吳向臣　吳茂林　吳作棟

(1.海軍工程大學(xué)兵器工程系　武漢　430033)

(2.海軍駐連云港七一六所軍事代表室　連云港　222000)

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基于Arduino的通用型通路與絕緣性檢測儀設(shè)計*

吳向臣1吳茂林1吳作棟2

(1.海軍工程大學(xué)兵器工程系武漢430033)

(2.海軍駐連云港七一六所軍事代表室連云港222000)

摘要通過對通用型通路和絕緣性能檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)，滿足對特殊裝備進(jìn)行通路與絕緣性能檢測的測量需求。采用Arduino核心控制板和兼容該控制板的傳感器進(jìn)行電路的設(shè)計和功能實現(xiàn)，在滿足設(shè)計要求的同時簡化設(shè)計流程和電路結(jié)構(gòu)。使用Arduino控制器和高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊對測量設(shè)備的電路進(jìn)行設(shè)計并轉(zhuǎn)化為實驗樣機(jī)，最后通過實驗驗證設(shè)備電路的測量精度。

關(guān)鍵詞Arduino; 通路電阻; 絕緣電阻; 高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換

Universal Circuit and Insolation Detector Design Based on Arduino

WU Xiangchen1WU Maoling1WU Zuodong2

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

(2. Navy Representative Office in 716thResearch Institute, Lianyungang222000)

AbstractThe measure requirement is satified to the special equipment through the designing and realizing of the universal device to the access and the insolation.The circuit is designed based on the ARDUINO and the sensor of this CPU.This project not only satisfies the designing demand but also simplifies the flow path of the project. The ARDUINO and the precision A/D module are used to design the circuit and turn it to the prototype. At last the precision of this equitpment is checked through the test.

Key WordsArduino, via resistance, insulation resistance, high precision A/D

Class NumberTP311

1引言

隨著裝備的電子集成度越來越高，裝備設(shè)施在使用之前的檢測工作也就越來越繁重。同時某些裝備設(shè)施由于其自身的特殊性，對檢測設(shè)備的性能和參數(shù)的要求較高，因此一些市場通用的檢測設(shè)備普遍無法滿足該類型裝備的檢測要求。以本文涉及的對某裝備進(jìn)行通路和絕緣性能檢測的設(shè)備為例。首先由于待檢測的裝備中存在火工品，檢測過程中回路電流要求必須控制在1mA以下。而普通的萬用表中的線路電流都在1mA以上，無法對該類型裝備進(jìn)行檢測；其次在檢測絕緣性能時由于電壓小，電阻大，回路中的電流一般在微安級別，這對檢測設(shè)備的測量精度提出了較高的要求；再者在對通路性能進(jìn)行檢測時，由于電阻值只有1Ω左右，即使是微弱的導(dǎo)線電阻也會對測量精度產(chǎn)生影響，因此這對測量設(shè)備的誤差控制提出了很高的要求。為了滿足對該型裝備的通路和絕緣性能檢測需求，需要設(shè)計專門針對裝備的檢測設(shè)備。

2設(shè)計思路和方案

2.1設(shè)計思路

設(shè)計電路時，通路檢測電路和絕緣性檢測電路分開設(shè)計，使用雙通道雙刀單擲開關(guān)進(jìn)行模式選擇，通過高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采集被測電阻的電壓和線路電流，由處理器芯片將數(shù)據(jù)讀出處理。使用公式計算出被測電阻阻值，并將該數(shù)據(jù)通過I2C總線發(fā)送到LCD顯示屏顯示。

2.2工作流程設(shè)計[1]

設(shè)備的檢測過程主要是通過高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采集電路信息，發(fā)送到核心控制進(jìn)行信息處理，并通過I2C接口發(fā)送到顯示模塊中顯示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理圖

2.3技術(shù)方案設(shè)計

由于該設(shè)備主要用于對待測電路中的絕緣電阻和通路電阻性能進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果直觀地顯示給操作人員。由此電路設(shè)計的主要內(nèi)容包括電路信號采集電路設(shè)計，信號處理和運(yùn)算模塊設(shè)計，顯示電路設(shè)計三個方面。為了到達(dá)設(shè)計目的，同時簡化設(shè)計過程，本系統(tǒng)硬件平臺采用基于DFrobot公司的Arduino UNO開發(fā)板芯片和MCP3424數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及LCD-2004顯示模塊進(jìn)行電路設(shè)計。

3Arduino原理[1]

3.1Arduino基礎(chǔ)

