PWM信号经RC滤波转换为直流比较基准电压。

关键词：TL431;报警档位;STC15W104;PWM信号

中图分类号：TM934.1文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）30-0041-02

Abstract： This design uses transformer step-down to obtain three low-voltage sinusoidal alternating current， uses TL431 to achieve two high-precision reference voltage stabilization， provides voltage for insulation resistance， and the other constitutes a double power supply to supply voltage for the working circuit. The low input offset voltage operational amplifier OP07 is used to drive the two dials to indicate the insulation-to-ground resistance of lighting and power respectively. The circuit has a total of four alarm gears and one self-check gear. When the insulation resistance is lower than the set value， the alarm circuit indicator light is lit， and the alarm signal is output through the relay. Then， the self-test gear position is used for the display and calibration of the meter. STC15W104 is the main control chip， which controls the button to switch the alarm gear， and at the same time， the output PWM signal is converted into DC reference voltage by RC filter.

Keywords： TL431; alarm gear; STC15W104; PWM signal

引言

手搖式兆欧表可临时检测电路的绝缘情况，对于有些需要时刻监测绝缘阻值的场合则不实用，本设计可安装在电路中，时刻监测电路的绝缘情况，并能在绝缘值下降到设置的报警档位时进行报警，切断供电电路，保护人员和用电设备的安全。电路共分为4个功能部分：电源电路，采样驱动电路，主控电路和报警电路。

1 电源电路

电源电路使用一路交流220V输入，两路交流32V和一路交流双12V输出变压器降压。两路32V输出经TL431获得约2.5V～36V的基准稳压，为被测绝缘电阻提供基准电压。其中，基准电压输出值为：UZM_VCC=2.5×（1+）V，UDL_VCC=2.5×（1+）V，RP1和RP2为电压幅值调节电阻，调试过程中通过调节RP1和RP2将UZM_VCC和UDL_VCC电压调整至26V左右。另一路双12V输出经过整流滤波后，通过LM7809和LM7909构成正负9V直流电源，为运放提供电源。从+9V端接7805获得+5V电源，为主控芯片单片机提供电源。

2 采样驱动电路

因两路绝缘电阻测量电路是完全对称互不干扰的，这里以一路为例分析。基准电源UDL_VCC加载至R12、R13和被测绝缘电阻RX的串联电路中，通过R13取得的电压送至U2的3脚，U2使用低噪声、低失调电压的OP07运放构成跟随器。R13两端的电压为：

UR13=UDL_VCC

当UDL_VCC=26V时，被测绝缘电阻RX为接近∞Ω：

被测绝缘电阻RX为接近0Ω：

UR13=×26V=4.13V

4个报警档位0.1MΩ，0.2MΩ，0.5MΩ，1MΩ对应的电压值分别为：

U0.1M？赘=3.15V，U0.2M？赘=2.55V，U0.5M？赘=1.62V，U1M？赘=1.00V，该电压用于滞回比较器的正输入端，实现滞回报警功能。

UR13经过OP07运放跟随后驱动表头，其中P3和P4为表头接口，RP3和RP4用于校准表头指示。表头的满度1mA，均匀地将绝缘电阻的阻值刻在表盘上。

3 主控电路

主控电路使用抗干扰能力强，价格相对便宜，支持在线编程的51核心单片机STC15W104，该芯片共有8个引脚，6个端口，其中P3.4和P3.5口用于输出PWM信号，经过R5、C9和R6、C10低通滤波获得平均直流电压，即DA电压，将这个DA电压作为报警。

电路的基准电压，改变PWM的占空比，可获得不同的基准电压，从而实现不同档位的报警功能。P3.4口连接一个按键，通过按键按测试档位，0.1MΩ，0.2MΩ，0.5MΩ，1MΩ循环改变，每按一次按键切换至下一个档位，同时将档位的值存入EEPROM进行掉电保存，断电冷启动后将档位值从EEPROM中读取。P3.0，P3.1和P3.2 3個引脚与74HC595串入并出芯片控制引脚相连，控制595驱动发光二极管指示当前的报警档位。

因该单片机本身不带硬件PWM输出，需要通过程序来实现，本设计中使用了两组定时器，一组控制PWM输出频率，设置为1KHz，一组控制PWM占空比，占空比的可调为4个报警档位的换算值，能够精确地控制输出的DA电压，满足报警精度为1%的要求，同时由于该单片机自带EEPROM存储，不需要外置，降低了系统的成本。

4 报警电路

两路报警电路完全一样，这里以其中一路电路分析，因0.1MΩ，0.2MΩ，0.5MΩ，1MΩ 4个报警档位对应的电压值分别为：U0.1M？赘=3.15V，U0.2M？赘=2.55V，U0.5M？赘=1.62V，U1M？赘=1.00V。为了消除在报警临界点存在反复报警的问题，使用OP07运放构成滞回比较器。回差电压：UTH=×（UOH-UOL），如UOH=8V，UOL=-8.3V，则UTH=0.163V，R18和R19为回差电压调节电阻，可以通过改变R18和R19的比值改变回差电压值，回差电压越大，消除噪声越好，但灵敏度下降。驱动表头的输出电压通过DL_OUT端输入滞回比较器，比较器正端输入电压U+=UDL_OUT-（UDL_OUT-UOL），可得4个报警档位运放正端的输入电压分别为：3.04V，2.44V，1.34V，0.91V，根据此电压可以计算出运放负端DL_DA的输入电压值，从而计算出PWM信号的占空比，D=，其中5V为单片机的供电电压，即基准电压，将4个报警档位的正端输入电压带入占空比公式，可以得到0.1MΩ，0.2MΩ，0.5MΩ，1MΩ 4个报警档位PWM输出的占空比分别为：61%，49%，27%，18%，通过程序比较容易实现这些占空比的PWM输出。经过滞回比较器输出的报警信号通过C15电容滤波，消除高频干扰，再通过一级跟随器利用三极管驱动继电器动作。当绝缘电阻值大于设置的报警电阻值时，电路不报警，继电器断开输出常闭信号;当绝缘电阻值小于设置的报警电阻值时，电路报警，继电器吸合输出常开信号，切断用电设备。

5 结束语

为了提高报警的精度，使用多圈精密电位器调节绝缘电阻的测量电压，再通过程序进行数字滤波处理，实现软件和硬件的双重处理。本设计中均使用1%精度的贴片电阻，报警的绝缘电阻精度可以做到1%。本电路已在船载发电机电力系统中使用，具有抗干扰能力强、稳定性好，报警准确度高的特点。电路可以使用数码管或液晶屏作为显示设备进行扩展，以便应用于更多的场合。

参考文献：

[1]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006.

[2]李琳.模拟电子技术[M].化学工业出版社，2015.

[3]阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社，2016.

[4]康华光.电子技术基础[M].高等教育出版社，2017.

[5]张永瑞.电路分析基础[M].西安电子科技大学出版社，2018.

[6]张卫钢.电路分析教程[M].清华大学出版社，2015.