一等奖
多档位数字兆欧表的设计
连文生1 虎恩典2 索强强3 谢 楠4
摘 要：本设计基于银川某公司兆欧表改造项目，采用单片机作为核心控制器件，应用蓄电池供电，实现兆欧表的多档位数字化显示。本设计已应用于工程实践并有相应的产品批量生产，实践证明该设计的数字兆欧表测量精度高、性能稳定且操作简单、携带方便。
关键词：单片机；兆欧表；数字化显示；工程实践
在电力设备的实际应用中，绝缘材料的电气和机械性能往往决定着整个电力设备的寿命。绝缘损坏时，可能导致非常严重的后果，如系统损坏、火灾等，甚至造成人员伤亡。所以研制更加稳定，准确、方便的绝缘材料测量仪（即兆欧表）具有非常重要的意义。早期的兆欧表主要是手摇指针式兆欧表，它有诸多的缺点，如：测量时必须手摇发电机、同台表的电压等级少、测量范围小、指针为非线性测量误差和读数误差较大等。本数字兆欧表克服了早期兆欧表的所有缺点。依靠自身的直流电源可产生精准的直流电压，而且可以根据不同的档位选择不同的电压等级；量程范大，可根据不同的待测电阻自动切换采样电阻；采用数字显示方式，读数直观准确；还可以测量吸收比和极化系数。本设计的电压等级范围为500V~5000V，分为500V、1000V、2500V、5000V四个档。待测阻值在1M~1000G范围内时误差不超过2%。
1. 硬件电路设计
数字兆欧表主要由直流负高压生成模块、模拟开关模块、取样电路、模数转换模块、LCD显示、控制旋钮及按钮组成［1］，其工作原理框图如图1-1所示。具体工作流程为：12V直流电源通过直流负高压生成模块产生所需的高电压，再经过模拟开关加到取样电阻两端，取样电阻的电信号经过12位高速AD转换器转换为数字信号，单片机通过计算将数字信号转化绝缘阻值，并根据不同的绝缘阻值自动切换采样电阻，可在不同的工作模式内计算吸收比和极化系数。
1.1 直流负高压生成模块
产生直流高压测试电源的直流负高压生成模块是数字兆欧表的重要组成部分，被测直流高电压产生直流高压测试电源的直流负高压生成模块是数字兆欧表的重要组成部分，被测直流高电压的稳定性，将直接影响数字兆欧表的性能。本设计采用TL594开关电源集成控制器芯片控制数字兆欧表倍压模块，产生的高压电源具有以下特点：
①低压直流电源可采用蓄电池供电，输出的各档直流负高压误差不超过0.5%。
②旋钮开关能方便地切换各档位电压。
③具有反馈测试和自保护功能。
直流负高压生成模块的电路图如图1-2所示，通过S3~S6改变16脚的给定电压来选择档位。倍压电路的反馈电压经电阻R8~R12与R13分压后输入TL594的15脚，用它来矫正TL594产生脉冲的占空比，脉冲通过9、10脚输出控制三极管的通断，两个在不同时间输出的脉冲可交叉控制上下两个三极管的通断，从而产生可调的交流电压给变压器，交流电压经过变压器升压后加到倍压电路两端，交流电压通过倍压电路倍压后产生所需的直流负高压［2］。
1.2 模拟开关模块
数字兆欧表每个档位内部又分为6个不同的采样电阻，可根据待测绝缘电阻的阻值自动切换采样电阻，这样可以扩大量程和提高测量精度。本设计采用双向模拟开关CD4066作为采样电阻切换开关，连接电路示意图如图1-3所示。E、L为高压输入点，G点固定电压为5V，单片机控制CD4066的通断可分别连接电阻R1~R6进行测量［3］。
1.3 取样电路模块及绝缘阻值测量原理
如图1-3所示，由G通过R7、R8到L构成回路，作为基准电压支路，由G通过采样电阻Rm（R1~R6）、R0、Rx到L组成测量支路，其中Rx为待测绝缘电阻，R0为电源的等效内阻，两支路组成双支路电压比较测量法。
1.4 其他硬件设计
