基于PIC單片機的數字式絕緣電阻測試儀的設計

摘要:提出了一種基于PIC單片機絕緣電阻綜合參數測試儀的設計方案。采用PIC16F877為控制芯片，結合經典的檢流計法，實現了對絕緣電阻的極化指數、吸收比及電阻值的自動測量，測試數據可實時記錄并通過LCD顯示或微型打印機打印。通過該系統的開發，可以更大程度的提高絕緣電阻測量的自動化水平。

關鍵詞:PIC;絕緣電阻;數字式

中圖分類號:TP338文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)36-10452-02

The Design of Digital Insulation Resistance Tester Based on PIC Microcontroller

CUI Jun-tao

(Resources and Environment， Lanzhou Institute of Vocational Technology， Lanzhou 730000， China)

Abstract: This passage presents a design of general parameters for insulation resistance tester based on PIC microcontroller. Combining the classic galvanometer method， and using PIC16F877， Realize the polarization of the insulation resistance index， absorption ratio and automatic measurement of resistance. Real-time test data can be recorded and LCD display or through the mini-printer. Through the system development， automation of insulation resistance measurement can be improved.

Key words: PIC microcontroller; insulation resistance; digital

絕緣電阻的測量是我國計量法規定的安全檢測項目的強檢項目[1]。絕緣電阻測試儀俗稱兆歐表，是測量絕緣電阻的專用儀器，傳統的兆歐表(搖表)因其存在操作復雜、精度低、量程范圍小、體積笨重等缺陷[2]，逐漸被淘汰，而德國、美國、日本等國家的升級產品價格昂貴，不符合我國現階段國情。數字式絕緣電阻測試儀有效的克服的了傳統兆歐表的缺陷，有廣闊的市場前景。這里介紹一種基于PIC單片機的數字式絕緣電阻測試儀的設計，并對各個功能模塊作了詳細介紹。

1 測試方法與原理

本設計采用采用恒壓法與檢流計法相結合的測試方法，其優點在于即使測試電壓存在一定的偏差或者測試過程中產生波動，其測試結果并不會受到影響，因此降低了對測試電壓精度的要求，同時也降低了設計成本。圖1為其測試原理圖。

圖中，設高壓產生電路輸出電壓為HV，CH1為標準回路的電壓采集通道，CH2為測試通道的電壓采集通道，R1和R2是分壓電阻，R3為采樣電阻，RX為被測試品，設CH1通道電壓對應的數字量為DATA1，CH2為DATA2，則通過計算最后得到RX的值的計算公式為:

(1)

由(1)式可以看出，RX的值與測試電壓無關，只要能適當的選取R1、R2及R3的值就可以準確的得到被測試品RX的值。

2 系統概述

基于上述測試原理，本文提出了基于PIC16F877的數字式絕緣電阻測試儀的設計方案。該數字式絕緣電阻測試儀主要由高壓發生模塊、采樣電路、A/D轉換電路、電源電路、單片機系統電路、LCD以及微型打印機驅動電路等組成。系統原理框圖如圖2所示。

本系統由+12V蓄電池提高電源，可通過充電電路對其充電，由于單片機內部集成了一個10位A/D轉換模塊，所以可實時的對供電電壓經過監控，并在LCD上顯示是否欠壓。利用脈沖變壓器及倍壓電路產生恒定的直流高壓作為測試電壓源，由外部按鍵控制單片機輸出PWM的占空比，從而獲得不同的電壓等級，將此電源施加于被測試品和標準回路;電源分壓信號和被測試品取樣信號經濾波電路接到A/D，經A/D轉換的結果送到單片機進行運算，結果送LCD顯示或微型打印機打印，也可存儲于單片機內部的EEPROM，以備查詢。

3 系統的硬件組成

3.1 直流高壓電源電路

測試所需的高壓電源由脈沖變壓器及倍壓電路產生[3]，通過單片機輸出PWM來控制輸出電壓。電路原理如圖3所示。

工作原理:12V直流電源經三極管BUT11A，在脈沖變壓器原邊形成交變電壓，通過脈沖變壓器進行升壓，然后通過由C1、D1、C2、D2等組成的倍壓電路再進行升壓和整流，單片機輸出占空比可調的PWM波，通過改變此占空比，達到改變輸出直流電壓的目的，在本系統中可設定為固定電壓輸出，也可步進電壓增益輸出。

