基于PIC單片機(jī)的數(shù)字式絕緣電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

摘要:提出了一種基于PIC單片機(jī)絕緣電阻綜合參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案。采用PIC16F877為控制芯片，結(jié)合經(jīng)典的檢流計(jì)法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕緣電阻的極化指數(shù)、吸收比及電阻值的自動(dòng)測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)記錄并通過LCD顯示或微型打印機(jī)打印。通過該系統(tǒng)的開發(fā)，可以更大程度的提高絕緣電阻測(cè)量的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞:PIC;絕緣電阻;數(shù)字式

中圖分類號(hào):TP338文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(cè)量是我國(guó)計(jì)量法規(guī)定的安全檢測(cè)項(xiàng)目的強(qiáng)檢項(xiàng)目[1]。絕緣電阻測(cè)試儀俗稱兆歐表，是測(cè)量絕緣電阻的專用儀器，傳統(tǒng)的兆歐表(搖表)因其存在操作復(fù)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(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家的升級(jí)產(chǎn)品價(jià)格昂貴，不符合我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)情。數(shù)字式絕緣電阻測(cè)試儀有效的克服的了傳統(tǒng)兆歐表的缺陷，有廣闊的市場(chǎng)前景。這里介紹一種基于PIC單片機(jī)的數(shù)字式絕緣電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，并對(duì)各個(gè)功能模塊作了詳細(xì)介紹。

1 測(cè)試方法與原理

本設(shè)計(jì)采用采用恒壓法與檢流計(jì)法相結(jié)合的測(cè)試方法，其優(yōu)點(diǎn)在于即使測(cè)試電壓存在一定的偏差或者測(cè)試過程中產(chǎn)生波動(dòng)，其測(cè)試結(jié)果并不會(huì)受到影響，因此降低了對(duì)測(cè)試電壓精度的要求，同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)成本。圖1為其測(cè)試原理圖。

圖中，設(shè)高壓產(chǎn)生電路輸出電壓為HV，CH1為標(biāo)準(zhǔn)回路的電壓采集通道，CH2為測(cè)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(cè)試品，設(shè)CH1通道電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為DATA1，CH2為DATA2，則通過計(jì)算最后得到RX的值的計(jì)算公式為:

(1)

由(1)式可以看出，RX的值與測(cè)試電壓無(wú)關(guān)，只要能適當(dāng)?shù)倪x取R1、R2及R3的值就可以準(zhǔn)確的得到被測(cè)試品RX的值。

2 系統(tǒng)概述

基于上述測(cè)試原理，本文提出了基于PIC16F877的數(shù)字式絕緣電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案。該數(shù)字式絕緣電阻測(cè)試儀主要由高壓發(fā)生模塊、采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電源電路、單片機(jī)系統(tǒng)電路、LCD以及微型打印機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)由+12V蓄電池提高電源，可通過充電電路對(duì)其充電，由于單片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，所以可實(shí)時(shí)的對(duì)供電電壓經(jīng)過監(jiān)控，并在LCD上顯示是否欠壓。利用脈沖變壓器及倍壓電路產(chǎn)生恒定的直流高壓作為測(cè)試電壓源，由外部按鍵控制單片機(jī)輸出PWM的占空比，從而獲得不同的電壓等級(jí)，將此電源施加于被測(cè)試品和標(biāo)準(zhǔn)回路;電源分壓信號(hào)和被測(cè)試品取樣信號(hào)經(jīng)濾波電路接到A/D，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果送到單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果送LCD顯示或微型打印機(jī)打印，也可存儲(chǔ)于單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM，以備查詢。

3 系統(tǒng)的硬件組成

3.1 直流高壓電源電路

測(cè)試所需的高壓電源由脈沖變壓器及倍壓電路產(chǎn)生[3]，通過單片機(jī)輸出PWM來(lái)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(jīng)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(jìn)行升壓，然后通過由C1、D1、C2、D2等組成的倍壓電路再進(jìn)行升壓和整流，單片機(jī)輸出占空比可調(diào)的PWM波，通過改變此占空比，達(dá)到改變輸出直流電壓的目的，在本系統(tǒng)中可設(shè)定為固定電壓輸出，也可步進(jìn)電壓增益輸出。

