一種簡易功率測量裝置的設(shè)計(jì)

摘 要：本設(shè)計(jì)以MSP430F5529芯片為核心，設(shè)計(jì)并制作一種簡易功率測量裝置，用于測量交流或直流電源負(fù)載上的功率，并實(shí)時(shí)數(shù)字顯示該功率值。該裝置能自動(dòng)識(shí)別交流和直流供電，并自動(dòng)選擇量程。當(dāng)采用直流供電時(shí)，誤差小于1%。當(dāng)采用交流供電時(shí)，誤差小于5%。該裝置的功耗約為0.6W。系統(tǒng)主要由5V電源供電，分別采樣電壓或電流值，將電壓或電流通過ADS1255進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并使用SPI總線傳輸?shù)組SP430F5529單片機(jī)上進(jìn)行處理，并通過SPI總線顯示在OLED12864液晶屏上。

關(guān)鍵詞：MSP430F5529最小系統(tǒng)；ADS1255模塊；OLE12864

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

由于功率=電壓*電流，通過檢測電壓和電流來計(jì)算功率。由于電流=電壓/電阻，通過精密電阻，將電流轉(zhuǎn)換成電壓。因此電流檢測就轉(zhuǎn)換為電壓檢測。系統(tǒng)由AC電源和DC電源進(jìn)入采集電路，采樣電路將電壓值傳給ADS1255模塊進(jìn)行模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后的電壓和電流進(jìn)行計(jì)算功耗，并通過SPI總線將計(jì)算后的數(shù)據(jù)發(fā)送給MSP430F5529單片機(jī)，單片機(jī)讀取計(jì)算后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 采樣電路設(shè)計(jì)

直流電壓范圍為0～30V。由于ADS1255的參考電壓是2.5V，因此需要進(jìn)行分壓。直流電壓分為兩個(gè)檔，當(dāng)0-5V時(shí)，進(jìn)行檔位切換，保證輸入運(yùn)算放大器的電壓不超過2.5V。運(yùn)算放大器是一個(gè)同相加法電路，將電壓提升2.5V，保證在1～5V交流電時(shí)也是正電壓。由于參考電壓是2.5V，而電壓檔為0～5V和5～30V。所以至少分壓倍數(shù)1/2倍和1/12倍。具體電路圖如圖2所示。

3 比較電路

交流電壓是50Hz的正弦波。輸入電壓與2.5V直流電壓進(jìn)行比較，當(dāng)in_V小于2.5V時(shí)，證明是交流電壓的下降沿，比較器就產(chǎn)生一個(gè)下降沿，輸入給P20引腳，觸發(fā)單片機(jī)IO口中斷。單片機(jī)檢測到這個(gè)中斷，就啟動(dòng)交流電壓的檢測算法。電路圖如圖3所示。

4 繼電器電路

繼電器的公共端接r1，NC端（常閉）接分壓電路的com端。單片機(jī)一上電，P22輸出高電平，r1連接NO端（常開），分壓倍數(shù)為12.2倍。隨著輸入電壓的改變，當(dāng)單片機(jī)處理完電壓值，檢測到輸入電壓小于5V時(shí)，控制繼電器電路，P22引腳輸出低電平，繼電器斷開，r1與com相連，短接R5、R6、R12和R15，分壓倍數(shù)為2倍。這樣設(shè)計(jì)的目的是因?yàn)檠b置處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，電壓會(huì)在0v左右波動(dòng)，將會(huì)自動(dòng)切換在5V檔位。這時(shí)繼電器處于關(guān)閉狀態(tài)的，從而降低整個(gè)裝置的功耗。繼電器電路的電路圖如圖4所示。

5 電源電路

裝置由12V鋰電池供電，分別轉(zhuǎn)換出5V，2.5V和3.3V，如圖5所示。

6 程序設(shè)計(jì)

程序開始運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉看門狗，進(jìn)行ADS1255初始化、OLE12864D初始化、顯示“量程、電壓”等固定漢字。ADS1255采集電壓和電流值，通過SPI總線發(fā)送給MSP430F5529單片機(jī)，程序獲取電壓和電流并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)采集的電壓值選擇是否開啟繼電器進(jìn)行檔位切換，并將轉(zhuǎn)換后的電壓和電流進(jìn)行計(jì)算功率。根據(jù)功率大小，選擇量程，將計(jì)算后的數(shù)據(jù)發(fā)送給OLED12864進(jìn)行顯示。流程圖如圖6所示。詳細(xì)流程圖見附錄2。

7 結(jié)束語

簡易功率測量裝置集24位AD轉(zhuǎn)換、繼電器換擋控制、IO口中斷和液晶顯示于一體，具有SPI總線結(jié)構(gòu)，數(shù)字量輸出，測量精度高，穩(wěn)定性好。其能測量交流或直流電源負(fù)載上的功率，能自動(dòng)識(shí)別交流和直流供電，并自動(dòng)選擇量程。當(dāng)采用直流供電時(shí)，誤差小于1%。當(dāng)采用交流供電時(shí)，誤差小于5%。該裝置功耗低，約為0.6W，適合于長時(shí)間測量，使用方便可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]《MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用——MSP430F5xx＼6xx系列單片機(jī)入門提高與開發(fā)》任保宏徐科軍著.電子工業(yè)出版社.2014.1

[2]《電子設(shè)計(jì)指南》孫肖子等.高等教育出版社.2006.1

[3]《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》楊素行.高等教育出版社.2006.5

作者簡介

王玲（1988-），女，漢族，重慶璧山人，碩士研究生，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)控制。