交直流通用型功率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳正振 韋家正

摘要： 交直流通用型功率測(cè)量?jī)x以STC15F2K60F2單片機(jī)為核心控制器，并采用集成高精度均方根值轉(zhuǎn)換器AD637，有效解決了交直流自動(dòng)識(shí)別、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、交流電有效值測(cè)量等功率測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)在10mW～2W的范圍內(nèi)，直流功率測(cè)量誤差<1%，交流功率測(cè)量誤差<5%，整機(jī)功耗<10mW，具有低成本、低功耗、工作穩(wěn)定、操作便捷、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表、電工電子等領(lǐng)域具有較高的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 ：自動(dòng)識(shí)別;功率測(cè)量;單片機(jī)

中圖分類號(hào)： TP273??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A??? 文章編號(hào)： 1672-9129（2018）09-0108-02

Abstract：? Ac/dc universal power measuring instrument takes STC15F2K60F2 MCU as its core controller， and adopts integrated high-precision root mean square value converter AD637 .Its function is effectively solve the key technical problems of ac/dc automatic identification， automatic range conversion， ac effective value measurement. After the test， the system within the scope of the 10 mw ～ 2 w， dc power measurement error < 1%， ac power measurement error < 5%， the overall power consumption < 10 mw. It has low cost， low power consumption， stable operation， convenient operation， high measurement precision and strong anti-jamming capability. In areas such as instrument， electrical and electronic is of high popularization value and broad application prospects.

Key words：? Automatic identification， Power measurement， MCU

引言：近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，各類電子測(cè)量?jī)x器設(shè)備的智能化水平和性能參數(shù)也不斷提高。信息化、數(shù)字化、智能化成為新一代電子測(cè)量?jī)x器設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。在儀器儀表、電工電子等領(lǐng)域中，功率測(cè)量?jī)x是最為基礎(chǔ)，也是應(yīng)用最廣泛的儀器儀表之一。

當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于重要的轉(zhuǎn)型期，節(jié)能減排已經(jīng)成為基本國(guó)策，在此背景下，便攜式功率測(cè)量?jī)x的應(yīng)用將更加廣泛。傳統(tǒng)的指針式便攜式功率測(cè)量?jī)x普遍存在著功耗大，讀數(shù)慢，穩(wěn)定性弱，數(shù)字化、智能化程度低等缺陷。引入單片機(jī)、嵌入式技術(shù)，提高性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)便攜式功率測(cè)量?jī)x的信息化、數(shù)字化、智能化已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。其中，交直流通用型功率測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵技術(shù)主要包括交直流自動(dòng)識(shí)別、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、交流電有效值測(cè)量等。

1 技術(shù)參數(shù)需求分析

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)交直流通用型功率測(cè)量?jī)x，用以測(cè)量交流或直流電源負(fù)載上的功率，并實(shí)時(shí)顯示功率值。具體需求如下：

（1）直流電源供電，負(fù)載為純電阻電路時(shí)，電源電壓在100mV～35V的范圍內(nèi)，功率測(cè)量?jī)x的負(fù)載功率測(cè)量范圍為20mW～1.2W，測(cè)量誤差小于1%。

（2）50Hz正弦交流電源供電，負(fù)載為純電阻電路、RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或RL串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，電源電壓有效值在1V～10V的情況下，功率測(cè)量?jī)x的負(fù)載功率測(cè)量范圍為40mW～1W，測(cè)量誤差小于5%。

（3）功率測(cè)量?jī)x能夠自動(dòng)識(shí)別所測(cè)量電壓的類型為交流還是直流，并具備自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。