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，Arduino主要包含兩個部分。硬件部分是可以用來實現(xiàn)各種電路連接的Arduino電路板；軟件部分主要有一個可以在個人計算機(jī)上進(jìn)行程序開發(fā)集成環(huán)境叫做Arduino IDE。使用者通過在Arduino IDE中編譯和調(diào)試程序代碼。調(diào)試成功后通過串口設(shè)備將代碼上傳到Arduino控制板中。隨后程序在控制板中自動循環(huán)運(yùn)行。Arduino家族包含各種傳感器，控制器，通信模塊和顯示模塊。適合設(shè)計和開發(fā)不同類型的設(shè)備儀器、無人機(jī)和機(jī)器人。

3.2Arduino模塊使用原理[3]

3.2.1核心控制板

Arduino UNO開發(fā)板芯片是Arduino USB接口系列的最新版本，其原理圖如下所示，為Arduino平臺的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出(其中6路克作為PWM輸出)，6路模擬輸入，一個16MHZ晶體振蕩器，一個USB接口，一個電源插座。UNO已經(jīng)發(fā)展到第三版，該版本具有如下特點：

在AREF出增加了兩個管腳SDA和SCL，支持I2C接口；增加了IOREF和一個預(yù)留管腳，因此擴(kuò)展板可以兼容5V和3.3V核心板。

圖2　核心板元件圖

3.2.2高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

MCP3424高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊為Microchip MAP342X系列的低噪聲和高精度18為A/D轉(zhuǎn)換器，元件如下圖所示。這些器件可以將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成分辨率高達(dá)18位的數(shù)字代碼。片內(nèi)2.048V基準(zhǔn)電壓使輸入電壓范圍為-2.048~+2.048差分輸入。用戶通過2線I2C串行接口對控制配置為進(jìn)行設(shè)定，從而使這些器件按3.75、15、60或者240采樣/s的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在每個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，器件自動對失調(diào)和增益誤差進(jìn)行校正。器件可以在不同溫度和電源電壓波動下，在不同轉(zhuǎn)換周期內(nèi)提供精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。器件采用2.7V~5.5V單電源供電，并使用兼容標(biāo)準(zhǔn)、快速或快速模式和兩線I2C串行接口。其特點是：在每個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，自動對失調(diào)和增益誤差進(jìn)行校正。

其分辨率可以設(shè)置，以滿足不同場景的要求。用戶可在A/D轉(zhuǎn)換之前可選擇PGA增益對信號進(jìn)行放大[2]，方便對微弱電壓的檢測。提供兩種轉(zhuǎn)換模式：單次轉(zhuǎn)換模式和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式

3.2.3液晶顯示模塊

I2C LCD2004模塊來自DFrobot的一款顯示器，采用I2C的通信接口驅(qū)動。LCD2004擁有4*20字節(jié)的STN白色字符顯示及藍(lán)色背光燈。同時該顯示器可以兼容其他單片機(jī)。美觀實用，功能強(qiáng)大。

工作電壓5V。I2C設(shè)備地址：0x20~0x27。通訊接口：I2C。液晶參數(shù)：4行，每行20個字符。點尺寸：0.55mm×0.55mm。尺寸：98mm×60mm×24mm。

4硬件電路設(shè)計與分析

4.1電路結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]

由于采用了模塊化的設(shè)計方案，使得設(shè)計過程較為簡單。電路結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為三個部分:信號采集部分、信號處理部分和信息顯示部分。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采集和處理從電路中檢測到的電信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過SDA和SCL端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到處理模塊中。處理模塊處理來自各個端口的數(shù)據(jù)，并通過相關(guān)計算的出待測數(shù)據(jù)的結(jié)果。并通過串口通信的方式將結(jié)果交給顯示模塊輸出。電路設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2電路設(shè)計[5]

電路設(shè)計過程中，主要從測量設(shè)備的安全性出發(fā)，控制線路內(nèi)的電流大小，同時兼顧電路設(shè)計的簡潔性和便攜性。由于電路設(shè)計過程中主要采用模塊設(shè)計，簡化了設(shè)計電路。只需要通過導(dǎo)線將不同的模塊按照相應(yīng)的端口連接在一起。不同模塊之間通過不同的通信協(xié)議連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其中使用最多的為串口轉(zhuǎn)TTL電平通信方式。同時考慮到設(shè)備的使用環(huán)境不同，為了提高電路的測量精度，抵消環(huán)境因素尤其是氣溫因素對電路測量結(jié)果的影響，因此在設(shè)計過程中增加了熱敏電阻減小溫度變化帶來的測量誤差。測量電路的安全性是儀器的重要指標(biāo)，在任何情況下，設(shè)備的線上電流不得大于10mA。因此在電路中采用冗余設(shè)計，任何一個元件短路的情況下，都不會造成電流超過限制值。電路設(shè)計圖如圖4所示，對應(yīng)的PCB電路如圖5所示。

