交直流通用型功率測量儀的設計與實現

陳正振 韋家正

摘要： 交直流通用型功率測量儀以STC15F2K60F2單片機為核心控制器，并采用集成高精度均方根值轉換器AD637，有效解決了交直流自動識別、量程自動轉換、交流電有效值測量等功率測量的關鍵技術問題。經測試，系統在10mW～2W的范圍內，直流功率測量誤差<1%，交流功率測量誤差<5%，整機功耗<10mW，具有低成本、低功耗、工作穩定、操作便捷、測量精度高、抗干擾能力強等優點，在儀器儀表、電工電子等領域具有較高的推廣價值和廣闊的應用前景。

關鍵詞 ：自動識別;功率測量;單片機

中圖分類號： TP273??? 文獻標識碼： A??? 文章編號： 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，隨著信息技術的迅猛發展，各類電子測量儀器設備的智能化水平和性能參數也不斷提高。信息化、數字化、智能化成為新一代電子測量儀器設備的發展趨勢。在儀器儀表、電工電子等領域中，功率測量儀是最為基礎，也是應用最廣泛的儀器儀表之一。

當前，我國經濟正處于重要的轉型期，節能減排已經成為基本國策，在此背景下，便攜式功率測量儀的應用將更加廣泛。傳統的指針式便攜式功率測量儀普遍存在著功耗大，讀數慢，穩定性弱，數字化、智能化程度低等缺陷。引入單片機、嵌入式技術，提高性能參數，實現便攜式功率測量儀的信息化、數字化、智能化已經成為大勢所趨。其中，交直流通用型功率測量儀的關鍵技術主要包括交直流自動識別、量程自動轉換、交流電有效值測量等。

1 技術參數需求分析

設計并制作一個交直流通用型功率測量儀，用以測量交流或直流電源負載上的功率，并實時顯示功率值。具體需求如下：

（1）直流電源供電，負載為純電阻電路時，電源電壓在100mV～35V的范圍內，功率測量儀的負載功率測量范圍為20mW～1.2W，測量誤差小于1%。

（2）50Hz正弦交流電源供電，負載為純電阻電路、RC串聯網絡或RL串聯網絡時，電源電壓有效值在1V～10V的情況下，功率測量儀的負載功率測量范圍為40mW～1W，測量誤差小于5%。

（3）功率測量儀能夠自動識別所測量電壓的類型為交流還是直流，并具備自動量程轉換功能。

（4）盡量降低“功率取樣電路”網絡自身的功耗，減少其接入對被測電路的影響，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采集電路構成測量電路。將交流電經整流電路、RC充放電電路得到脈動直流電，并通過選擇適當的RC參數，使其與輸入的交流電壓有效值成正比關系。采集脈動直流電壓并通過比例關系計算出交流電壓有效值。

方案二：由集成運放和電容電阻構成積分電路。從積分電路的輸入端輸入交流電壓，經積分電路可輸出近似直流電壓。如參數設置得當，可使輸出的直流電壓與輸入的交流信號有效值成線性關系，再經過A/D采集和軟件運算后得到交流電壓有效值。

方案三：采用集成高精度、單芯片均方根值轉換器AD637構成測量電路。AD637可計算任何復雜波形的真均方根值，且內置波峰因數補償電路，當測量信號波峰因數為10時，測量誤差小于1%，測量信號均方根值為200 mV時，帶寬頻率最高可達600 kHz，測量信號均方根值大于1V時，帶寬頻率最高達8 MHz。

經比較分析，方案三具有電路簡單、調試方便、性能穩定、測量精度高、抗干擾能力強等優點，完全滿足交直流通用型功率測量儀的設計參數需求，故采用方案三。

2.2核心控制電路方案選擇。

方案一：由STC15F2K60F2單片機及其最小系統電路構成功率測量儀的核心控制電路。STC15F2K60F2單片機是由宏晶公司生產的單時鐘/機器周期微控制器，與傳統的51系列單片機完全兼容，但速度卻快8-12 倍。其內置1路8 通道10 位高速ADC轉換電路（30 萬次/秒），擁有3個通道的捕獲/比較單元（CCP/PWM/PCA），以及UART和SPI端口。

