小功率测量装置设计研究范文
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【摘要】本设计采用MSP430F2559单片机作为控制芯片，设计根据负载的性质切换电源的供电方式，能自动识别交、直流供电并选择量程，能够测量负载的功率的小型功率测量装置。负载为纯电阻，采用直流供电，电源电压在200mV~5V时，调整负载电阻，能测量40mW~1W负载功率；负载为纯电阻，采用直流供电，电源电压在200mV~30V时，调整负载电阻，能自动测量40mW~1W负载功率；负载为纯电阻，采用50Hz正弦交流供电，电源电压有效值在1V~5V时，调整负载电阻，能测量40mW~500mW负载功率；负载为1000μF电解电容与电阻串联的网络，采用50Hz正弦交流供电，电源电压有效值在1V~5V时，调整负载电阻，能测量40mW~500mW负载有功功率。
【关键词】MSP430F2559单片机；自动选择量程；电源自动切换
1硬件电路设计
1.1系统总体框图
系统总体框图如图1所示，本功率测量装置的电源分为交流、直流两种电源电压，负载则是有纯电阻和电容电阻串联的两种网络。本系统通过采集康铜丝上的电压，计算得出负载上的电流；采集负载上的电压，经过放大电路送入单片机程序设计处理，区别出交、直流供电，然后进行数据处理自动选择合适的量程，进行计算，最后得出的功率数值在LCD1864上显示。
1.2电流测量电路
如图2所示，将0.2Ω康铜丝串联在电路中，采用单片机MSP430F2559的一路A/D通道对康铜丝两端的电压进行采样，通过I=U/R计算得出电路电流。
1.3电压测量电路
如图3所示，单片机MSP430F2559的一路A/D通道与电路中负载并联，采集负载两端的电压，送入单片机MSP430F2559进行A/D转换后得到负载两端的数字电压值。
1.4量程转换
如图4所示，单片机分析A/D采样结果，采用CD4051芯片进行反馈电阻的选择，通过3个反馈电阻的选择实现电源供电方式的识别，实现功率测量量程的选择。
2程序设计与参数分析
2.1程序设计
2.1.1程序流程图
2.1.2交直流电压电源的区分每0.5ms采集一个AD数值，20ms为一个周期，将所采集的数值求平均值。再将平均值与采集的数值比较，差值较小则为直流输入，差值较大则为交流输入。
2.1.3量程的自动选择在程序中判断采集到的电压数值，如果最大值小于设定数值，则将档位调整到下一档；当发现转换最大值溢出，则档位调整到上一档。
2.1.4电容电阻串联时的功率计算在采集的40个数值中找到一个最大值，作为电压的最大幅值，记下采集到最大值的时间，电流同理，两者的时间间隔t，则φ=t/40*360。利用公式P=UIcosφ即可求出功率。
2.2参数分析
2.2.1AD采样速度与精度MSP430F5529片上有16通道的12位A/D。当电源电压为5V时，理论上电压检测精度为5v/4095。在对交流电压检测时，由于工频为50Hz，因此周期为20ms。为了计算电压有效值，必须先测出电压最大值，然后乘以0.707。一个周期采样的点数越多，得到的最大值与实际电压的最大值就越接近。因此采样速度越快越好。
2.2.2cosφ的计算在定时器中断中，记下连续20次的电压和电流。分别找到电压和电流的最大值及在数组中的次序。那么次序差即电压与电流的相位的时间差。用该时间差乘上360，然后除以20即可得到相位差角度。2.2.3量程调整由于直流电压输入范围宽，如果使用一个固定放大倍数，电压上限时，可能会超出AD的参考电压。电压下限时，又只用到AD的小部分量程。因此必须根据输入电压的大小调整放大倍数。使用多路模拟开关CD4051选择运算放大器的反馈电阻来调整放大倍数。先使用最小放大倍数档，如果检测到最大转换结果不到4095的三分之一，则选择下一档放大倍数。如果最大值到达4095，则恢复上一档放大倍数。
3结束语
本设计在直流电源电压200mV~5V供电时，调整负载电阻，测量负载功率误差小于1%；50Hz交流电源电压1V~5V供电时，调整负载电阻，测量负载功率误差小于5%。直流电源电压200mV~30V供电时，调整负载电阻，测量负载功率误差小于1%。50Hz交流电源电压1V~5V供电时，调整负载电阻，测量负载功率误差小于5%。可识别交流、直流供电，并自动选择量程。
参考文献
[1]蔡振江.单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2011.
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[4]朱清慧.Proteus教程—电子线路设计、制版与仿真[M].清华大学出版社,2008.
作者：陈敏 单位：武汉软件工程职业学院
