一种电能测量实验装置的设计

张 琪

一种电能测量实验装置的设计

张 琪

张 琪 冯占飞 宋保业

山东科技大学

张琪（1992-）女，山东德州，汉族，硕士研究生，研究方向为电气测量技术；冯占飞（1990-），男，山东聊城，汉族，硕士研究生，研究方向为电气测量技术；宋保业（通讯作者）（1982-）男，山东青岛，汉族，博士，讲师，主要研究方向为自动化与测控技术。

针对当前电气测量技术课程中存在的实验教学方面的问题，设计了一套基于超低功耗微控制器MSP430F149的低成本、结构简单的电能测量实验装置。介绍了实验装置的硬件设计，并对其功能及实验例程作了阐述。将该实验装置应用于电气测量技术实验教学，有利于学生掌握电能测量流程，对交流采样、采样信号处理、液晶显示等方面知识有更好的理解。

“电气测量技术”是电气类专业本科生的一门专业技术基础课，如何通过实验环节使学生更好地掌握电气测量的基本原理和方法以及现代数字化电气测量技术，是实验装置设计应重点考虑的问题。

本文设计了一种基于MSP430单片机的电能测量实验装置。该实验装置结构简单、成本低、功耗低，可实现交流电参数的测量和显示。通过该实验装置可使学生熟悉常用电气量测量的软硬件实现方法，并可对常用采样算法进行验证和对比。

实验装置的总体设计

为使学生掌握电能参数测量的各个环节，本实验装置将系统供电、信号采样、信号调理、数据处理、参数显示等分成不同模块，其结构如图1所示。

图1 电能测量装置结构框图

该实验装置的组成模块及其作用总结如下：

（1）单片机MSP430F149是整个系统的核心，负责控制、调节整个系统的工作；

（2）电源模块由计算机USB口供电，通过电平转换为系统其它模块提供所需电压；

（3）信号采样模块将被测交流电压和电流转换成小电压，以方便后续的模数转换和信号处理；

（4）信号调理模块的作用是稳定采样信号，提高信号的抗干扰能力；

（5）参数显示模块主要用于循环显示被测交流电参数。

系统硬件设计

主控芯片介绍

针对实验的需要和低成本设计的要求，控制器采用TI公司的MSP430F149单片机。该芯片采用了TI公司最新低功耗技术，是一款低电压、超低功耗单片机，具有12位的模数转换器，拥有大容量的储存空间，存储器方面包括多达60k Flash ROM和2k RAM，如此数量的存储空间完全可以满足程序及数据的需要。另外，MSP430F149单片机外围模块丰富，完全能够适应高稳定性、高可靠性电能测量装置设计的需要。

电源模块

该模块是将计算机USB口的5V电压引入，5V电压一方面给运放芯片和液晶供电，另一方面给其它稳压部分供电，电路图如图2所示。

图2中，AMS1117为3.3V稳压芯片，经其稳压得到的3.3V电压为MSP430单片机供电。LM317是三端可调正稳压器，输出电压范围为1.2V到37V，可通过调节电阻R2的大小来改变LM317输出电压，该电压主要用于抬高采样信号电压。

信号采样电路

采样电路分为电压采样电路和电流采样电路两部分。系统将交流电接入，实验中可自行选择负载。电压、电流采样电路如图3所示。

图3 电压、电流采样电路

图3中，电压采样电路采用的是1000：1000的电流型电压互感器，在互感器一次侧串联一个220k Ω的电阻，在互感器二次侧并联一个1k Ω的电阻，在所测电压为220V时可得到有效值约为1V电压采样信号。电流采样电路采用的是1A/1.5mA的电流互感器和680Ω并联电阻，在电流为1A时，可得到1.02V的电压信号。MSP430F149的A/D转换器无法转换负电压信号，可从电源模块中的可调电压部分接入电压到R2和R4的一端，以抬升电压，这样经互感器得到的电压就可以满足单片机A/D转换的要求。

采样信号调理电路

从采样电路得到的电压信号抗干扰能力较差，为解决此问题采取如下措施：首先，将电压信号接电压跟随器，从而输出电压与输入电压同相，输入电阻变大，输出电阻降低，相当于一个理想阻抗变换器，起到了缓冲隔离的作用，驱动A/D转换器转换；然后，为了稳定波形和去除噪声，电压跟随器输出端通过一个680Ω电阻和一个0.1uF电容与地相连，这样就可以得到稳定的电压信号，其电路图如图4所示。

图4 采样信号调理电路

实验中可在比较器LM393负输入端接入相应的直流电压，这样就可以将电压跟随器输出的正弦信号转换为同周期的矩形信号，以此求得电压频率。实验中可将三路电压信号接入单片机合适的端口上。

电能参数显示模块

实验装置提供了两种液晶屏，分别为1602液晶和12864液晶。其中，1602液晶是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能够同时显示16×2（16列2行）即32个字符，具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的特点，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。12864液晶也是一种点阵型液晶模块，其显示分辨率为128×64，能显示8×4个汉字，功能较1602强大，但在编程使用方面，两者原理相似，都是写指令、写地址、写数据等等。实验中可任意选择液晶显示屏。

实验设计举例

利用电能测量实验装置可以完成一些与电能测量相关的基础实验，如频率、电压、电流、有功功率、功率因数测量实验，也可以在此装置上加扩展电路以实现其他电气测量功能。该实验装置的部分实验名称如表1所示。

表1 电能测量实验装置的部分实验名称

例如，如果要进行一个测量市电电压的简单实验，可以分为以下3个阶段完成。

第一阶段：了解硬件电路设计。该实验板各个模块是相互独立的，所以要先将电压采样模块、信号调理模块和单片机按照设计要求连接起来，然后将需要供电的模块和相应电压接口相连，最后接通电源，并观察是否供电正常。

第二阶段：根据硬件电路设计，编写程序（系统设计采用IAR集成开发环境）。交流采样常用算法有：最大值算法、半周期积分法、均方根算法、傅里叶算法等，各种算法都有其优缺点。实验中可自行选择采样算法编写程序。

第三阶段：下载并调试。利用MSP430BSL下载软件将程序下载到单片机中。将实验装置上电，运行程序，根据液晶屏显示电压和实际电压的差值调整程序中的相应参数。

结束语

本文给出了一种基于MSP430F149单片机的电能测量实验装置的设计。该教学实验装置能完成对交流电的电压、电流、有功功率、功率因数以及频率的准确测量。该系统集成度低，便于学生了解电能测量的各个环节，掌握电能测量的理论技术，具有一定的推广价值。

山东省高等学校科技计划项目（J14LN34）、山东科技大学群星计划资助项目（编号：qx2013240）、山东科技大学电气与自动化工程学院名校工程建设资助项目（编号：MX-JXGG-9）

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.069