一種電能測量實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

張 琪

一種電能測量實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

張 琪

張 琪 馮占飛 宋保業(yè)

山東科技大學(xué)

張琪（1992-）女，山東德州，漢族，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎鉁y量技術(shù)；馮占飛（1990-），男，山東聊城，漢族，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎鉁y量技術(shù)；宋保業(yè)（通訊作者）（1982-）男，山東青島，漢族，博士，講師，主要研究方向?yàn)樽詣踊c測控技術(shù)。

針對當(dāng)前電氣測量技術(shù)課程中存在的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的問題，設(shè)計(jì)了一套基于超低功耗微控制器MSP430F149的低成本、結(jié)構(gòu)簡單的電能測量實(shí)驗(yàn)裝置。介紹了實(shí)驗(yàn)裝置的硬件設(shè)計(jì)，并對其功能及實(shí)驗(yàn)例程作了闡述。將該實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用于電氣測量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于學(xué)生掌握電能測量流程，對交流采樣、采樣信號處理、液晶顯示等方面知識有更好的理解。

“電氣測量技術(shù)”是電氣類專業(yè)本科生的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，如何通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)使學(xué)生更好地掌握電氣測量的基本原理和方法以及現(xiàn)代數(shù)字化電氣測量技術(shù)，是實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。

本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的電能測量實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗低，可實(shí)現(xiàn)交流電參數(shù)的測量和顯示。通過該實(shí)驗(yàn)裝置可使學(xué)生熟悉常用電氣量測量的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，并可對常用采樣算法進(jìn)行驗(yàn)證和對比。

實(shí)驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)

為使學(xué)生掌握電能參數(shù)測量的各個(gè)環(huán)節(jié)，本實(shí)驗(yàn)裝置將系統(tǒng)供電、信號采樣、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)顯示等分成不同模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電能測量裝置結(jié)構(gòu)框圖

該實(shí)驗(yàn)裝置的組成模塊及其作用總結(jié)如下：

（1）單片機(jī)MSP430F149是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制、調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的工作；

（2）電源模塊由計(jì)算機(jī)USB口供電，通過電平轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)其它模塊提供所需電壓；

（3）信號采樣模塊將被測交流電壓和電流轉(zhuǎn)換成小電壓，以方便后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號處理；

（4）信號調(diào)理模塊的作用是穩(wěn)定采樣信號，提高信號的抗干擾能力；

（5）參數(shù)顯示模塊主要用于循環(huán)顯示被測交流電參數(shù)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控芯片介紹

針對實(shí)驗(yàn)的需要和低成本設(shè)計(jì)的要求，控制器采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)。該芯片采用了TI公司最新低功耗技術(shù)，是一款低電壓、超低功耗單片機(jī)，具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，擁有大容量的儲存空間，存儲器方面包括多達(dá)60k Flash ROM和2k RAM，如此數(shù)量的存儲空間完全可以滿足程序及數(shù)據(jù)的需要。另外，MSP430F149單片機(jī)外圍模塊豐富，完全能夠適應(yīng)高穩(wěn)定性、高可靠性電能測量裝置設(shè)計(jì)的需要。

電源模塊

該模塊是將計(jì)算機(jī)USB口的5V電壓引入，5V電壓一方面給運(yùn)放芯片和液晶供電，另一方面給其它穩(wěn)壓部分供電，電路圖如圖2所示。

圖2中，AMS1117為3.3V穩(wěn)壓芯片，經(jīng)其穩(wěn)壓得到的3.3V電壓為MSP430單片機(jī)供電。LM317是三端可調(diào)正穩(wěn)壓器，輸出電壓范圍為1.2V到37V，可通過調(diào)節(jié)電阻R2的大小來改變LM317輸出電壓，該電壓主要用于抬高采樣信號電壓。

信號采樣電路

采樣電路分為電壓采樣電路和電流采樣電路兩部分。系統(tǒng)將交流電接入，實(shí)驗(yàn)中可自行選擇負(fù)載。電壓、電流采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓、電流采樣電路

