小功率測(cè)量裝置設(shè)計(jì)研究范文

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【摘要】本設(shè)計(jì)采用MSP430F2559單片機(jī)作為控制芯片，設(shè)計(jì)根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)切換電源的供電方式，能自動(dòng)識(shí)別交、直流供電并選擇量程，能夠測(cè)量負(fù)載的功率的小型功率測(cè)量裝置。負(fù)載為純電阻，采用直流供電，電源電壓在200mV~5V時(shí)，調(diào)整負(fù)載電阻，能測(cè)量40mW~1W負(fù)載功率；負(fù)載為純電阻，采用直流供電，電源電壓在200mV~30V時(shí)，調(diào)整負(fù)載電阻，能自動(dòng)測(cè)量40mW~1W負(fù)載功率；負(fù)載為純電阻，采用50Hz正弦交流供電，電源電壓有效值在1V~5V時(shí)，調(diào)整負(fù)載電阻，能測(cè)量40mW~500mW負(fù)載功率；負(fù)載為1000μF電解電容與電阻串聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，采用50Hz正弦交流供電，電源電壓有效值在1V~5V時(shí)，調(diào)整負(fù)載電阻，能測(cè)量40mW~500mW負(fù)載有功功率。

【關(guān)鍵詞】MSP430F2559單片機(jī)；自動(dòng)選擇量程；電源自動(dòng)切換

1硬件電路設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，本功率測(cè)量裝置的電源分為交流、直流兩種電源電壓，負(fù)載則是有純電阻和電容電阻串聯(lián)的兩種網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)通過采集康銅絲上的電壓，計(jì)算得出負(fù)載上的電流；采集負(fù)載上的電壓，經(jīng)過放大電路送入單片機(jī)程序設(shè)計(jì)處理，區(qū)別出交、直流供電，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理自動(dòng)選擇合適的量程，進(jìn)行計(jì)算，最后得出的功率數(shù)值在LCD1864上顯示。

1.2電流測(cè)量電路

如圖2所示，將0.2Ω康銅絲串聯(lián)在電路中，采用單片機(jī)MSP430F2559的一路A/D通道對(duì)康銅絲兩端的電壓進(jìn)行采樣，通過I=U/R計(jì)算得出電路電流。

1.3電壓測(cè)量電路

如圖3所示，單片機(jī)MSP430F2559的一路A/D通道與電路中負(fù)載并聯(lián)，采集負(fù)載兩端的電壓，送入單片機(jī)MSP430F2559進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后得到負(fù)載兩端的數(shù)字電壓值。

1.4量程轉(zhuǎn)換

如圖4所示，單片機(jī)分析A/D采樣結(jié)果，采用CD4051芯片進(jìn)行反饋電阻的選擇，通過3個(gè)反饋電阻的選擇實(shí)現(xiàn)電源供電方式的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量量程的選擇。

2程序設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

2.1程序設(shè)計(jì)

2.1.1程序流程圖

2.1.2交直流電壓電源的區(qū)分每0.5ms采集一個(gè)AD數(shù)值，20ms為一個(gè)周期，將所采集的數(shù)值求平均值。再將平均值與采集的數(shù)值比較，差值較小則為直流輸入，差值較大則為交流輸入。

2.1.3量程的自動(dòng)選擇在程序中判斷采集到的電壓數(shù)值，如果最大值小于設(shè)定數(shù)值，則將檔位調(diào)整到下一檔；當(dāng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換最大值溢出，則檔位調(diào)整到上一檔。

2.1.4電容電阻串聯(lián)時(shí)的功率計(jì)算在采集的40個(gè)數(shù)值中找到一個(gè)最大值，作為電壓的最大幅值，記下采集到最大值的時(shí)間，電流同理，兩者的時(shí)間間隔t，則φ=t/40*360。利用公式P=UIcosφ即可求出功率。

2.2參數(shù)分析

2.2.1AD采樣速度與精度MSP430F5529片上有16通道的12位A/D。當(dāng)電源電壓為5V時(shí)，理論上電壓檢測(cè)精度為5v/4095。在對(duì)交流電壓檢測(cè)時(shí)，由于工頻為50Hz，因此周期為20ms。為了計(jì)算電壓有效值，必須先測(cè)出電壓最大值，然后乘以0.707。一個(gè)周期采樣的點(diǎn)數(shù)越多，得到的最大值與實(shí)際電壓的最大值就越接近。因此采樣速度越快越好。

2.2.2cosφ的計(jì)算在定時(shí)器中斷中，記下連續(xù)20次的電壓和電流。分別找到電壓和電流的最大值及在數(shù)組中的次序。那么次序差即電壓與電流的相位的時(shí)間差。用該時(shí)間差乘上360，然后除以20即可得到相位差角度。2.2.3量程調(diào)整由于直流電壓輸入范圍寬，如果使用一個(gè)固定放大倍數(shù)，電壓上限時(shí)，可能會(huì)超出AD的參考電壓。電壓下限時(shí)，又只用到AD的小部分量程。因此必須根據(jù)輸入電壓的大小調(diào)整放大倍數(shù)。使用多路模擬開關(guān)CD4051選擇運(yùn)算放大器的反饋電阻來調(diào)整放大倍數(shù)。先使用最小放大倍數(shù)檔，如果檢測(cè)到最大轉(zhuǎn)換結(jié)果不到4095的三分之一，則選擇下一檔放大倍數(shù)。如果最大值到達(dá)4095，則恢復(fù)上一檔放大倍數(shù)。

3結(jié)束語

本設(shè)計(jì)在直流電源電壓200mV~5V供電時(shí)，調(diào)整負(fù)載電阻，測(cè)量負(fù)載功率誤差小于1%；50Hz交流電源電壓1V~5V供電時(shí)，調(diào)整負(fù)載電阻，測(cè)量負(fù)載功率誤差小于5%。直流電源電壓200mV~30V供電時(shí)，調(diào)整負(fù)載電阻，測(cè)量負(fù)載功率誤差小于1%。50Hz交流電源電壓1V~5V供電時(shí)，調(diào)整負(fù)載電阻，測(cè)量負(fù)載功率誤差小于5%。可識(shí)別交流、直流供電，并自動(dòng)選擇量程。

參考文獻(xiàn)

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作者：陳敏 單位：武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院