基于Modbus-RTU協(xié)議的交流電壓峰值表設計

摘 要：交流電壓峰值檢測是工業(yè)用電安全監(jiān)控中的一項重要指標，介紹一種以MSP430F449，MAX1270 和RS 485總線硬件為基礎，基于Modbus-RTU通信協(xié)議的智能交流電壓峰值表測量系統(tǒng)的設計，且成功應用到交流電壓的峰值檢測中。該系統(tǒng)具備便攜、低功耗等特點，易于與電腦或符合Modbus-RTU協(xié)議的控制器連接，可方便地組建遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
關鍵詞：Modbus協(xié)議；交流電壓峰值；MSP430F449；MAX1270

0 前 言
交流電壓峰值是指交流電壓的最大值(正峰值)或最小值(負峰值)，是工業(yè)生產過程中一個非常重要的參數(shù)。為保證用電設備的安全，對供電電壓的峰值進行檢測具有重要意義。測量峰值的方法主要有示波器法、間接計算法、專用峰值表法。利用示波器雖然可直觀地顯示電壓的波形和峰值，但在成本和便攜性上示波器均不能作為現(xiàn)場監(jiān)視設備；間接計算法只適用于標準正弦波，實用性不大；專用峰值表大都存在體積較大，攜帶不便，且與電腦或控制設備相連不便的缺點。針對以上缺點，采用MSP430系列單片機、MAX1270模／數(shù)轉換器，并利用Modbus-RTU 協(xié)議，成功地開發(fā)出了低成本、便攜、智能的峰值表設備。

1 測量原理
由于供電電網(wǎng)的波動及電網(wǎng)的電壓波形是一種非標準正弦波，其峰值不能通過平均值或有效值間接計算。該系統(tǒng)采用對非標準正弦波在一個周期內多次采樣，并通過冒泡法比較采樣值，得到電壓的最大值或最小值作為其正峰值和負峰值。顯然只要采樣密度適當，完全可以得到真實的電壓峰值。我國交流電的頻率為50 Hz，設計中采樣頻率設置為10 kHz，即每個交流波形周期中采樣200次，足以正確地反映出電壓的變化情況，從而確定電壓的峰值。

2 硬件設計
設計中，以MSP430F449單片機、MAX1270模／數(shù)轉換器為主要器件。前端A／D輸入采用電阻分壓方式將交流電進行降壓；采用RS 485芯片作為通信接口芯片，硬件框圖如圖1所示。

2．1 A／D輸入調理保護電路設計
以220 V交流電為例，其理論峰值電壓為311 V，但考慮到電網(wǎng)波動、正弦波失真等，電壓峰值很可能超過311 V，這時可根據(jù)工作經驗和實測情況，選定一個電壓值作為電壓可能達到的最大值，假定為500 V。如果MAX1270的輸入范圍設置為±5 V，則分壓電阻的分壓比應設置為100：1。分壓后的電壓經過運放緩沖后作為A／D芯片的輸入，為保護后級A／D轉換芯片，設置兩個穩(wěn)壓二極管組成限幅電路。輸入調理電路如圖2所示。