一种简易功率测量装置的设计

摘 要：本设计以MSP430F5529芯片为核心，设计并制作一种简易功率测量装置，用于测量交流或直流电源负载上的功率，并实时数字显示该功率值。该装置能自动识别交流和直流供电，并自动选择量程。当采用直流供电时，误差小于1%。当采用交流供电时，误差小于5%。该装置的功耗约为0.6W。系统主要由5V电源供电，分别采样电压或电流值，将电压或电流通过ADS1255进行模数转换，并使用SPI总线传输到MSP430F5529单片机上进行处理，并通过SPI总线显示在OLED12864液晶屏上。

关键词：MSP430F5529最小系统；ADS1255模块；OLE12864

1 系统总体方案设计

由于功率=电压*电流，通过检测电压和电流来计算功率。由于电流=电压/电阻，通过精密电阻，将电流转换成电压。因此电流检测就转换为电压检测。系统由AC电源和DC电源进入采集电路，采样电路将电压值传给ADS1255模块进行模拟信号转换成数字信号，并将转换后的电压和电流进行计算功耗，并通过SPI总线将计算后的数据发送给MSP430F5529单片机，单片机读取计算后的数据，进行显示。系统总体框图如图1所示。

2 采样电路设计

直流电压范围为0～30V。由于ADS1255的参考电压是2.5V，因此需要进行分压。直流电压分为两个档，当0-5V时，进行档位切换，保证输入运算放大器的电压不超过2.5V。运算放大器是一个同相加法电路，将电压提升2.5V，保证在1～5V交流电时也是正电压。由于参考电压是2.5V，而电压档为0～5V和5～30V。所以至少分压倍数1/2倍和1/12倍。具体电路图如图2所示。

3 比较电路

交流电压是50Hz的正弦波。输入电压与2.5V直流电压进行比较，当in_V小于2.5V时，证明是交流电压的下降沿，比较器就产生一个下降沿，输入给P20引脚，触发单片机IO口中断。单片机检测到这个中断，就启动交流電压的检测算法。电路图如图3所示。

4 继电器电路

继电器的公共端接r1，NC端（常闭）接分压电路的com端。单片机一上电，P22输出高电平，r1连接NO端（常开），分压倍数为12.2倍。随着输入电压的改变，当单片机处理完电压值，检测到输入电压小于5V时，控制继电器电路，P22引脚输出低电平，继电器断开，r1与com相连，短接R5、R6、R12和R15，分压倍数为2倍。这样设计的目的是因为装置处于待机状态时，电压会在0v左右波动，将会自动切换在5V档位。这时继电器处于关闭状态的，从而降低整个装置的功耗。继电器电路的电路图如图4所示。

5 电源电路

装置由12V锂电池供电，分别转换出5V，2.5V和3.3V，如图5所示。

6 程序设计

程序开始运行时，关闭看门狗，进行ADS1255初始化、OLE12864D初始化、显示“量程、电压”等固定汉字。ADS1255采集电压和电流值，通过SPI总线发送给MSP430F5529单片机，程序获取电压和电流并进行转换，根据采集的电压值选择是否开启继电器进行档位切换，并将转换后的电压和电流进行计算功率。根据功率大小，选择量程，将计算后的数据发送给OLED12864进行显示。流程图如图6所示。详细流程图见附录2。

7 结束语

简易功率测量装置集24位AD转换、继电器换挡控制、IO口中断和液晶显示于一体，具有SPI总线结构，数字量输出，测量精度高，稳定性好。其能测量交流或直流电源负载上的功率，能自动识别交流和直流供电，并自动选择量程。当采用直流供电时，误差小于1%。当采用交流供电时，误差小于5%。该装置功耗低，约为0.6W，适合于长时间测量，使用方便可靠。

参考文献

[1]《MSP430单片机原理与应用——MSP430F5xx＼6xx系列单片机入门提高与开发》任保宏徐科军著.电子工业出版社.2014.1

[2]《电子设计指南》孙肖子等.高等教育出版社.2006.1

[3]《模拟电子技术基础简明教程》杨素行.高等教育出版社.2006.5

作者简介

王玲（1988-），女，汉族，重庆璧山人，硕士研究生，讲师，研究方向：物联网、计算机控制。