本设计采用AT89C51系列单片机作为MCU，实现仪表的采集、控制、显示等功能。AT89C51系列 本设计采用AT89C51系列单片机作为MCU，实现仪表的采集、控制、显示等功能。AT89C51系列单片机是一款低功耗，高性能8位CMOS单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容工业标准89C51和89C52芯片，采用通用编程方式，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。选取片内含有12KB以上的可重写快速闪存程序存储器和两个16位可编程定时计数器的该系列单片机就可满足本设计要求。AT89C51系列的单片机是一款性价比非常高的芯片，可用于工业批量生产。
A/D转换芯片采用的是AD574A。AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。其模拟电压输入范围：0~10V和0~20V，0~±5V和0~±10V两档四种，本设计选用的是0~+5V模拟电压输入，采用5V电源电压供电，数据输出格式选用12位并行输出。
液晶显示屏采用的是HS12864-15系列的产品，该系列的显示器具有中文字库，可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。其数据口采用并行方式与AT89C51的P0相接，实现单片机对显示模块的控制显示。应用旋转开关调节档位，采用常开型按钮开关控制电源和选择功能。此外，由于单片机的端口数量有限，本设计还采用了74HC238编码芯片对单片机进行了I/O扩展。
2. 软件设计
软件设计是兆欧表设计的重要部分，软件设计的是否合理严谨对整个系统的性能好坏影响很大。本兆欧表具有两种工作模式：一种模式是测量60秒，5秒后实时显示测量阻值，60秒后显示吸收比；另一种模式是测量600秒，在第一种模式的基础上增加了测量极化系数的功能。软件的整个流程如图2-1所示［4］：系统上电后分别对单片机和液晶屏进行初始化，然后显示档位和功能选择画面，等待档位旋钮和功能键操作，确认操作后进入测量循环子程序，首先对蓄电池电量进行判别，在电量充足时根据采样电压选取合适的采样电阻，为摒除电磁干扰对测量精度的影响，本设计采用了多次测量求平均值的方法。编程语言采用的是C51语言，C51语言是一种专门于51系列单片机编程的C 语言。C51继承了标准C 语言的绝大部分的特性，其基本语法也相同，但其本身又在51系列单片机的特定硬件结构上有所扩展。C51与汇编语言相比，它在功能上，结构性、可读性、可维护性上具有明显的优势，编程时不必考虑存储器的寻址和数据类型等细节，使程序的开发和调试时间大大缩短［5］。
3. 结语
该数字兆欧表的主要特点是实现测量量程的多档化，将原有的不同型号不同测量电压的兆欧表功能集中到一个表头上，这样它的使用范围及性价比大大提高。此外该数字兆欧表使用了大量的高精度高密度型集成电路，使它在体积、测量精度、功耗等方面都优于大部分的同类产品。
参考文献：
［1］廖娇，虎恩典，刘军峰.电机绕组热态绝缘电阻在线检测系统的设计［J］.自动化与仪表.2010（9）：56-60.
［2］虎恩典.单片机控制的智能型电子兆欧表［J］.测控技术，2004.23（12）：71-73.
［3］陈志平.数字兆欧表中的电子技术［J］.电子技术，1990（12）：46-48.
［4］张亚迪，江国琪等.一种智能型兆欧表的设计［J］.电源技术应用，2005.8（6）：47-49.
［5］汤竟国，沈国琴.51单片机C语言开发与实例［M］.北京：人民邮电出版社，2008.2：10-80.