圖3　電路設(shè)計結(jié)構(gòu)

圖4　檢測儀模塊電路設(shè)計

圖5　檢測儀模塊PCB設(shè)計

4.3設(shè)備性能指標(biāo)分析

通用型通路與絕緣性能檢測儀主要功能為：通路性能檢測和絕緣性能檢測。具有電源指示、模式指示和誤操作安全保護(hù)功能；可檢測各型設(shè)備的內(nèi)阻和絕緣電阻；也可檢測某些特殊裝備的內(nèi)阻，例如使用電發(fā)控裝置的設(shè)備電路；檢測結(jié)果由處理器經(jīng)過處理得到是否合格的有效結(jié)論；同時檢測結(jié)果可直接存儲并顯示在設(shè)備上，便于判讀。設(shè)備性能指標(biāo)：

1) 測量范圍

內(nèi)阻檔：0.00Ω~5.00Ω；絕緣電阻檔：1MΩ~100MΩ；安全電流：小于10mA。

2) 測量精度

內(nèi)阻檔：不大于5%；絕緣電阻檔：不大于5%；電流測量：5%。

3) 安全允許電流：不大于5mA；采用直流充電電源，電壓工作范圍：1.5V~9V。

5設(shè)備實驗分析

5.1實驗設(shè)計[6]

圖6　實驗樣機(jī)圖

由于該設(shè)備的設(shè)計用途主要是在于對實際裝備尤其是某些有特殊要求的裝備進(jìn)行檢測，因此在設(shè)備設(shè)計完成后，需要對設(shè)備進(jìn)行多次實驗和調(diào)試。通過實驗調(diào)試，一方面調(diào)試設(shè)備的測量精度使其滿足指標(biāo)要求；另一方面可以通過實驗檢驗測量儀器的可靠性和使用安全性。實驗過程中對儀器電路電流進(jìn)行反復(fù)測量，確保電流始終小于安全電流。實驗設(shè)備樣機(jī)如圖6所示，實驗過程中，使用不同阻值的電阻模擬待測系統(tǒng)中的內(nèi)阻和絕緣電阻，使用檢測設(shè)備對不同阻值的電阻進(jìn)行測量，顯示電阻值和線上電流。

5.2誤差分析

圖7　實驗結(jié)果圖

通過實驗可以對設(shè)備的測量誤差進(jìn)行分析，如圖7所示分別為標(biāo)準(zhǔn)阻值為5.1mΩ的絕緣電阻和標(biāo)準(zhǔn)阻值為0.7Ω的通路電阻通過檢測設(shè)備測量的結(jié)果。首先兩者電流分別為0.87μA和425.23μA，均沒有超過設(shè)置要求的10mA的標(biāo)準(zhǔn)。由于0.7Ω的通路電阻接入電路測得的電流值為425.23μA，而0.7Ω可以近似為導(dǎo)通因此該測量設(shè)備的最高電流小于500μA。其次通過標(biāo)準(zhǔn)阻值電阻計算兩者的測量精度分別為2.35%和4.28%，滿足測量要求。經(jīng)過多次反復(fù)實驗得到的數(shù)據(jù)結(jié)果分析,設(shè)備精度滿足設(shè)計要求。

6結(jié)語

本測量設(shè)備的設(shè)計完成不僅滿足了對于特殊裝備通路和絕緣性能的測量需求，而且本次設(shè)計中，使用了模塊化的設(shè)計方式，了解Arduino平臺和相關(guān)傳感器的使用方法。由于Arduino的開源性，使得它可以支持的模塊十分豐富。通過本次設(shè)計，積累了使用Arduino設(shè)計的經(jīng)驗，為以后使用該平臺設(shè)計更加復(fù)雜的測量和控制系統(tǒng)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4] 楊毅明.數(shù)字信號處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012:25-45.

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[6] 袁本華,董崢.基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012(8):5049-5050.

中圖分類號TP311

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.033

作者簡介:吳向臣，男，碩士研究生，研究方向：兵器科學(xué)與技術(shù)。吳茂林，男，碩士，副教授，研究方向:兵器科學(xué)與技術(shù)。吳作棟，男，研究方向：系統(tǒng)工程。

收稿日期:2015年9月12日,修回日期:2015年10月25日