北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 曹愿棟 吳小林 李默涵 梁鈞峰

本文介紹了一種依據(jù)MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)出來的絕緣電阻測(cè)試儀，主要描述了各部分電路的組成以及它們的主要功能。此設(shè)計(jì)主要用的是單片機(jī)的控制芯片，結(jié)合串聯(lián)分壓的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕緣電阻阻值的自動(dòng)測(cè)量，并能夠通過LCD顯示出來。采用此種方法設(shè)計(jì)的絕緣電阻測(cè)試儀體積小，功耗低，精度高。

一、應(yīng)用背景

隨著全球電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，絕緣工程技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。衡量電力電子器件絕緣性能優(yōu)劣的重要參數(shù)是絕緣材料的絕緣電阻的大小。并且絕緣材料的電阻是我國計(jì)量法所規(guī)定的電氣安全檢測(cè)項(xiàng)目中尤為關(guān)鍵的一項(xiàng)指標(biāo)。絕緣電阻測(cè)量儀是用來檢測(cè)變壓器、電機(jī)、電纜以及其它的電力電子設(shè)備或者其它的絕緣材料的絕緣電阻的多功能儀表。本儀器能提供多種測(cè)試電壓，采用了國際上最先進(jìn)的電子器件，可廣泛用于排除障礙、電路試運(yùn)行、機(jī)器預(yù)防性維護(hù)等各種應(yīng)用領(lǐng)域。與其他智能電子絕緣材料電阻測(cè)量儀和手搖式絕緣材料電阻測(cè)量儀相比。本絕緣材料電阻測(cè)量儀具有測(cè)量精度高、分辨力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、讀數(shù)穩(wěn)定性好、體積小攜帶、使用方便、電池通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

二、工作原理

該數(shù)字式絕緣測(cè)試儀主要由產(chǎn)生高壓電源的電路模塊，數(shù)據(jù)采樣模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理模塊，量程切換模塊，MSP430F149系統(tǒng)模塊和LCD顯示模塊組成，它的主要工作機(jī)制如圖1所示：

圖1 絕緣電阻測(cè)試儀工作原理圖

此系統(tǒng)由高壓電源模塊產(chǎn)生1000V的高壓電流作為儀器的測(cè)試電源，采用恒壓法來測(cè)量電阻的阻值。電源分壓信號(hào)接到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入端（An），取樣電壓接到基準(zhǔn)電壓輸入端（VeREF+）。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后輸出到LCD顯示模塊。用戶根據(jù)LCD顯示值的大小可以選擇合適的量程來測(cè)量。因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部有A/D轉(zhuǎn)換器模塊，所以不需要外部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

三、硬件系統(tǒng)

1.直流高壓電源發(fā)生模塊（高頻高壓開關(guān)穩(wěn)壓電源）

在本系統(tǒng)中由于直流高壓電源輸出的電流很小，電壓很大所以選擇成本較低，適合小功率的單端反擊式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（推挽式、半橋式、全橋式）。本測(cè)試電路采用12V的電源供電，利用芯片（TL494、TL594、SG3525）產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波，通過PWM波形成交流電壓。將交流電壓送入一定匝數(shù)比的變壓器，再通過倍壓、整流將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?，產(chǎn)生穩(wěn)定的范圍在500V-1000V的5個(gè)直流高壓。

2.電阻分壓電路

測(cè)量絕緣材料的電阻值，就是對(duì)微小的電流或者微小的電壓進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)串聯(lián)電阻分壓的原理，我們將直流高壓電源發(fā)生模塊輸出的500V-1000V直流高壓，通過串聯(lián)分壓的方法變?yōu)锳/D轉(zhuǎn)換器可接收的小電壓。

串聯(lián)分壓法原理如圖2所示：Rf、Rs均為標(biāo)準(zhǔn)電阻

圖2 串聯(lián)分壓法原理圖

Uo：直流高壓電源輸出電壓；U：采樣電壓；Rx：被測(cè)的絕緣電阻；

Rs：采樣電阻；Rf：限流電阻（防止Rx短路）

當(dāng)直流高壓電源的輸出電壓接入電路時(shí)，采樣電壓會(huì)采集到相應(yīng)的電壓值，隨著被測(cè)絕緣電阻Rx的變化，采樣電阻上也會(huì)隨之得到不同的電壓值，根據(jù)采樣電阻的電壓值變化，我們可以得到被測(cè)絕緣電阻的大小。公式為：由于采樣電壓是電路中主要的誤差來源所以要對(duì)采樣電壓U進(jìn)行濾波。

3.模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊有專門的電路實(shí)現(xiàn)，這部分電路的功能就是將分壓電路產(chǎn)生的輸出信號(hào)通過單位增益的方式傳遞給A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)將電阻分壓電路上的可能產(chǎn)生的高壓沖擊限制或減緩到信號(hào)采集電路的前端部分，使單片機(jī)能夠有充分的時(shí)間將高壓開關(guān)電源輸出的電壓降至安全電壓。