（4）盡量降低“功率取樣電路”網(wǎng)絡(luò)自身的功耗，減少其接入對(duì)被測(cè)電路的影響，使得PAB-PCD≤10mW。

2? 方案論證與比較

2.1交流電壓有效值測(cè)量電路方案選擇。

方案一：由整流電路、RC充放電電路和A/D采集電路構(gòu)成測(cè)量電路。將交流電經(jīng)整流電路、RC充放電電路得到脈動(dòng)直流電，并通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)腞C參數(shù)，使其與輸入的交流電壓有效值成正比關(guān)系。采集脈動(dòng)直流電壓并通過(guò)比例關(guān)系計(jì)算出交流電壓有效值。

方案二：由集成運(yùn)放和電容電阻構(gòu)成積分電路。從積分電路的輸入端輸入交流電壓，經(jīng)積分電路可輸出近似直流電壓。如參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，可使輸出的直流電壓與輸入的交流信號(hào)有效值成線性關(guān)系，再經(jīng)過(guò)A/D采集和軟件運(yùn)算后得到交流電壓有效值。

方案三：采用集成高精度、單芯片均方根值轉(zhuǎn)換器AD637構(gòu)成測(cè)量電路。AD637可計(jì)算任何復(fù)雜波形的真均方根值，且內(nèi)置波峰因數(shù)補(bǔ)償電路，當(dāng)測(cè)量信號(hào)波峰因數(shù)為10時(shí)，測(cè)量誤差小于1%，測(cè)量信號(hào)均方根值為200 mV時(shí)，帶寬頻率最高可達(dá)600 kHz，測(cè)量信號(hào)均方根值大于1V時(shí)，帶寬頻率最高達(dá)8 MHz。

經(jīng)比較分析，方案三具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足交直流通用型功率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)參數(shù)需求，故采用方案三。

2.2核心控制電路方案選擇。

方案一：由STC15F2K60F2單片機(jī)及其最小系統(tǒng)電路構(gòu)成功率測(cè)量?jī)x的核心控制電路。STC15F2K60F2單片機(jī)是由宏晶公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期微控制器，與傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)完全兼容，但速度卻快8-12 倍。其內(nèi)置1路8 通道10 位高速ADC轉(zhuǎn)換電路（30 萬(wàn)次/秒），擁有3個(gè)通道的捕獲/比較單元（CCP/PWM/PCA），以及UART和SPI端口。

方案二：由STM32F0單片機(jī)及其最小系統(tǒng)電路構(gòu)成功率測(cè)量?jī)x的核心控制電路。STM32F0單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，基于ARM Cortex-M0 處理器內(nèi)核的32 位超低功耗微控制器。其整合增強(qiáng)了多項(xiàng)新技術(shù)和功能，幾乎不需要外部硬件擴(kuò)展便可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)且復(fù)雜的功能，并且開(kāi)發(fā)工具齊全，參考資料豐富。

經(jīng)比較分析，采用方案一STC15F2K60F2單片機(jī)已經(jīng)可以滿足交直流通用型功率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)需求，綜合考慮開(kāi)發(fā)周期、成本等因素，故采用方案一。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

交直流通用型功率測(cè)量?jī)x主要由交直流識(shí)別切換電路、電流測(cè)量電路、電壓測(cè)量電路、核心控制電路等四個(gè)部分組成。整個(gè)系統(tǒng)在核心控制電路的控制下，首先，將輸入信號(hào)經(jīng)交直流識(shí)別切換電路進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別;其次，由電流測(cè)量電路和電壓測(cè)量電路分別測(cè)量出輸入信號(hào)的電流和電壓;最后，由核心控制電路對(duì)電流、電壓等測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和運(yùn)算得到功率值，并實(shí)時(shí)顯示。交直流通用型功率測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)圖如圖1所示。

將輸入電壓VIN通過(guò)AD637中的絕對(duì)值電路變成單極性電流，并送入平方/除法器的一個(gè)輸入端，再經(jīng)過(guò)濾波電路，最終在AD637的第9腳輸出直流電壓VOUT如下：

