交直流通用型功率测量仪的设计与实现

陈正振 韦家正

摘要： 交直流通用型功率测量仪以STC15F2K60F2单片机为核心控制器，并采用集成高精度均方根值转换器AD637，有效解决了交直流自动识别、量程自动转换、交流电有效值测量等功率测量的关键技术问题。经测试，系统在10mW～2W的范围内，直流功率测量误差<1%，交流功率测量误差<5%，整机功耗<10mW，具有低成本、低功耗、工作稳定、操作便捷、测量精度高、抗干扰能力强等优点，在仪器仪表、电工电子等领域具有较高的推广价值和广阔的应用前景。

关键词 ：自动识别;功率测量;单片机

中图分类号： TP273    文献标识码： A    文章编号： 1672-9129（2018）09-0108-02

Abstract：  Ac/dc universal power measuring instrument takes STC15F2K60F2 MCU as its core controller， and adopts integrated high-precision root mean square value converter AD637 .Its function is effectively solve the key technical problems of ac/dc automatic identification， automatic range conversion， ac effective value measurement. After the test， the system within the scope of the 10 mw ～ 2 w， dc power measurement error < 1%， ac power measurement error < 5%， the overall power consumption < 10 mw. It has low cost， low power consumption， stable operation， convenient operation， high measurement precision and strong anti-jamming capability. In areas such as instrument， electrical and electronic is of high popularization value and broad application prospects.

Key words：  Automatic identification， Power measurement， MCU

引言：近年来，随着信息技术的迅猛发展，各类电子测量仪器设备的智能化水平和性能参数也不断提高。信息化、数字化、智能化成为新一代电子测量仪器设备的发展趋势。在仪器仪表、电工电子等领域中，功率测量仪是最为基础，也是应用最广泛的仪器仪表之一。

当前，我国经济正处于重要的转型期，节能减排已经成为基本国策，在此背景下，便携式功率测量仪的应用将更加广泛。传统的指针式便携式功率测量仪普遍存在着功耗大，读数慢，稳定性弱，数字化、智能化程度低等缺陷。引入单片机、嵌入式技术，提高性能参数，实现便携式功率测量仪的信息化、数字化、智能化已经成为大势所趋。其中，交直流通用型功率测量仪的关键技术主要包括交直流自动识别、量程自动转换、交流电有效值测量等。

1 技术参数需求分析

设计并制作一个交直流通用型功率测量仪，用以测量交流或直流电源负载上的功率，并实时显示功率值。具体需求如下：

（1）直流电源供电，负载为纯电阻电路时，电源电压在100mV～35V的范围内，功率测量仪的负载功率测量范围为20mW～1.2W，测量误差小于1%。

（2）50Hz正弦交流电源供电，负载为纯电阻电路、RC串联网络或RL串联网络时，电源电压有效值在1V～10V的情况下，功率测量仪的负载功率测量范围为40mW～1W，测量误差小于5%。

（3）功率测量仪能够自动识别所测量电压的类型为交流还是直流，并具备自动量程转换功能。

（4）尽量降低“功率取样电路”网络自身的功耗，减少其接入对被测电路的影响，使得PAB-PCD≤10mW。

2  方案论证与比较

2.1交流电压有效值测量电路方案选择。

方案一：由整流电路、RC充放电电路和A/D采集电路构成测量电路。将交流电经整流电路、RC充放电电路得到脉动直流电，并通过选择适当的RC参数，使其与输入的交流电压有效值成正比关系。采集脉动直流电压并通过比例关系计算出交流电压有效值。

方案二：由集成运放和电容电阻构成积分电路。从积分电路的输入端输入交流电压，经积分电路可输出近似直流电压。如参数设置得当，可使输出的直流电压与输入的交流信号有效值成线性关系，再经过A/D采集和软件运算后得到交流电压有效值。

方案三：采用集成高精度、单芯片均方根值转换器AD637构成测量电路。AD637可计算任何复杂波形的真均方根值，且内置波峰因数补偿电路，当测量信号波峰因数为10时，测量误差小于1%，测量信号均方根值为200 mV时，带宽频率最高可达600 kHz，测量信号均方根值大于1V时，带宽频率最高达8 MHz。

经比较分析，方案三具有电路简单、调试方便、性能稳定、测量精度高、抗干扰能力强等优点，完全满足交直流通用型功率测量仪的设计参数需求，故采用方案三。

2.2核心控制电路方案选择。

方案一：由STC15F2K60F2单片机及其最小系统电路构成功率测量仪的核心控制电路。STC15F2K60F2单片机是由宏晶公司生产的单时钟/机器周期微控制器，与传统的51系列单片机完全兼容，但速度却快8-12 倍。其内置1路8 通道10 位高速ADC轉换电路（30 万次/秒），拥有3个通道的捕获/比较单元（CCP/PWM/PCA），以及UART和SPI端口。