方案二：由STM32F0單片機及其最小系統電路構成功率測量儀的核心控制電路。STM32F0單片機是意法半導體公司生產的，基于ARM Cortex-M0 處理器內核的32 位超低功耗微控制器。其整合增強了多項新技術和功能，幾乎不需要外部硬件擴展便可以實現先進且復雜的功能，并且開發工具齊全，參考資料豐富。

經比較分析，采用方案一STC15F2K60F2單片機已經可以滿足交直流通用型功率測量儀的設計需求，綜合考慮開發周期、成本等因素，故采用方案一。

3 系統設計與分析

交直流通用型功率測量儀主要由交直流識別切換電路、電流測量電路、電壓測量電路、核心控制電路等四個部分組成。整個系統在核心控制電路的控制下，首先，將輸入信號經交直流識別切換電路進行自動識別;其次，由電流測量電路和電壓測量電路分別測量出輸入信號的電流和電壓;最后，由核心控制電路對電流、電壓等測量數據進行優化和運算得到功率值，并實時顯示。交直流通用型功率測量儀的系統圖如圖1所示。

將輸入電壓VIN通過AD637中的絕對值電路變成單極性電流，并送入平方/除法器的一個輸入端，再經過濾波電路，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交直流識別切換電路。交直流識別切換電路可以自動識別輸入的交、直流信號，是交直流通用型功率測量儀的核心模塊。交直流識別切換電路主要利用電容的隔直通交特性，通過耦合電容來區分交直流信號，電路如圖2所示。

（1）當輸入信號為交流電時，交流信號經過C5，進入由三極管Q3構成的共射級放大電路，其中，二極管D4除了產生偏置電壓外，還起到給Q3提供溫度補償的作用。經Q3放大后的交流信號輸入集成運放LM358構成的比較器，使其反相輸入端電壓小于同相輸入端，比較器輸出高電平，從而驅動繼電器工作，選擇交流電檔位。

（2）當輸入信號為直流電時，直流信號被電容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，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交流電壓有效值轉換電路。交流電壓有效值轉換電路選用集成高精度均方根直流轉換芯片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。

為求輸入信號的均方根值，AD637執行的實際計算如下：

VRMS=Avg? V2IN VRMS?????? （1）

3.3 軟件程序設計。交直流通用型功率測量儀的軟件程序使用C語言編寫和keil uvision4編譯環境，軟件程序主要包括初始化、交直流判斷、A/D采集運算及顯示等。

首先進行系統初始化操作，完成AD轉換器件和液晶顯示器的初始化;然后，根據交直流識別切換電路的輸出信號，自動識別輸入信號是交流電還是直流電;若輸入信號為交流電，則通過交流電壓測量電路采集電壓、電流;若輸入信號為直流電，則直流通過直流電壓測量電路采集電壓、電流;最后，將采集到的電壓、電流數據經軟件濾波處理后，計算出功率值，供液晶顯示器顯示。

4 系統測試與分析

輸入信號為直流電時，電源電壓在100mV～35V的范圍內，功率測量儀負載功率測量范圍為20mW～1.2W，測量誤差小于1%。

輸入信號為交流電時，電源電壓有效值在1V～10V的情況下，功率測量儀負載功率測量范圍為40mW～1W，測量誤差小于5%。

測試結果分析：交直流通用型功率測量儀，具備自動識別交流、直流供電和量程自動轉換功能，，測量儀自身功耗小于10mW，測量誤差完全滿足設計要求。

5? 結束語

經測試，以STC15F2K60F2單片機為核心控制器，運用集成高精度均方根值轉換器AD637構成的交直流通用型功率測量儀，有效解決了交直流自動識別、量程自動轉換等技術難點，完全滿足預期的設計要求，并且具有低成本、低功耗、工作穩定、操作便捷、測量精度高、抗干擾能力強等優點，在儀器儀表、電工電子等領域具有較高的推廣價值和廣闊的應用前景。

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