新型绝缘电阻测试仪的设计

2018-12-18北方工业大学电子信息工程学院曹愿栋吴小林李默涵梁钧峰

电子世界 2018年23期

北方工业大学电子信息工程学院曹愿栋吴小林李默涵梁钧峰

本文介绍了一种依据MSP430F149单片机设计出来的绝缘电阻测试仪，主要描述了各部分电路的组成以及它们的主要功能。此设计主要用的是单片机的控制芯片，结合串联分压的方法，实现了对绝缘电阻阻值的自动测量，并能够通过LCD显示出来。采用此种方法设计的绝缘电阻测试仪体积小，功耗低，精度高。

一、应用背景

随着全球电力电子产业的发展壮大，绝缘工程技术应运而生。衡量电力电子器件绝缘性能优劣的重要参数是绝缘材料的绝缘电阻的大小。并且绝缘材料的电阻是我国计量法所规定的电气安全检测项目中尤为关键的一项指标。绝缘电阻测量仪是用来检测变压器、电机、电缆以及其它的电力电子设备或者其它的绝缘材料的绝缘电阻的多功能仪表。本仪器能提供多种测试电压，采用了国际上最先进的电子器件，可广泛用于排除障碍、电路试运行、机器预防性维护等各种应用领域。与其他智能电子绝缘材料电阻测量仪和手摇式绝缘材料电阻测量仪相比。本绝缘材料电阻测量仪具有测量精度高、分辨力强、抗干扰能力强、读数稳定性好、体积小携带、使用方便、电池通用性强等优点，在电力电子领域有着广泛的应用。

二、工作原理

该数字式绝缘测试仪主要由产生高压电源的电路模块，数据采样模块，模数转换数据处理模块，量程切换模块，MSP430F149系统模块和LCD显示模块组成，它的主要工作机制如图1所示：

图1 绝缘电阻测试仪工作原理图

此系统由高压电源模块产生1000V的高压电流作为仪器的测试电源，采用恒压法来测量电阻的阻值。电源分压信号接到A/D转换器的模拟量输入端（An），取样电压接到基准电压输入端（VeREF+）。模数转换模块的数据经过计算后输出到LCD显示模块。用户根据LCD显示值的大小可以选择合适的量程来测量。因为单片机内部有A/D转换器模块，所以不需要外部的模数转换模块。

三、硬件系统

1.直流高压电源发生模块（高频高压开关稳压电源）

在本系统中由于直流高压电源输出的电流很小，电压很大所以选择成本较低，适合小功率的单端反击式的拓扑结构（推挽式、半桥式、全桥式）。本测试电路采用12V的电源供电，利用芯片（TL494、TL594、SG3525）产生占空比可调的PWM波，通过PWM波形成交流电压。将交流电压送入一定匝数比的变压器，再通过倍压、整流将交流电压变为直流电压，产生稳定的范围在500V-1000V的5个直流高压。

2.电阻分压电路

测量绝缘材料的电阻值，就是对微小的电流或者微小的电压进行测量。根据串联电阻分压的原理，我们将直流高压电源发生模块输出的500V-1000V直流高压，通过串联分压的方法变为A/D转换器可接收的小电压。

串联分压法原理如图2所示：Rf、Rs均为标准电阻

图2 串联分压法原理图

Uo：直流高压电源输出电压；U：采样电压；Rx：被测的绝缘电阻；

Rs：采样电阻；Rf：限流电阻（防止Rx短路）

当直流高压电源的输出电压接入电路时，采样电压会采集到相应的电压值，随着被测绝缘电阻Rx的变化，采样电阻上也会随之得到不同的电压值，根据采样电阻的电压值变化，我们可以得到被测绝缘电阻的大小。公式为：由于采样电压是电路中主要的误差来源所以要对采样电压U进行滤波。

3.模数转化模块

模数转换模块有专门的电路实现，这部分电路的功能就是将分压电路产生的输出信号通过单位增益的方式传递给A/D转换器，同时将电阻分压电路上的可能产生的高压冲击限制或减缓到信号采集电路的前端部分，使单片机能够有充分的时间将高压开关电源输出的电压降至安全电压。

4.采样和量程切换模块

用恒压法测量电阻有它独特的的优点，当基准电压在测量过程中存在一些误差时，并不会增加测量的误差，这自然而然的就降低了对基准电压的要求

如图3所示为单片机与采样电路的简易电路图：

图3 单片机与采样电路的简易电路图

假设高压电源产生的高电压为U，取样的电压为V，输入到了单片机里边的A/D转换模块中的引脚（VeREF+），至于高压分压信号V，它可以接到数模转换模块的随意一个外部模拟信号的输入通道。

根据图2所示，由欧姆定律可得：

即：

所以只要能够得到U/V的值，便可以计算得到绝缘电阻的阻值大小了。通过如上图的接法，由单片机的模数转换模块输出一个和VU与VX都有关的中间量D（这样可以消除测量电压对结果的影响）。我们可以根据D的大小计算出来绝缘电阻的大小，选取适当的R1，R2的值，根据被测电阻的大小，再选取适当的R3的值。以为电压源用的是1000V高压的电压源，而单片机的电源供电电压却很低，所以要求R1＞＞R2，上边的电路选的值是R1=5M欧姆，R2=5k欧姆。

至于量程的切换过程，那就是选取合适的R1大小的过程，此电路提供了有4个量程，分别是200～2000M欧姆，20～200M欧姆，2～20M欧姆和0.2～2M欧姆，基准电压分别是2000K欧姆，200K欧姆，20K欧姆和2K欧姆。为了保护单片机的管脚，以防R1短路，在Vx接入VeREF+管脚之前，必须接入一个2.5V的稳压管。

四、MSP430软件部分

软件部分的主要作用就是对绝缘材料电阻进行测试。利用按键切换直流电压的量程，与此同时A/D模块采集计算所需的电压值。但是由于采集到的直流电压值不可避免的会有误差值，所以必须将采集到的直流电压值做滤波处理，最终得到滤波后的误差值在接受范围内的直流电压值，根据此值进行绝缘材料电阻的计算。这里需要注意的是，当测量电阻较大时，电阻会发生一些变化，它会呈现出一定的电容特性，并且测量的时间对测试结果也会产生一定的影响，15S或者60秒是最适合的测量时间。

针对电路需要实现的特定功能，这里采用了模块法编程的方法。主要实现的功能就是A/D数据转换以及通过LCD进行对测试数据的显示，所以软件部分包括了一主二次三个程序，主程序的功能就是对系统进行初始化操作，设置系统时钟以及调用子程序等功能。A/D转化的程序主要完成数据的模数转换，然后利用测量出的电压值计算出绝缘电阻的实际阻值，然后放入特定的储存器，LCD驱动和显示程序接着就需要从储存器中取出数据，通过一些转换，完成数据的最终显示。

LCD显示电路中主要构成模块是LCD驱动器HT1621，它有很多优点，首先它是可以编程的，可以用代码控制显示内容；其次它本身具有数据模式和命令模式两种；它的显示段与RAM中的数据位一一对应，所以只需要将需要显示的数据的段码按照数据位对应的输入进RAM中就可以实现LCD的功能。单片机采用的是串行的方式与HT1621传送数据，当P4.2管脚有写允许信号时，DATA管脚就会从高位到低位接收到需要显示的数据。每当执行完毕一条指令，下条指令执行前应该对串口进行一次初始化，下一条指令将在正脉冲的下降沿开始执行。