方案二：由STM32F0单片机及其最小系统电路构成功率测量仪的核心控制电路。STM32F0单片机是意法半导体公司生产的，基于ARM Cortex-M0 处理器内核的32 位超低功耗微控制器。其整合增强了多项新技术和功能，几乎不需要外部硬件扩展便可以实现先进且复杂的功能，并且开发工具齐全，参考资料丰富。

经比较分析，采用方案一STC15F2K60F2单片机已经可以满足交直流通用型功率测量仪的设计需求，综合考虑开发周期、成本等因素，故采用方案一。

3 系统设计与分析

交直流通用型功率测量仪主要由交直流识别切换电路、电流测量电路、电压测量电路、核心控制电路等四个部分组成。整个系统在核心控制电路的控制下，首先，将输入信号经交直流识别切换电路进行自动识别;其次，由电流测量电路和电压测量电路分别测量出输入信号的电流和电压;最后，由核心控制电路对电流、电压等测量数据进行优化和运算得到功率值，并实时显示。交直流通用型功率测量仪的系统图如图1所示。

将输入电压VIN通过AD637中的绝对值电路变成单极性电流，并送入平方/除法器的一个输入端，再经过滤波电路，最终在AD637的第9脚输出直流电压VOUT如下：

VOUT=  1 T  ∫TOV2INdt        （2）

其中，T为VIN的周期。

3.1交直流识别切换电路。交直流识别切换电路可以自动识别输入的交、直流信号，是交直流通用型功率测量仪的核心模块。交直流识别切换电路主要利用电容的隔直通交特性，通过耦合电容来区分交直流信号，电路如图2所示。

（1）当输入信号为交流电时，交流信号经过C5，进入由三极管Q3构成的共射级放大电路，其中，二极管D4除了产生偏置电压外，还起到给Q3提供温度补偿的作用。经Q3放大后的交流信号输入集成运放LM358构成的比较器，使其反相输入端电压小于同相输入端，比较器输出高电平，从而驱动继电器工作，选择交流电档位。

（2）当输入信号为直流电时，直流信号被电容C5隔绝，由于二极管D4的电压钳位作用，以及R11、R12、R15的分压使得三极管Q3截止。此时，比较器反相输入端电压大于同相输入端，输出低电平，继电器不工作，从而选择交流电档位。

3.2交流电压有效值转换电路。交流电压有效值转换电路选用集成高精度均方根直流转换芯片AD637，该芯片主要由缓冲器、有源整流器、偏置电路、平方/除法器和滤波电路组成，电路如图3所示。

为求输入信号的均方根值，AD637执行的实际计算如下：

VRMS=Avg  V2IN VRMS       （1）

3.3 软件程序设计。交直流通用型功率测量仪的软件程序使用C语言编写和keil uvision4编译环境，软件程序主要包括初始化、交直流判断、A/D采集运算及显示等。

首先进行系统初始化操作，完成AD转换器件和液晶显示器的初始化;然后，根据交直流识别切换电路的输出信号，自动识别输入信号是交流电还是直流电;若输入信号为交流电，则通过交流电压测量电路采集电压、电流;若输入信号为直流电，则直流通过直流电压测量电路采集电压、电流;最后，将采集到的电压、电流数据经软件滤波处理后，计算出功率值，供液晶显示器显示。

4 系统测试与分析

输入信号为直流电时，电源电压在100mV～35V的范围内，功率测量仪负载功率测量范围为20mW～1.2W，测量误差小于1%。

输入信号为交流电时，电源电压有效值在1V～10V的情况下，功率测量仪负载功率测量范围为40mW～1W，测量误差小于5%。

测试结果分析：交直流通用型功率测量仪，具备自动识别交流、直流供电和量程自动转换功能，，测量仪自身功耗小于10mW，测量误差完全满足设计要求。

5  结束语

经测试，以STC15F2K60F2单片机为核心控制器，运用集成高精度均方根值转换器AD637构成的交直流通用型功率测量仪，有效解决了交直流自动识别、量程自动转换等技术难点，完全满足预期的设计要求，并且具有低成本、低功耗、工作稳定、操作便捷、测量精度高、抗干扰能力强等优点，在仪器仪表、电工电子等领域具有较高的推广价值和广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 王秀芳，刘增水.基于单片机P89V51RD2功率测量仪的设计[J].仪表技术，2010（11）：23-25.

[2] 黄鸿新，徐红蕾，胡昌明，郑燕，余柳丹，吴子文，周沃华，郝建冬，罗一帆.超声功率测量仪设计与研制[J].实验技术与管理，2014，31（07）：79-80.

[3] 陈正振.基于正交采样算法的RLC智能测量仪设计与实现[J].广西民族大学学报（自然科学版），2016，22（01）：86-90.

[4] 刘刚，于军，刘凤琨.用MSP430单片机实现的单相功率测量仪[J].吉林化工学院学报，2006（01）：76-78.

[5] 黄弘扬. 交直流电力系统暂态稳定分析与控制问题研究[D].浙江大学，2014.

[6] 匡迎春.一種数字式仪表的量程自动转换装置的研制[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2002（06）：519-521.