3.2 信號調理與A/D轉換電路

經過采樣電路的信號不能直接送A/D轉換電路，必須要進行信號的調理，這里主要指信號放大和濾波。為此本系統設計了基于OP07的有源放大電路和π型濾波電路。經過調理后的信號送A/D轉換電路，具體電路圖如圖3所示。

A/D轉換器件選用ADI公司的AD7705，這是一款16位的AD轉換器，雙通道同步采樣，非常適合測量低頻微小模擬信號，這款器件帶有自增益可編程放大器，可以通過軟件編程來直接測量傳感器輸出的微小信號。AD7705具有分辨率高、動態范圍廣、自校準等特點，因而非常適合用在本系統的設計中。

經過實驗我們發現AD7705能夠測量的最小電壓可達到1 ，所以從采樣電阻采集的小信號可以直接送到AD，它的這種特性避免了在測量回路過多的設計采樣電阻;AD7705具有獨立的時鐘信號，可以通過外接晶振來實現，在這里我們選擇2.4596MHz，它能有效的避開工頻的干擾;實踐證明，這款A/D非線性失真低，抗干擾能力較強，能對微小信號有效的測量。

3.3 電源模塊及監控

考慮到儀器的便攜性，采用12V蓄電池為本系統供電，由于單片機系統及其他外圍器件選用5V供電，所以，在這里我們選擇了DELUS公司的DC/DC模塊來完成+12V變+5V和-5V，具體型號為B1205S-2W，這款DC/DC模塊能保證即使在輸入為+10V～+14V時，輸出仍能保持在+5V，保證了單片機能在系統欠壓的情況下正常工作，而且最大的優點是DC/DC模塊功耗低，這樣就避免了電源自身的功耗，延遲了系統的工作時間。

對系統的電源的監控，設計了基于LM311的比較器電路，單片機可實時查詢比較器輸出，如果欠壓可在LCD上顯示，提醒充電，充電完成后提醒解除。原理圖如圖5所示。

3.4 LCD顯示及微型打印機電路

LCD顯示器選擇型號為LCM12864，是帶國際中文字庫圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示四行，沒行可顯示八個漢字，電源操作范圍寬(2.7～5.5V)，低功耗設計可滿足本系統省電的要求，同時與單片機的接口比較靈活(三種模式:并行8位/4位，串行3線/2線)，具體接線圖可參考其數據手冊。

打印機選擇型號為SP-1201，此款打印機具有打印16*16，24*24點陣漢字，以及大量的數學符號，專用符號，圖形，曲線，可通過命令更換打印字行數和字符大小，可以自定義部分代碼字符，具有自檢測功能。打印機與單片機接口采用通過通用異步串行口(UART)，電平轉換使用MAX232，這樣避免了并行接口對單片機I/O的要求，在程序設計時更加靈活。電路原理圖如圖6所示。

4 實驗結果

我們對功率為5.5KW的三相交流電機進行了實驗，使用不同的電壓檔對同一被測試品測量，實驗數據如下:

從以上數據可以看出，測量系統在不同的電壓等級和相對濕度下，表現出良好的穩定性和重復性。

5 結束語

該系統充分利用了PIC單片機的低功耗，高集成度，優良的抗干擾能力，使設計出的這款儀器具有低功耗，小體積，利于便攜等特點。儀器可在無人職守的情況下，實現連續測量。

目前，此款產品已經研發成功，各項參數指標均符合國家規定，并已投放市場，收到了良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻:

[1] 李建明，朱康.高壓電氣設備試驗方法[M].北京:中國電力出版社，2001.

[2] 陽海華，吳智銘.PC27-1數字式自動量程絕緣電阻表的設計[J].微型機與應用，2003(12):24-26.

[3] 張里.現代電力電子基礎[M].北京:高等教育出版社，1999.