基于MSP430的绝缘电阻测量系统设计

蒋久芳

摘 要

目前，对电气设备的绝缘电阻测试的仪表主要是机械式的兆欧表，该类型的兆欧表测试电压单一、量程低、精度低。本系统以单片机为控制核心，控制高压稳压源模块根据绝缘电阻的阻值输出相对应的高压值，高压加在被测电阻和采样标准电阻上，通过A/D转换将采样电阻的电压转换成数字量，然后送给单片机处理并让液晶显示测量结果。通过实际测试验证，该绝缘电阻测试仪具有较高的测量范围和测量精度。

关键词

绝缘电阻;兆欧表;单片机

中图分类号： TM934        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.016

Abstract

At present，the instruments for testing the insulation resistance of electrical equipment are mainly mechanical megohmmeters.This type of megohmmeter has a single test voltage，low range and low accuracy.This system uses the single chip microcomputer as the control core，and controls the high voltage regulator source module to output high voltages of different gears according to the insulation resistance.Converted into digital quantity，and then sent to the single-chip microcomputer for processing and let the LCD display the measurement results.Through actual test verification，the insulation resistance tester has a higher measurement range and measurement accuracy.

Key Words

Insulation resistance;Megohmmeter;Single chip microcomputer

1 緒论

电气设备主要是由绝缘材料、导电材料等构成的[1]。随着社会的进步和科学技术的发展，电气设备在各个领域中扮演着重要的角色，其绝缘性的好坏往往决定整个电气设备的寿命，当其绝缘性受到破坏时，可能会导致设备不能正常工作、甚至引起火灾、人员伤亡等严重后果，严重损坏企业的经济利益和威胁工作人员的人身安全。因此，为了更加准确可靠的测量电气设备的绝缘性的好坏，及时发现绝缘性隐患从而避免事故的发生，必须不断研究先进的绝缘电阻检测技术，开发出测量范围更广的、精度更高的绝缘电阻测试仪，这具有极其重要的意义[2][3]。

绝缘电阻是由绝缘物质组成的电阻，绝缘物质在强度大的电压下，可能会使其被击穿从而丧失绝缘性。因此，电气设备的绝缘选择必须要与电压等级相配合以及与使用环境相适应，以保证绝缘的安全作用[4][5]。绝缘电阻在高压的作用下，此时绝缘电阻可能会产生泄漏电流、吸收电流和电容充电电流[6]。吸收电流和电容充电电流会随着时间会逐渐消失，然而，漏电电流则会一直存在。因为漏电电流一直存在，所以要想测量绝缘电阻的大小，必须测量漏电电流的大小。绝缘电阻是对电气设备的最基本的绝缘指标，测量出来的电阻的大小，直接关系着设备的安全性，或者设备使用者的安全性[7][8]。

2 系统硬件设计

本系统的设计方案是以单片机MSP430为控制核心，控制高压稳压源模块根据绝缘电阻的阻值输出相对应的高压值，高压加在被测电阻和采样标准电阻上，通过A/D转换将采样电阻的电压转换成数字量，然后送给单片机处理并让液晶显示测量的数据结果。其系统的总体框图如图1所示。

2.1 高频高压稳压源的设计

高频高压稳压源模块是绝缘性测试中重要的模块之一，如图2所示为高频高压稳压源原理框图。主要包含以下几个模块。

（1）PWM控制电路，根据绝缘性测试的需要形成相应的、具有一定占空比的脉冲波。

（2）功率驱动电路与高频变压器，利用场效应管的开关特性，将电能从变压器的原线圈传到副线圈。

（3）倍压整流电路，将变压器副线圈上的交流电压转换为直流电压。

（4）输出电压反馈电路，将输出电压反馈给PWM形成与控制电路从而调节脉冲的占空比使系统输出稳定的高的直流电压。

2.2 电阻分压电路

如图3为电阻分压电路，其中电阻R116、R116_1、R117、R 117_1、R118、R118_1为标准的采样电阻，他们分别与被测绝缘电阻进行串联，从而实现电阻分压。因为ADS1110最大的输入电压为-2.048V至+2.048V，所以采样电阻上的采样电压的范围为10mV-2V。

2.3 信号采集电路

本文设计的绝缘电阻测试仪最大测量阻值为5GΩ，最大的测试电压是1000V，那么最小的测试电流为20μA。为了满足采样电路的需要，则系统中的最大采样电阻为10mV/20μA =50kΩ，所以采样电阻的阻值分别为0.5kΩ、5kΩ、50kΩ，并且为了提高系统的精度用两个电阻并联得出采样电阻的阻值。信号采集电路如图4所示。

2.4 A/D转换电路

如图5为ADS1110的电路原理图，采样电压首先经过电压跟随器，才进入ADS1110的电压输入端，这是因为ADS1110内部的可编程增益放大器的输入阻抗很低，采样电压直接接入 ADS1110的电压输入端时，这会增大A/D转换的转换误差。因此，采样电压经过具有高输入阻抗的电压跟随器，可以减少转换误差从而提高测量精度。

3 绝缘性的测试与分析

本系统进行绝缘电阻测量校准时，主要使用了校准仪器ZX79F型兆欧表标准电阻器。它所能承受最大的测试电压为5000V、量程为100Ω～100GΩ、精度为0.5%，而本文设计的绝缘电阻测试仪的最大输出的测试电压为1000V、测量范围为10MΩ～5GΩ、精度为5%，所以它可以作为本系统进行绝缘行测试的校准仪器。通过对ZX79F型兆欧表标准电阻器上的电阻进行测量来验证本系统的绝缘性测试性能是否符合要求本文最初的设计指标。它的测量数据如表1所示：

由表1可知，本系统的测量结果相对误差在2%以内。存在误差的原因主要有：

（1）系统设计的高频高压稳压源输出的电压不够稳定。

（2）系统使用的采样电阻的精度不够高。

（3）ZX79F型兆欧表标准电阻器中的电阻本身就存在误差。为了减少误差，应该使用更高精度的标准仪器，同时优化系统的硬件设计和软件设计。

4 结论

对电气设备进行绝缘电阻值测量是检查电气设备是否存在缺陷，为电气设备的正运行和工作人员的人身安全提供了可靠的保证。本系统以MSP430F437为控制核心，搭建绝缘电阻测试仪硬件平臺，实现对绝缘电阻10MΩ～5GΩ的测量，并且测量误差在2%之内，与传统的兆欧表相比，该绝缘电阻测试仪具有自动化测量、精度高、量程广等优点。

参考文献

[1]董海洋，杨玉新，罗羽，等.基于STM32的电动汽车绝缘电阻检测系统设计[J].电子设计工程，2019，27（19）： 180-183+188.

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[3]宋仔标，崔洪亮，高倩，等.基于网络的绝缘导通电阻自动测试系统[J].电子产品世界，2019，26（06）：35-37.

[4]于洋，吕惠，黄俊芳.电动汽车绝缘电阻精确测量方法研究与验证[J].北京汽车，2018（06）：43-46.

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[8]蔡启仲，邹光波.绝缘电阻测试仪高压可控电源与量程切换电路设计[J].自动化与仪器仪表，2012（01）：98-99+101.