圖3中，電壓采樣電路采用的是1000：1000的電流型電壓互感器，在互感器一次側(cè)串聯(lián)一個(gè)220k ?的電阻，在互感器二次側(cè)并聯(lián)一個(gè)1k ?的電阻，在所測電壓為220V時(shí)可得到有效值約為1V電壓采樣信號。電流采樣電路采用的是1A/1.5mA的電流互感器和680?并聯(lián)電阻，在電流為1A時(shí)，可得到1.02V的電壓信號。MSP430F149的A/D轉(zhuǎn)換器無法轉(zhuǎn)換負(fù)電壓信號，可從電源模塊中的可調(diào)電壓部分接入電壓到R2和R4的一端，以抬升電壓，這樣經(jīng)互感器得到的電壓就可以滿足單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的要求。

采樣信號調(diào)理電路

從采樣電路得到的電壓信號抗干擾能力較差，為解決此問題采取如下措施：首先，將電壓信號接電壓跟隨器，從而輸出電壓與輸入電壓同相，輸入電阻變大，輸出電阻降低，相當(dāng)于一個(gè)理想阻抗變換器，起到了緩沖隔離的作用，驅(qū)動A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換；然后，為了穩(wěn)定波形和去除噪聲，電壓跟隨器輸出端通過一個(gè)680?電阻和一個(gè)0.1uF電容與地相連，這樣就可以得到穩(wěn)定的電壓信號，其電路圖如圖4所示。

圖4 采樣信號調(diào)理電路

實(shí)驗(yàn)中可在比較器LM393負(fù)輸入端接入相應(yīng)的直流電壓，這樣就可以將電壓跟隨器輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換為同周期的矩形信號，以此求得電壓頻率。實(shí)驗(yàn)中可將三路電壓信號接入單片機(jī)合適的端口上。

電能參數(shù)顯示模塊

實(shí)驗(yàn)裝置提供了兩種液晶屏，分別為1602液晶和12864液晶。其中，1602液晶是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，能夠同時(shí)顯示16×2（16列2行）即32個(gè)字符，具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的特點(diǎn)，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。12864液晶也是一種點(diǎn)陣型液晶模塊，其顯示分辨率為128×64，能顯示8×4個(gè)漢字，功能較1602強(qiáng)大，但在編程使用方面，兩者原理相似，都是寫指令、寫地址、寫數(shù)據(jù)等等。實(shí)驗(yàn)中可任意選擇液晶顯示屏。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)舉例

利用電能測量實(shí)驗(yàn)裝置可以完成一些與電能測量相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，如頻率、電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)測量實(shí)驗(yàn)，也可以在此裝置上加擴(kuò)展電路以實(shí)現(xiàn)其他電氣測量功能。該實(shí)驗(yàn)裝置的部分實(shí)驗(yàn)名稱如表1所示。

表1 電能測量實(shí)驗(yàn)裝置的部分實(shí)驗(yàn)名稱

例如，如果要進(jìn)行一個(gè)測量市電電壓的簡單實(shí)驗(yàn)，可以分為以下3個(gè)階段完成。

第一階段：了解硬件電路設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)板各個(gè)模塊是相互獨(dú)立的，所以要先將電壓采樣模塊、信號調(diào)理模塊和單片機(jī)按照設(shè)計(jì)要求連接起來，然后將需要供電的模塊和相應(yīng)電壓接口相連，最后接通電源，并觀察是否供電正常。

第二階段：根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)，編寫程序（系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用IAR集成開發(fā)環(huán)境）。交流采樣常用算法有：最大值算法、半周期積分法、均方根算法、傅里葉算法等，各種算法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中可自行選擇采樣算法編寫程序。

第三階段：下載并調(diào)試。利用MSP430BSL下載軟件將程序下載到單片機(jī)中。將實(shí)驗(yàn)裝置上電，運(yùn)行程序，根據(jù)液晶屏顯示電壓和實(shí)際電壓的差值調(diào)整程序中的相應(yīng)參數(shù)。

結(jié)束語

本文給出了一種基于MSP430F149單片機(jī)的電能測量實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置能完成對交流電的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)以及頻率的準(zhǔn)確測量。該系統(tǒng)集成度低，便于學(xué)生了解電能測量的各個(gè)環(huán)節(jié)，掌握電能測量的理論技術(shù)，具有一定的推廣價(jià)值。

山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目（J14LN34）、山東科技大學(xué)群星計(jì)劃資助項(xiàng)目（編號：qx2013240）、山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院名校工程建設(shè)資助項(xiàng)目（編號：MX-JXGG-9）

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.069