3.2 信號(hào)調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過采樣電路的信號(hào)不能直接送A/D轉(zhuǎn)換電路，必須要進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理，這里主要指信號(hào)放大和濾波。為此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于OP07的有源放大電路和π型濾波電路。經(jīng)過調(diào)理后的信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換電路，具體電路圖如圖3所示。

A/D轉(zhuǎn)換器件選用ADI公司的AD7705，這是一款16位的AD轉(zhuǎn)換器，雙通道同步采樣，非常適合測(cè)量低頻微小模擬信號(hào)，這款器件帶有自增益可編程放大器，可以通過軟件編程來(lái)直接測(cè)量傳感器輸出的微小信號(hào)。AD7705具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍廣、自校準(zhǔn)等特點(diǎn)，因而非常適合用在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)AD7705能夠測(cè)量的最小電壓可達(dá)到1 ，所以從采樣電阻采集的小信號(hào)可以直接送到AD，它的這種特性避免了在測(cè)量回路過多的設(shè)計(jì)采樣電阻;AD7705具有獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)，可以通過外接晶振來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這里我們選擇2.4596MHz，它能有效的避開工頻的干擾;實(shí)踐證明，這款A(yù)/D非線性失真低，抗干擾能力較強(qiáng)，能對(duì)微小信號(hào)有效的測(cè)量。

3.3 電源模塊及監(jiān)控

考慮到儀器的便攜性，采用12V蓄電池為本系統(tǒng)供電，由于單片機(jī)系統(tǒng)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(lái)完成+12V變+5V和-5V，具體型號(hào)為B1205S-2W，這款DC/DC模塊能保證即使在輸入為+10V～+14V時(shí)，輸出仍能保持在+5V，保證了單片機(jī)能在系統(tǒng)欠壓的情況下正常工作，而且最大的優(yōu)點(diǎn)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(tǒng)的工作時(shí)間。

對(duì)系統(tǒng)的電源的監(jiān)控，設(shè)計(jì)了基于LM311的比較器電路，單片機(jī)可實(shí)時(shí)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(jī)電路

LCD顯示器選擇型號(hào)為L(zhǎng)CM12864，是帶國(guó)際中文字庫(kù)圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示四行，沒行可顯示八個(gè)漢字，電源操作范圍寬(2.7～5.5V)，低功耗設(shè)計(jì)可滿足本系統(tǒng)省電的要求，同時(shí)與單片機(jī)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(shù)據(jù)手冊(cè)。

打印機(jī)選擇型號(hào)為SP-1201，此款打印機(jī)具有打印16*16，24*24點(diǎn)陣漢字，以及大量的數(shù)學(xué)符號(hào)，專用符號(hào)，圖形，曲線，可通過命令更換打印字行數(shù)和字符大小，可以自定義部分代碼字符，具有自檢測(cè)功能。打印機(jī)與單片機(jī)接口采用通過通用異步串行口(UART)，電平轉(zhuǎn)換使用MAX232，這樣避免了并行接口對(duì)單片機(jī)I/O的要求，在程序設(shè)計(jì)時(shí)更加靈活。電路原理圖如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們對(duì)功率為5.5KW的三相交流電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，使用不同的電壓檔對(duì)同一被測(cè)試品測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:

從以上數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)量系統(tǒng)在不同的電壓等級(jí)和相對(duì)濕度下，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)充分利用了PIC單片機(jī)的低功耗，高集成度，優(yōu)良的抗干擾能力，使設(shè)計(jì)出的這款儀器具有低功耗，小體積，利于便攜等特點(diǎn)。儀器可在無(wú)人職守的情況下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。

目前，此款產(chǎn)品已經(jīng)研發(fā)成功，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均符合國(guó)家規(guī)定，并已投放市場(chǎng)，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn):

[1] 李建明，朱康.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法[M].北京:中國(guó)電力出版社，2001.

[2] 陽(yáng)海華，吳智銘.PC27-1數(shù)字式自動(dòng)量程絕緣電阻表的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2003(12):24-26.

[3] 張里.現(xiàn)代電力電子基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，1999.