4.采樣和量程切換模塊

用恒壓法測(cè)量電阻有它獨(dú)特的的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)基準(zhǔn)電壓在測(cè)量過程中存在一些誤差時(shí)，并不會(huì)增加測(cè)量的誤差，這自然而然的就降低了對(duì)基準(zhǔn)電壓的要求

如圖3所示為單片機(jī)與采樣電路的簡(jiǎn)易電路圖：

圖3 單片機(jī)與采樣電路的簡(jiǎn)易電路圖

假設(shè)高壓電源產(chǎn)生的高電壓為U，取樣的電壓為V，輸入到了單片機(jī)里邊的A/D轉(zhuǎn)換模塊中的引腳（VeREF+），至于高壓分壓信號(hào)V，它可以接到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的隨意一個(gè)外部模擬信號(hào)的輸入通道。

根據(jù)圖2所示，由歐姆定律可得：

即：

所以只要能夠得到U/V的值，便可以計(jì)算得到絕緣電阻的阻值大小了。通過如上圖的接法，由單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出一個(gè)和VU與VX都有關(guān)的中間量D（這樣可以消除測(cè)量電壓對(duì)結(jié)果的影響）。我們可以根據(jù)D的大小計(jì)算出來絕緣電阻的大小，選取適當(dāng)?shù)腞1，R2的值，根據(jù)被測(cè)電阻的大小，再選取適當(dāng)?shù)腞3的值。以為電壓源用的是1000V高壓的電壓源，而單片機(jī)的電源供電電壓卻很低，所以要求R1＞＞R2，上邊的電路選的值是R1=5M歐姆，R2=5k歐姆。

至于量程的切換過程，那就是選取合適的R1大小的過程，此電路提供了有4個(gè)量程，分別是200～2000M歐姆，20～200M歐姆，2～20M歐姆和0.2～2M歐姆，基準(zhǔn)電壓分別是2000K歐姆，200K歐姆，20K歐姆和2K歐姆。為了保護(hù)單片機(jī)的管腳，以防R1短路，在Vx接入VeREF+管腳之前，必須接入一個(gè)2.5V的穩(wěn)壓管。

四、MSP430軟件部分

軟件部分的主要作用就是對(duì)絕緣材料電阻進(jìn)行測(cè)試。利用按鍵切換直流電壓的量程，與此同時(shí)A/D模塊采集計(jì)算所需的電壓值。但是由于采集到的直流電壓值不可避免的會(huì)有誤差值，所以必須將采集到的直流電壓值做濾波處理，最終得到濾波后的誤差值在接受范圍內(nèi)的直流電壓值，根據(jù)此值進(jìn)行絕緣材料電阻的計(jì)算。這里需要注意的是，當(dāng)測(cè)量電阻較大時(shí)，電阻會(huì)發(fā)生一些變化，它會(huì)呈現(xiàn)出一定的電容特性，并且測(cè)量的時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，15S或者60秒是最適合的測(cè)量時(shí)間。

針對(duì)電路需要實(shí)現(xiàn)的特定功能，這里采用了模塊法編程的方法。主要實(shí)現(xiàn)的功能就是A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及通過LCD進(jìn)行對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示，所以軟件部分包括了一主二次三個(gè)程序，主程序的功能就是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘以及調(diào)用子程序等功能。A/D轉(zhuǎn)化的程序主要完成數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后利用測(cè)量出的電壓值計(jì)算出絕緣電阻的實(shí)際阻值，然后放入特定的儲(chǔ)存器，LCD驅(qū)動(dòng)和顯示程序接著就需要從儲(chǔ)存器中取出數(shù)據(jù)，通過一些轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)的最終顯示。

LCD顯示電路中主要構(gòu)成模塊是LCD驅(qū)動(dòng)器HT1621，它有很多優(yōu)點(diǎn)，首先它是可以編程的，可以用代碼控制顯示內(nèi)容；其次它本身具有數(shù)據(jù)模式和命令模式兩種；它的顯示段與RAM中的數(shù)據(jù)位一一對(duì)應(yīng)，所以只需要將需要顯示的數(shù)據(jù)的段碼按照數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)的輸入進(jìn)RAM中就可以實(shí)現(xiàn)LCD的功能。單片機(jī)采用的是串行的方式與HT1621傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)P4.2管腳有寫允許信號(hào)時(shí)，DATA管腳就會(huì)從高位到低位接收到需要顯示的數(shù)據(jù)。每當(dāng)執(zhí)行完畢一條指令，下條指令執(zhí)行前應(yīng)該對(duì)串口進(jìn)行一次初始化，下一條指令將在正脈沖的下降沿開始執(zhí)行。

五、結(jié)語

該儀器充分的利用了MSP430F149單片機(jī)的低功耗，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使之這款儀器具有能耗低，體積小便于攜帶，精度高，可長時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn)，我們已開發(fā)出樣機(jī)并且實(shí)驗(yàn)成功。