基于STC89C52的500V絕緣電阻測試系統設計與實現

黃雙成，李志偉

（河南化工職業學院機械電子系，河南 鄭州450000）

0 引言

對電氣設備的絕緣性能測試已經成為電力系統一個分支學科，絕緣電阻的測試儀表已經成為國家強制檢定的計量儀表，廣泛應用在工業生產和民用生活中。關于絕緣電阻測試的文獻和科研測試成果更新很快，參考文獻［1－3］論述了基于高阻電橋或反饋電阻的傳統絕緣電阻測試方法。目前，比較先進的方法是基于積分原理靜電設計的超高絕緣電阻測試方法［4－5］。

采用電橋調零測量法，并基于STC89C52單片機進行系統控制，設計了絕緣電阻測試系統。實現對低阻范圍（20kΩ～5MΩ）和高阻范圍（5～1 275 MΩ）的分段測試，并且能夠實現擋位的自動切換。實驗結果表明，測量精度能夠保證在±2.5%范圍之內，設計結構簡單，器件選擇價格便宜，能夠滿足工業生產及民用生活的測量需求。

1 絕緣電阻電橋調零測量法工作原理

絕緣電阻測量通常需要高壓直流電源作為測試電源，采用電橋調零法測量，工作原理如圖1所示。U為測試電壓，R1～R4構成測試電橋，RX為待測電阻。

圖1 電橋調零測量原理

由圖1可知：

當RX很大，UX很小時，為了保證A／D轉換精度，需要對UX信號進行放大。若放大器輸出為UXK，放大器的放大倍數為K，則把式（2）寫成：

由式（3）可以看出，對RX的測量與外電壓無關，當給定放大器放大倍數K、電阻R1和R2，電橋平衡時，只需測得U2和UXK，即可算出絕緣電阻的阻值RX。

2 系統組成及其功能

系統主要由高壓產生電路、數據采集、數據處理和數據顯示幾部分組成。系統框圖如圖2所示。工作過程是，待檢測點接入檢測電橋，高壓產生電路產生高壓直流電壓，檢測電橋輸出的電壓信號經放大和轉換后，送入單片機系統，按照式（3），由單片機系統完成數據的處理，完成待測電阻的測量，同時完成存儲和數據顯示。

圖2 系統框圖

2.1 高壓產生電路及設計

絕緣電阻測量需要的高壓500V是通過PWM開關電源控制集成電路SG3524［2］，逆變成交變電壓脈沖，然后經過脈沖變壓器升壓、整流及濾波后得到500V 直流電源［6］。

2.2 采樣及自動換擋電路設計

系統能夠實現寬量程（20kΩ～1 275MΩ）和自動換擋操作。采樣和自動換擋電路如圖3所示。自動換擋是通過單片機控制繼電器自動完成的，高擋輸出UXH可以測量5～1 275MΩ的電阻，低擋輸出UXK可以測量20kΩ～5MΩ的電阻。為了保證量程內的檢測精度不低于2.5%，電路需進行以下調整。

a.組成電橋的電阻需選用精度不低于1%。

b.調節電位器RS1，使B到地支路的總電阻為0.5（1±0.2%）MΩ。

c.調節電位器RS3，使A到地支路的總電阻為5（1±0.2%）MΩ。

電橋平衡調節方法是，短路待測點RX，分別接通高、低兩擋開關，調節RS2和RS4，使U2和UX兩端輸出端間電壓不大于0.5mV。

圖3 電橋調零法高、低擋檢測原理

2.3 程控放大電路設計

為了提高測量精度，實現寬量程和量程自動切換測量，系統采用ICL7650［4］放大器對UX進行適當放大，使被測絕緣電阻在20kΩ～1 275MΩ測量范圍內，輸出測量電壓UX由4V降到16.625mV。電路如圖4所示。

圖4 ICL7650程控放大電路原理

電路由斬波放大器ICL7650、模擬開關4051和電阻網絡組成。模擬開關接單片機P1.0，P1.1，P1.2通過控制信號（由000變到111）實現放大器增益由20到27的8擋變化，從而使A／D轉換器的輸入電壓控制在2～4V范圍內（即實現了被測電阻在20kΩ～1 275MΩ范圍中）。

2.4 軟件設計與實現

絕緣電阻測試系統的電阻測試主要使通過單片機軟件完成的。系統軟件采用模塊設計，主要由初始化模塊、數據處理模塊、自動換擋模塊和顯示模塊組成。其主要流程如圖5、圖6所示。

圖5 主程序流程

圖6 自動換擋流程

3 實驗測試

為了檢驗系統的性能指標，系統分別采用Guildline 9336系列電阻箱、X95直流電阻箱做準確度和線性度測試實驗，電阻箱阻值和實測數據的實驗測試結果如表1所示。

從表1看出，系統的精度在±2.5%的范圍內，達到設計要求；經多次測試反復對比，系統的準確度和線性度表現很穩定。

表1 電阻箱阻值和實測數據比較

4 結束語

電橋調零絕緣電阻測試儀是一種智能測試儀，與傳統搖表和現在高精度儀表相比，量程大（20kΩ～1 275MΩ），可以根據實際情況在量程內自動轉換量程，實現一鍵完成測量和顯示；基于STC89C52單片機控制，與ARM相比，開發成本低，整體系統成本也低；實現測量數據自動保存，可查閱歷史測試記錄；可通過串口實現遠程數據傳送。

［1］ 李志得.一種智能絕緣電阻測試儀設計［J］.電測與儀表，2011，48（545）：63－67.

［2］ 趙振業，郭法樓，段光按.高阻測量儀［J］.電子測量與儀器學報，2000，14（3）：60－63.

［3］ Shao H M，Liang B，Dai K N，et al.High resistance measurement at nim［A］.Proc.of Conference on Precision Electromagnetic Measurements［C］.Sydney，Australia，2000.297－298.

［4］ Fletcher N E，Gibilin S P，Williams J M，et al.New capability for generating and measuring small DC currents at NPL［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2007，56（2）：326－330.

［5］ Tsao S H.Apparatus for accurate DC capacitance－resistance transfer［J］.IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement，1974，23（4）：310－314.

［6］ 翟月華，胡恩華，畢白偉.一種新型智能絕緣測試裝置的設計與應用［J］.鐵道通信信號，2007，43（2）：16－17.