VOUT=? 1 T? ∫TOV2INdt??????? （2）

其中，T為VIN的周期。

3.1交直流識(shí)別切換電路。交直流識(shí)別切換電路可以自動(dòng)識(shí)別輸入的交、直流信號(hào)，是交直流通用型功率測(cè)量?jī)x的核心模塊。交直流識(shí)別切換電路主要利用電容的隔直通交特性，通過(guò)耦合電容來(lái)區(qū)分交直流信號(hào)，電路如圖2所示。

（1）當(dāng)輸入信號(hào)為交流電時(shí)，交流信號(hào)經(jīng)過(guò)C5，進(jìn)入由三極管Q3構(gòu)成的共射級(jí)放大電路，其中，二極管D4除了產(chǎn)生偏置電壓外，還起到給Q3提供溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。?jīng)Q3放大后的交流信號(hào)輸入集成運(yùn)放LM358構(gòu)成的比較器，使其反相輸入端電壓小于同相輸入端，比較器輸出高電平，從而驅(qū)動(dòng)繼電器工作，選擇交流電檔位。

（2）當(dāng)輸入信號(hào)為直流電時(shí)，直流信號(hào)被電容C5隔絕，由于二極管D4的電壓鉗位作用，以及R11、R12、R15的分壓使得三極管Q3截止。此時(shí)，比較器反相輸入端電壓大于同相輸入端，輸出低電平，繼電器不工作，從而選擇交流電檔位。

3.2交流電壓有效值轉(zhuǎn)換電路。交流電壓有效值轉(zhuǎn)換電路選用集成高精度均方根直流轉(zhuǎn)換芯片AD637，該芯片主要由緩沖器、有源整流器、偏置電路、平方/除法器和濾波電路組成，電路如圖3所示。

為求輸入信號(hào)的均方根值，AD637執(zhí)行的實(shí)際計(jì)算如下：

VRMS=Avg? V2IN VRMS?????? （1）

3.3 軟件程序設(shè)計(jì)。交直流通用型功率測(cè)量?jī)x的軟件程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)和keil uvision4編譯環(huán)境，軟件程序主要包括初始化、交直流判斷、A/D采集運(yùn)算及顯示等。

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，完成AD轉(zhuǎn)換器件和液晶顯示器的初始化;然后，根據(jù)交直流識(shí)別切換電路的輸出信號(hào)，自動(dòng)識(shí)別輸入信號(hào)是交流電還是直流電;若輸入信號(hào)為交流電，則通過(guò)交流電壓測(cè)量電路采集電壓、電流;若輸入信號(hào)為直流電，則直流通過(guò)直流電壓測(cè)量電路采集電壓、電流;最后，將采集到的電壓、電流數(shù)據(jù)經(jīng)軟件濾波處理后，計(jì)算出功率值，供液晶顯示器顯示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

輸入信號(hào)為直流電時(shí)，電源電壓在100mV～35V的范圍內(nèi)，功率測(cè)量?jī)x負(fù)載功率測(cè)量范圍為20mW～1.2W，測(cè)量誤差小于1%。

輸入信號(hào)為交流電時(shí)，電源電壓有效值在1V～10V的情況下，功率測(cè)量?jī)x負(fù)載功率測(cè)量范圍為40mW～1W，測(cè)量誤差小于5%。

測(cè)試結(jié)果分析：交直流通用型功率測(cè)量?jī)x，具備自動(dòng)識(shí)別交流、直流供電和量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，，測(cè)量?jī)x自身功耗小于10mW，測(cè)量誤差完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5? 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試，以STC15F2K60F2單片機(jī)為核心控制器，運(yùn)用集成高精度均方根值轉(zhuǎn)換器AD637構(gòu)成的交直流通用型功率測(cè)量?jī)x，有效解決了交直流自動(dòng)識(shí)別、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等技術(shù)難點(diǎn)，完全滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并且具有低成本、低功耗、工作穩(wěn)定、操作便捷、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表、電工電子等領(lǐng)域具有較高的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

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