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【摘要】本設計采用MSP430F2559單片機作為控制芯片，設計根據負載的性質切換電源的供電方式，能自動識別交、直流供電并選擇量程，能夠測量負載的功率的小型功率測量裝置。負載為純電阻，采用直流供電，電源電壓在200mV~5V時，調整負載電阻，能測量40mW~1W負載功率；負載為純電阻，采用直流供電，電源電壓在200mV~30V時，調整負載電阻，能自動測量40mW~1W負載功率；負載為純電阻，采用50Hz正弦交流供電，電源電壓有效值在1V~5V時，調整負載電阻，能測量40mW~500mW負載功率；負載為1000μF電解電容與電阻串聯的網絡，采用50Hz正弦交流供電，電源電壓有效值在1V~5V時，調整負載電阻，能測量40mW~500mW負載有功功率。

【關鍵詞】MSP430F2559單片機；自動選擇量程；電源自動切換

1硬件電路設計

1.1系統總體框圖

系統總體框圖如圖1所示，本功率測量裝置的電源分為交流、直流兩種電源電壓，負載則是有純電阻和電容電阻串聯的兩種網絡。本系統通過采集康銅絲上的電壓，計算得出負載上的電流；采集負載上的電壓，經過放大電路送入單片機程序設計處理，區別出交、直流供電，然后進行數據處理自動選擇合適的量程，進行計算，最后得出的功率數值在LCD1864上顯示。

1.2電流測量電路

如圖2所示，將0.2Ω康銅絲串聯在電路中，采用單片機MSP430F2559的一路A/D通道對康銅絲兩端的電壓進行采樣，通過I=U/R計算得出電路電流。

1.3電壓測量電路

如圖3所示，單片機MSP430F2559的一路A/D通道與電路中負載并聯，采集負載兩端的電壓，送入單片機MSP430F2559進行A/D轉換后得到負載兩端的數字電壓值。

1.4量程轉換

如圖4所示，單片機分析A/D采樣結果，采用CD4051芯片進行反饋電阻的選擇，通過3個反饋電阻的選擇實現電源供電方式的識別，實現功率測量量程的選擇。

2程序設計與參數分析

2.1程序設計

2.1.1程序流程圖

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

2.1.3量程的自動選擇在程序中判斷采集到的電壓數值，如果最大值小于設定數值，則將檔位調整到下一檔；當發現轉換最大值溢出，則檔位調整到上一檔。

2.1.4電容電阻串聯時的功率計算在采集的40個數值中找到一個最大值，作為電壓的最大幅值，記下采集到最大值的時間，電流同理，兩者的時間間隔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。當電源電壓為5V時，理論上電壓檢測精度為5v/4095。在對交流電壓檢測時，由于工頻為50Hz，因此周期為20ms。為了計算電壓有效值，必須先測出電壓最大值，然后乘以0.707。一個周期采樣的點數越多，得到的最大值與實際電壓的最大值就越接近。因此采樣速度越快越好。

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

3結束語

本設計在直流電源電壓200mV~5V供電時，調整負載電阻，測量負載功率誤差小于1%；50Hz交流電源電壓1V~5V供電時，調整負載電阻，測量負載功率誤差小于5%。直流電源電壓200mV~30V供電時，調整負載電阻，測量負載功率誤差小于1%。50Hz交流電源電壓1V~5V供電時，調整負載電阻，測量負載功率誤差小于5%。可識別交流、直流供電，并自動選擇量程。

參考文獻

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[3]楊振江.A/D、D/A轉換器技術[M].西安電子科技大學出版社,1998.

[4]朱清慧.Proteus教程—電子線路設計、制版與仿真[M].清華大學出版社,2008.

作者：陳敏 單位：武漢軟件工程職業學院