电力变压器直流电阻的快速测量方法----硬件设计

第五章电力变压器直流电阻测试仪的硬件设计和软件设计

基于上一章所提出的助磁法结合恒流源的改进方法，本论文利用单片机进行了系统设计来实现电力变压器直流电阻的快速测量。

5.1电力变压器直流电阻测试仪的硬件设计

5.1.1系统整体结构

本装置以80C196单片机为核心组成单片机控制单元，通过数据存储器和I/O口扩展，完成测试与控制功能。本测试系统的总体结构如图5-1所示

电源部分是通过一个开关电源产生单片机工作电源+5V和±12V，其中，继电器工作电源+12V由变压器降压，整流桥整流产生。键盘只有四个按键，通过按键来实现功能选择，完成测试、存储和打印功能。测试结果通过LCD显示输出。

单片机控制单元主要由80C196单片机为核心，外部扩展程序存储器EPROM27128，数据存储器RAM6264和E2PROM2864，译码电路由两片74LS138实现。地址锁存由74LS373完成。I/O口扩展由一片8255实现，实现对打印机的控制，输出继电器的控制，键盘的输入和液晶显示的控制。

恒流源电路主要由恒流源的采样电路、比较电路等，将交流电通过整流桥将交流电变为直流电，经电流调整和电流反馈，最后实现0.1A~10A范围的稳流输出。

测量回路主要由恒流源输出稳定电流直接通过电力变压器绕组，不接入标准电阻（将串入电阻用继电器短接），测量充电电流，当充电电流达到设定值时将继电器断开，将电阻串入测量回路中。为了保证单片机供电稳定性，继电器控制电源单独供电。

由于绕组电感的存在，残余电流对使用者和测试设备将构成威胁，因此必须有电流放电回路，电流放电回路由放电电阻和一个反向二极管构成，充电时二极管关断，电源对绕组充电，断电时二极管导通，绕组通过二极管和放电电阻放电。

5.1.2单片机控制单元电路

80C196单片机特别适用于各类自动控制系统，如工业过程控制系统，伺服系统，分布式控制系统，变频调速电机控制系统等，还适用于一般的信号处理系统和高级智能仪器，以及高性能的计算机外部设备控制器和办公自动化设备控制器，和MCS-51系列相比，80C196单片机在以下几个方面提高了性能：CPU中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器-寄存器结构CPU的操作直接面向256字节的寄存器。消除了一般CPU结构中存在的累加器的瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。

256字节寄存器中24字节是专用寄存器。其余232字节均为通用寄存器，其通用寄存器的数量远比一般CPU的寄存器数量多。这样就有可能为各中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销，并大大方便了程序设计。

有一套效率更高，执行速度更快的指令系统。可以对带符号数和不带符号数操作；16位乘16位指令的执行时间为14个状态周期，32位除16位指令的执行时间为26个状态周期；还有符号扩展，数据规格化（用于浮点计算中）等指令。此外，三操作数指令大大提高了指令效率。

除上述几点外80C196单片机还集成了更为丰富的外设装置，如时钟发生器，定时器/计数器，标准输入/输出口，全双工异步串行输入/输出口，监视定时器（Watchdog），用于提高系统抗干扰能力，模拟/数字转换器，高速输入/输出器，脉宽调制输出等。

5.1.2.1地址分配与译码电路

80C196具有一个逻辑上完全统一的寄存器空间，即把程序存储器空间，数据存储器空间及I/O口统一编址，可寻址范围为64KB.因此在应用系统的设计中，应全面考虑程序存储器，数据存储器的容量，占用的地址，I/O端口及其地址，以及其它芯片的扩展，并将它们合理进行安排。本装置所用芯片较多，因此用译码法进行系统扩展，译码电路由两片3/8译码器74LS138构成，如图5-2所示

5.1.2.2外部存储器的扩展
80C196没有片内ROM，在进行应用系统设计时，必须进行外部程序存储器扩展，以便用来存放用户程序等。考虑到应用程序的大小，选用EPROM27128作为程序存储器。在与80C196单片机的扩展连接中，EPROM的连线主要由三类：地址线，数据线和控制线。如图5-3所示

在80C196单片机中，P4口被用作地址总线，负责传递高8位地址码，P3口作地址/数据总线，当P3﹑P4共同指定地址后，P3还要成为数据总线。EPROM的控制线主要有：片选线﹑输出允许线，片选线直接连接于Y1和Y2的相与输出，地址为2000H—5FFFH，输出允许线与读选通信号直接相连。当EPROM的片选线为低，该芯片被选通，在读信号有效期间，EPROM输出允许有效，数据总线上为指定某单元的程序代码，在读信号的上升沿出现时，CPU读入这一数据。

80C196单片机内部只有256字节的RAM，其中包括了24字节的SFR（专用寄存器），堆栈指针占用了2个字节，数据存储器的容量远远不够，因此需要进行外部数据存储器扩展。本装置选用6264作为外部数据存储器。6264数据线和地址线的连接与EPROM的连接方法相同，控制线有两个片选端和读写信号线。两个片选端其中一个CS2接正电源VCC，另一个接片选信号Y3.