1连文生，男，2010级电路与系统专业。
2虎恩典，男，教授，硕士研究生导师。
3索强强，男，2010级电路与系统专业。
4谢 楠，男，宁夏大学2010级电路与系统专业。
二等奖
基于WinCE的智能小区环境监测及天气预报系统
毛建鑫1 刘 炜2
摘 要：本文介绍了一种基于Windows CE5.0的智能小区天气预报系统。系统结合多线程处理技术，采用MPL115A2大气压力传感器和SHT21温湿度传感器，以ARM9内核的AT91SAM9260作为控制器，实时采集小区环境的头温度、湿度、压力等气象信息。通过CPU计算和分析获得天气预报信息，同时通过485模块将气象信息传输至上位计算机。文章还介绍了MPL115A2大气压力芯片的使用方法和经验，分析了天气与大气压力的关系，以及如何利用大气压力数据获得天气预报。系统采集数据精度高，实用性好，易于推广。
关键词：Windows CE5.0，智能小区，嵌入式，天气预报
随着我国国民经济持续增长，人民生活水平不断提高，城市居民的居住条件不断改善，购房者对居住环境和居住功能有了更高的要求。借助现代高科技和信息技术的飞速发展，原来的智能大厦正渐渐走向智能住宅小区，走进家庭。现代社会正将追求家庭智能化带来的多元化信息和安全、舒适与便利的生活环境作为一个理想目标。同时，根据《2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案》，国家将建设智能化小康：示范小区列入国家重点发展方向。据专家分析理想的住宅小区环境由6个方面的要素构成绿色的生态环境、祥和的社区环境、丰富的文化环境、优美的景观环境、完美的配套服务环境、活跃的交往环境［1］。
本文介绍了一种检测智能小区生态环境的监测系统，系统对智能小区的温度、湿度、大气压力等环境参数进行采集，根据压力参数的变化实现对未来的天气预报，获得未来的天气情况，同时依据大气压力分析空气的质量。系统将采集数据发送至上位机，上位PC机可以记录数据进行记录和分析。
1. 系统硬件设计
1.1 主控制器EM9160
EMP9160核心板采用Atmel公司的AT91SAM9260芯片作为CPU控制器，该芯片是工业级32位高新能ARM芯片，接口丰富，处理能力强，其中可供用户使用的串口多达6个，处理频率达到200MHz。本系统通过大气压力传感器和温湿度传感器获取环境数据，经过CPU控制器计算处理后获取天气信息。系统采用160×160的LCD作为显示输出，通过RS485通信接口把采集的数据传至上位机，系统框图如图1所示：
1.2 MPL115A2电路设计
MPL115A是飞思卡尔针对低成本应用推出的新型微小数字化大气压力传感器，该压力传感器内置信号调理电路、模数转换器，可输出精确的温度和压力数据。96位的压力补偿数据可以运用补偿算法来处理原始数据得到实际压力值。MPL115A有两种型号：MPL115A1和MPL115A2，分别是SPI接口和I2C接口。该芯片绝对压力测量范围为50KPa~115KPa，精确度为1KPa。MPL115A工作时电流为5μA，休眠时为1μA。MPL115A2压力和温度数据具有10位的分辨率［2］。图1-2是MPL115A2芯片引脚说明。
MPL115A2芯片集成度高，只需少量元件就能正常工作。MPL115A2电路原理如图1-3所示。电路中C1电容作用为电源滤波，C2电容是用来作为一个内部稳压器的去耦电容，如果这个电容不采用标称值，MPL115A2有可能无法正常输出数据。I2C总线上上拉电阻为4.7KΩ，SHDN和RST分别接高电平。
1.3 SHT21电路设计
SHT21是瑞典盛思瑞公司生产的湿度和温度传感器，它配有一个改进的电容式湿度传感元件和一个标准的带隙温度传感元件，芯片还集成了一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元。SHT21输出为标准的I2C总线，温度和湿度的分辨率可以通过输入命令从8/12bit~12/14bit进行更改［3］。SHT21的可靠性已经大大超越前一代SHT1x和SHT7x传感器。表1-2为SHT21芯片引脚说明。
