一種電能測量實驗裝置的設計

張 琪

一種電能測量實驗裝置的設計

張 琪

張 琪 馮占飛 宋保業

山東科技大學

張琪（1992-）女，山東德州，漢族，碩士研究生，研究方向為電氣測量技術；馮占飛（1990-），男，山東聊城，漢族，碩士研究生，研究方向為電氣測量技術；宋保業（通訊作者）（1982-）男，山東青島，漢族，博士，講師，主要研究方向為自動化與測控技術。

針對當前電氣測量技術課程中存在的實驗教學方面的問題，設計了一套基于超低功耗微控制器MSP430F149的低成本、結構簡單的電能測量實驗裝置。介紹了實驗裝置的硬件設計，并對其功能及實驗例程作了闡述。將該實驗裝置應用于電氣測量技術實驗教學，有利于學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”是電氣類專業本科生的一門專業技術基礎課，如何通過實驗環節使學生更好地掌握電氣測量的基本原理和方法以及現代數字化電氣測量技術，是實驗裝置設計應重點考慮的問題。

本文設計了一種基于MSP430單片機的電能測量實驗裝置。該實驗裝置結構簡單、成本低、功耗低，可實現交流電參數的測量和顯示。通過該實驗裝置可使學生熟悉常用電氣量測量的軟硬件實現方法，并可對常用采樣算法進行驗證和對比。

實驗裝置的總體設計

為使學生掌握電能參數測量的各個環節，本實驗裝置將系統供電、信號采樣、信號調理、數據處理、參數顯示等分成不同模塊，其結構如圖1所示。

圖1 電能測量裝置結構框圖

該實驗裝置的組成模塊及其作用總結如下：

（1）單片機MSP430F149是整個系統的核心，負責控制、調節整個系統的工作；

（2）電源模塊由計算機USB口供電，通過電平轉換為系統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換成小電壓，以方便后續的模數轉換和信號處理；

（4）信號調理模塊的作用是穩定采樣信號，提高信號的抗干擾能力；

（5）參數顯示模塊主要用于循環顯示被測交流電參數。

系統硬件設計

主控芯片介紹

針對實驗的需要和低成本設計的要求，控制器采用TI公司的MSP430F149單片機。該芯片采用了TI公司最新低功耗技術，是一款低電壓、超低功耗單片機，具有12位的模數轉換器，擁有大容量的儲存空間，存儲器方面包括多達60k Flash ROM和2k RAM，如此數量的存儲空間完全可以滿足程序及數據的需要。另外，MSP430F149單片機外圍模塊豐富，完全能夠適應高穩定性、高可靠性電能測量裝置設計的需要。

電源模塊

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

圖2中，AMS1117為3.3V穩壓芯片，經其穩壓得到的3.3V電壓為MSP430單片機供電。LM317是三端可調正穩壓器，輸出電壓范圍為1.2V到37V，可通過調節電阻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。系統將交流電接入，實驗中可自行選擇負載。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，在互感器一次側串聯一個220k ?的電阻，在互感器二次側并聯一個1k ?的電阻，在所測電壓為220V時可得到有效值約為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?并聯電阻，在電流為1A時，可得到1.02V的電壓信號。MSP430F149的A/D轉換器無法轉換負電壓信號，可從電源模塊中的可調電壓部分接入電壓到R2和R4的一端，以抬升電壓，這樣經互感器得到的電壓就可以滿足單片機A/D轉換的要求。

采樣信號調理電路

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，相當于一個理想阻抗變換器，起到了緩沖隔離的作用，驅動A/D轉換器轉換；然后，為了穩定波形和去除噪聲，電壓跟隨器輸出端通過一個680?電阻和一個0.1uF電容與地相連，這樣就可以得到穩定的電壓信號，其電路圖如圖4所示。

圖4 采樣信號調理電路

實驗中可在比較器LM393負輸入端接入相應的直流電壓，這樣就可以將電壓跟隨器輸出的正弦信號轉換為同周期的矩形信號，以此求得電壓頻率。實驗中可將三路電壓信號接入單片機合適的端口上。

電能參數顯示模塊

實驗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、數字、符號等的點陣型液晶模塊，能夠同時顯示16×2（16列2行）即32個字符，具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的特點，常用在袖珍式儀表和低功耗應用系統中。12864液晶也是一種點陣型液晶模塊，其顯示分辨率為128×64，能顯示8×4個漢字，功能較1602強大，但在編程使用方面，兩者原理相似，都是寫指令、寫地址、寫數據等等。實驗中可任意選擇液晶顯示屏。

實驗設計舉例

利用電能測量實驗裝置可以完成一些與電能測量相關的基礎實驗，如頻率、電壓、電流、有功功率、功率因數測量實驗，也可以在此裝置上加擴展電路以實現其他電氣測量功能。該實驗裝置的部分實驗名稱如表1所示。

表1 電能測量實驗裝置的部分實驗名稱

例如，如果要進行一個測量市電電壓的簡單實驗，可以分為以下3個階段完成。

第一階段：了解硬件電路設計。該實驗板各個模塊是相互獨立的，所以要先將電壓采樣模塊、信號調理模塊和單片機按照設計要求連接起來，然后將需要供電的模塊和相應電壓接口相連，最后接通電源，并觀察是否供電正常。

第二階段：根據硬件電路設計，編寫程序（系統設計采用IAR集成開發環境）。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，各種算法都有其優缺點。實驗中可自行選擇采樣算法編寫程序。

第三階段：下載并調試。利用MSP430BSL下載軟件將程序下載到單片機中。將實驗裝置上電，運行程序，根據液晶屏顯示電壓和實際電壓的差值調整程序中的相應參數。

結束語

本文給出了一種基于MSP430F149單片機的電能測量實驗裝置的設計。該教學實驗裝置能完成對交流電的電壓、電流、有功功率、功率因數以及頻率的準確測量。該系統集成度低，便于學生了解電能測量的各個環節，掌握電能測量的理論技術，具有一定的推廣價值。

山東省高等學校科技計劃項目（J14LN34）、山東科技大學群星計劃資助項目（編號：qx2013240）、山東科技大學電氣與自動化工程學院名校工程建設資助項目（編號：MX-JXGG-9）

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.069