基于STC89C52的500V绝缘电阻测试系统设计与实现

黄双成，李志伟

（河南化工职业学院机械电子系，河南 郑州450000）

0 引言

对电气设备的绝缘性能测试已经成为电力系统一个分支学科，绝缘电阻的测试仪表已经成为国家强制检定的计量仪表，广泛应用在工业生产和民用生活中。关于绝缘电阻测试的文献和科研测试成果更新很快，参考文献［1－3］论述了基于高阻电桥或反馈电阻的传统绝缘电阻测试方法。目前，比较先进的方法是基于积分原理静电设计的超高绝缘电阻测试方法［4－5］。

采用电桥调零测量法，并基于STC89C52单片机进行系统控制，设计了绝缘电阻测试系统。实现对低阻范围（20kΩ～5MΩ）和高阻范围（5～1 275 MΩ）的分段测试，并且能够实现挡位的自动切换。实验结果表明，测量精度能够保证在±2.5%范围之内，设计结构简单，器件选择价格便宜，能够满足工业生产及民用生活的测量需求。

1 绝缘电阻电桥调零测量法工作原理

绝缘电阻测量通常需要高压直流电源作为测试电源，采用电桥调零法测量，工作原理如图1所示。U为测试电压，R1～R4构成测试电桥，RX为待测电阻。

图1 电桥调零测量原理

由图1可知：

当RX很大，UX很小时，为了保证A／D转换精度，需要对UX信号进行放大。若放大器输出为UXK，放大器的放大倍数为K，则把式（2）写成：

由式（3）可以看出，对RX的测量与外电压无关，当给定放大器放大倍数K、电阻R1和R2，电桥平衡时，只需测得U2和UXK，即可算出绝缘电阻的阻值RX。

2 系统组成及其功能

系统主要由高压产生电路、数据采集、数据处理和数据显示几部分组成。系统框图如图2所示。工作过程是，待检测点接入检测电桥，高压产生电路产生高压直流电压，检测电桥输出的电压信号经放大和转换后，送入单片机系统，按照式（3），由单片机系统完成数据的处理，完成待测电阻的测量，同时完成存储和数据显示。

图2 系统框图

2.1 高压产生电路及设计

绝缘电阻测量需要的高压500V是通过PWM开关电源控制集成电路SG3524［2］，逆变成交变电压脉冲，然后经过脉冲变压器升压、整流及滤波后得到500V 直流电源［6］。

2.2 采样及自动换挡电路设计

系统能够实现宽量程（20kΩ～1 275MΩ）和自动换挡操作。采样和自动换挡电路如图3所示。自动换挡是通过单片机控制继电器自动完成的，高挡输出UXH可以测量5～1 275MΩ的电阻，低挡输出UXK可以测量20kΩ～5MΩ的电阻。为了保证量程内的检测精度不低于2.5%，电路需进行以下调整。

a.组成电桥的电阻需选用精度不低于1%。

b.调节电位器RS1，使B到地支路的总电阻为0.5（1±0.2%）MΩ。

c.调节电位器RS3，使A到地支路的总电阻为5（1±0.2%）MΩ。

电桥平衡调节方法是，短路待测点RX，分别接通高、低两挡开关，调节RS2和RS4，使U2和UX两端输出端间电压不大于0.5mV。

图3 电桥调零法高、低挡检测原理

2.3 程控放大电路设计

为了提高测量精度，实现宽量程和量程自动切换测量，系统采用ICL7650［4］放大器对UX进行适当放大，使被测绝缘电阻在20kΩ～1 275MΩ测量范围内，输出测量电压UX由4V降到16.625mV。电路如图4所示。

图4 ICL7650程控放大电路原理

电路由斩波放大器ICL7650、模拟开关4051和电阻网络组成。模拟开关接单片机P1.0，P1.1，P1.2通过控制信号（由000变到111）实现放大器增益由20到27的8挡变化，从而使A／D转换器的输入电压控制在2～4V范围内（即实现了被测电阻在20kΩ～1 275MΩ范围中）。

2.4 软件设计与实现

绝缘电阻测试系统的电阻测试主要使通过单片机软件完成的。系统软件采用模块设计，主要由初始化模块、数据处理模块、自动换挡模块和显示模块组成。其主要流程如图5、图6所示。

图5 主程序流程

图6 自动换挡流程

3 实验测试

为了检验系统的性能指标，系统分别采用Guildline 9336系列电阻箱、X95直流电阻箱做准确度和线性度测试实验，电阻箱阻值和实测数据的实验测试结果如表1所示。

从表1看出，系统的精度在±2.5%的范围内，达到设计要求；经多次测试反复对比，系统的准确度和线性度表现很稳定。

表1 电阻箱阻值和实测数据比较

4 结束语

电桥调零绝缘电阻测试仪是一种智能测试仪，与传统摇表和现在高精度仪表相比，量程大（20kΩ～1 275MΩ），可以根据实际情况在量程内自动转换量程，实现一键完成测量和显示；基于STC89C52单片机控制，与ARM相比，开发成本低，整体系统成本也低；实现测量数据自动保存，可查阅历史测试记录；可通过串口实现远程数据传送。

［1］ 李志得.一种智能绝缘电阻测试仪设计［J］.电测与仪表，2011，48（545）：63－67.

［2］ 赵振业，郭法楼，段光按.高阻测量仪［J］.电子测量与仪器学报，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］ 翟月华，胡恩华，毕白伟.一种新型智能绝缘测试装置的设计与应用［J］.铁道通信信号，2007，43（2）：16－17.