一種簡易功率測量裝置的設計

摘 要：本設計以MSP430F5529芯片為核心，設計并制作一種簡易功率測量裝置，用于測量交流或直流電源負載上的功率，并實時數字顯示該功率值。該裝置能自動識別交流和直流供電，并自動選擇量程。當采用直流供電時，誤差小于1%。當采用交流供電時，誤差小于5%。該裝置的功耗約為0.6W。系統主要由5V電源供電，分別采樣電壓或電流值，將電壓或電流通過ADS1255進行模數轉換，并使用SPI總線傳輸到MSP430F5529單片機上進行處理，并通過SPI總線顯示在OLED12864液晶屏上。

關鍵詞：MSP430F5529最小系統；ADS1255模塊；OLE12864

1 系統總體方案設計

由于功率=電壓*電流，通過檢測電壓和電流來計算功率。由于電流=電壓/電阻，通過精密電阻，將電流轉換成電壓。因此電流檢測就轉換為電壓檢測。系統由AC電源和DC電源進入采集電路，采樣電路將電壓值傳給ADS1255模塊進行模擬信號轉換成數字信號，并將轉換后的電壓和電流進行計算功耗，并通過SPI總線將計算后的數據發送給MSP430F5529單片機，單片機讀取計算后的數據，進行顯示。系統總體框圖如圖1所示。

2 采樣電路設計

直流電壓范圍為0～30V。由于ADS1255的參考電壓是2.5V，因此需要進行分壓。直流電壓分為兩個檔，當0-5V時，進行檔位切換，保證輸入運算放大器的電壓不超過2.5V。運算放大器是一個同相加法電路，將電壓提升2.5V，保證在1～5V交流電時也是正電壓。由于參考電壓是2.5V，而電壓檔為0～5V和5～30V。所以至少分壓倍數1/2倍和1/12倍。具體電路圖如圖2所示。

3 比較電路

交流電壓是50Hz的正弦波。輸入電壓與2.5V直流電壓進行比較，當in_V小于2.5V時，證明是交流電壓的下降沿，比較器就產生一個下降沿，輸入給P20引腳，觸發單片機IO口中斷。單片機檢測到這個中斷，就啟動交流電壓的檢測算法。電路圖如圖3所示。

4 繼電器電路

繼電器的公共端接r1，NC端（常閉）接分壓電路的com端。單片機一上電，P22輸出高電平，r1連接NO端（常開），分壓倍數為12.2倍。隨著輸入電壓的改變，當單片機處理完電壓值，檢測到輸入電壓小于5V時，控制繼電器電路，P22引腳輸出低電平，繼電器斷開，r1與com相連，短接R5、R6、R12和R15，分壓倍數為2倍。這樣設計的目的是因為裝置處于待機狀態時，電壓會在0v左右波動，將會自動切換在5V檔位。這時繼電器處于關閉狀態的，從而降低整個裝置的功耗。繼電器電路的電路圖如圖4所示。

5 電源電路

裝置由12V鋰電池供電，分別轉換出5V，2.5V和3.3V，如圖5所示。

6 程序設計

程序開始運行時，關閉看門狗，進行ADS1255初始化、OLE12864D初始化、顯示“量程、電壓”等固定漢字。ADS1255采集電壓和電流值，通過SPI總線發送給MSP430F5529單片機，程序獲取電壓和電流并進行轉換，根據采集的電壓值選擇是否開啟繼電器進行檔位切換，并將轉換后的電壓和電流進行計算功率。根據功率大小，選擇量程，將計算后的數據發送給OLED12864進行顯示。流程圖如圖6所示。詳細流程圖見附錄2。

7 結束語

簡易功率測量裝置集24位AD轉換、繼電器換擋控制、IO口中斷和液晶顯示于一體，具有SPI總線結構，數字量輸出，測量精度高，穩定性好。其能測量交流或直流電源負載上的功率，能自動識別交流和直流供電，并自動選擇量程。當采用直流供電時，誤差小于1%。當采用交流供電時，誤差小于5%。該裝置功耗低，約為0.6W，適合于長時間測量，使用方便可靠。

參考文獻

[1]《MSP430單片機原理與應用——MSP430F5xx＼6xx系列單片機入門提高與開發》任保宏徐科軍著.電子工業出版社.2014.1

[2]《電子設計指南》孫肖子等.高等教育出版社.2006.1

[3]《模擬電子技術基礎簡明教程》楊素行.高等教育出版社.2006.5

作者簡介

王玲（1988-），女，漢族，重慶璧山人，碩士研究生，講師，研究方向：物聯網、計算機控制。