交流輸入電壓、電流監(jiān)測電路設(shè)計

　　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、串行時鐘SCK這三個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)。I2C模式是IC之間的串行總線，只需要串行數(shù)據(jù)SDA和串行時鐘SCL兩個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)的對數(shù)-反對數(shù)RMS-DC轉(zhuǎn)換器相比，表現(xiàn)出更大的靈活性。LTC1966可接受單端或差動輸入信號(可抑制EMI/RFI)。差動輸入范圍為1VPEAK，提供優(yōu)異的線性度。具有獨立的輸出基準(zhǔn)電壓引腳，可進行靈活的電平調(diào)整。LTC1966對電路板的焊接方式、應(yīng)力及工作溫度都不敏感。與對數(shù)/反對數(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。在采樣時它的輸入阻抗是6.5M，如果直接連接負(fù)載LTC1966，將會造成-0.54%至-0.73%的增益誤差。而且，LTC2420 DC輸入電流在0V時并不為零，而是其基準(zhǔn)的一半，這會造成輸出偏移和增益誤差。但是對于特定的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對衰減后的交流電壓信號進行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A/D轉(zhuǎn)換。PIC16F873通過SPI接口接收LTC2420的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進行處理。

　　在電流檢測通道，首先由電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。因為PIC16F873內(nèi)部嵌入了一個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進行A/D轉(zhuǎn)換后，直接通過軟件計算處理得到交流電流瞬時值、有效值和峰值。有效值計算原理依據(jù)公式4。

　　顯示通道由一片帶串行接口的多位譯碼驅(qū)動器MAX7221和四個LED數(shù)碼管組成。因為監(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、震動環(huán)境能力更好，價格更低廉。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個獨立的LED。其上包括一個片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動器，而且還有一個8×8的靜態(tài)RAM用來存儲每一個數(shù)據(jù)。MAX7221與SPI、QSPI以及 MICROWIRE相兼容，同時它能通過限制段驅(qū)動電流來減少電磁干擾。使用MAX7221驅(qū)動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。

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

　　按鍵部分較為簡單，只有四個按鍵：“↑”、“↓”、“←”、“OK”。恰好可以利用B端口RB4~RB7四個I/O口的電平變化中斷功能，實現(xiàn)所有“顯示模式”、“電壓、電流值校準(zhǔn)測量”、“高低限報警值設(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)計實現(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，利用其SPI串行通信接口連接一片LTC2420A/D轉(zhuǎn)換器實現(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電流傳感器實現(xiàn)電流采集，一片MAX7221驅(qū)動器完成顯示功能。在實際使用中，該電路實現(xiàn)了精確的交流電壓、電流檢測，抗干擾能力強，配合外圍保護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，實現(xiàn)更完備的監(jiān)測記錄分析功能。

　　參考文獻

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