交流輸入電壓、電流監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

　　單相交流電壓、電流監(jiān)測電路

　　在圖3所示電路中，我們采用了一片Microchip公司的RISC結(jié)構(gòu)的高性能嵌入式微控制器PIC16F873。其內(nèi)置的主同步串行端口MSSP模塊具有兩種模式：串行外設(shè)接口SPI和集成電路內(nèi)部I2C總線。SPI同步串行輸入/輸出可應(yīng)用于外接移位寄存器、串行E2PROM、串行A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器等。SPI模式使用串行數(shù)據(jù)輸入SDI、串行數(shù)據(jù)輸出SDO、串行時(shí)鐘SCK這三個(gè)I/O口通信，根據(jù)情況還常常需要其他引腳配合使用(例如提供片選信號(hào))。I2C模式是IC之間的串行總線，只需要串行數(shù)據(jù)SDA和串行時(shí)鐘SCL兩個(gè)I/O端口。通過定義同步串行端口狀態(tài)寄存器，我們可以方便的選擇其中一種工作模式，但兩種串行通信僅能選擇其中之一進(jìn)行工作。如圖3所示，在交流電壓采集通道，我們選用了一片LTC1966真有效值RMS-DC轉(zhuǎn)換器和一片LTC2420 A/D轉(zhuǎn)換器。

　　LTC1966采用?∑計(jì)算技術(shù)，內(nèi)部的增量累加電路使用更為簡便、準(zhǔn)確度更高和功耗更低，與傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)-反對(duì)數(shù)RMS-DC轉(zhuǎn)換器相比，表現(xiàn)出更大的靈活性。LTC1966可接受單端或差動(dòng)輸入信號(hào)(可抑制EMI/RFI)。差動(dòng)輸入范圍為1VPEAK，提供優(yōu)異的線性度。具有獨(dú)立的輸出基準(zhǔn)電壓引腳，可進(jìn)行靈活的電平調(diào)整。LTC1966對(duì)電路板的焊接方式、應(yīng)力及工作溫度都不敏感。與對(duì)數(shù)/反對(duì)數(shù)方案相比，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有本質(zhì)更好的穩(wěn)定性及線形度。

　　LTC2420的 ADC是一個(gè)過采樣?∑ADC，具有本質(zhì)性抑制RMS平均紋波的特性。將F0引腳接電源，內(nèi)置的數(shù)字濾波器即可以濾去50Hz紋波。數(shù)據(jù)輸出為三線制接口，兼容SPI和MICROWIRE協(xié)議。在采樣時(shí)它的輸入阻抗是6.5M，如果直接連接負(fù)載LTC1966，將會(huì)造成-0.54%至-0.73%的增益誤差。而且，LTC2420 DC輸入電流在0V時(shí)并不為零，而是其基準(zhǔn)的一半，這會(huì)造成輸出偏移和增益誤差。但是對(duì)于特定的LTC1966和LTC2420組合，該誤差是固定的，因此可以通過校準(zhǔn)系統(tǒng)消除這些誤差。

　　交流電壓采樣過程：LTC1966對(duì)衰減后的交流電壓信號(hào)進(jìn)行RMS-DC轉(zhuǎn)換。PIC16F873的RA1端口輸出低電平選中LTC2420的CS片選端啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。PIC16F873通過SPI接口接收LTC2420的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　在電流檢測通道，首先由電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。因?yàn)镻IC16F873內(nèi)部嵌入了一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，將其一路輸入通道與LEM電流傳感器的電壓輸出端連接，由PIC16F873進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，直接通過軟件計(jì)算處理得到交流電流瞬時(shí)值、有效值和峰值。有效值計(jì)算原理依據(jù)公式4。

　　顯示通道由一片帶串行接口的多位譯碼驅(qū)動(dòng)器MAX7221和四個(gè)LED數(shù)碼管組成。因?yàn)楸O(jiān)測過程需要顯示的數(shù)據(jù)主要為數(shù)字量，所以選擇7段LED數(shù)碼管作為顯示輸出部件。而且LED數(shù)碼管較LCD顯示器適應(yīng)低溫、震動(dòng)環(huán)境能力更好，價(jià)格更低廉。MAX7221是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器秒，它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個(gè)獨(dú)立的LED。其上包括一個(gè)片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動(dòng)器，而且還有一個(gè)8×8的靜態(tài)RAM用來存儲(chǔ)每一個(gè)數(shù)據(jù)。MAX7221與SPI、QSPI以及 MICROWIRE相兼容，同時(shí)它能通過限制段驅(qū)動(dòng)電流來減少電磁干擾。使用MAX7221驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，不僅簡化了硬件電路，也減少了PIC16F873的軟件編程工作。

　　報(bào)警輸出通道，采用一只壓電蜂鳴器發(fā)出音頻報(bào)警，通過一只TLP421-1光耦和一只直流電磁繼電器控制外圍保護(hù)電路動(dòng)作切斷電源輸入進(jìn)而保護(hù)電子設(shè)備。

　　按鍵部分較為簡單，只有四個(gè)按鍵：“↑”、“↓”、“←”、“OK”。恰好可以利用B端口RB4~RB7四個(gè)I/O口的電平變化中斷功能，實(shí)現(xiàn)所有“顯示模式”、“電壓、電流值校準(zhǔn)測量”、“高低限報(bào)警值設(shè)定”、“高低限切斷值設(shè)定”、“復(fù)位確認(rèn)”等功能選擇操作。

　　結(jié)語

　　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了交流電壓、電流的真有效值測量電路。該電路選用了一片PIC16F873單片機(jī)，利用其SPI串行通信接口連接一片LTC2420A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電壓采集，利用其內(nèi)部嵌入的A/D轉(zhuǎn)換器連接外部的LEM電流傳感器實(shí)現(xiàn)電流采集，一片MAX7221驅(qū)動(dòng)器完成顯示功能。在實(shí)際使用中，該電路實(shí)現(xiàn)了精確的交流電壓、電流檢測，抗干擾能力強(qiáng)，配合外圍保護(hù)電路能有效防止電子裝備在異常情況下發(fā)生損毀。外圍還可以考慮增加遠(yuǎn)程通信模塊和記錄模塊，實(shí)現(xiàn)更完備的監(jiān)測記錄分析功能。

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