交流輸入電壓、電流監測電路設計

　　單相交流電壓、電流監測電路

　　在圖3所示電路中，我們采用了一片Microchip公司的RISC結構的高性能嵌入式微控制器PIC16F873。其內置的主同步串行端口MSSP模塊具有兩種模式：串行外設接口SPI和集成電路內部I2C總線(xiàn)。SPI同步串行輸入/輸出可應用于外接移位寄存器、串行E2PROM、串行A/D和D/A轉換器、LCD顯示器等。SPI模式使用串行數據輸入SDI、串行數據輸出SDO、串行時(shí)鐘SCK這三個(gè)I/O口通信，根據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(xiàn)，只需要串行數據SDA和串行時(shí)鐘SCL兩個(gè)I/O端口。通過(guò)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轉換器和一片LTC2420 A/D轉換器。

　　LTC1966采用?∑計算技術(shù)，內部的增量累加電路使用更為簡(jiǎn)便、準確度更高和功耗更低，與傳統的對數-反對數RMS-DC轉換器相比，表現出更大的靈活性。LTC1966可接受單端或差動(dòng)輸入信號(可抑制EMI/RFI)。差動(dòng)輸入范圍為1VPEAK，提供優(yōu)異的線(xiàn)性度。具有獨立的輸出基準電壓引腳，可進(jìn)行靈活的電平調整。LTC1966對電路板的焊接方式、應力及工作溫度都不敏感。與對數/反對數方案相比，該拓撲結構具有本質(zhì)更好的穩定性及線(xiàn)形度。

　　LTC2420的 ADC是一個(gè)過(guò)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，內置的數字濾波器即可以濾去50Hz紋波。數據輸出為三線(xiàn)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，而是其基準的一半，這會(huì )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(guò)校準系統消除這些誤差。

　　交流電壓采樣過(guò)程：LTC1966對衰減后的交流電壓信號進(jìn)行RMS-DC轉換。PIC16F873的RA1端口輸出低電平選中LTC2420的CS片選端啟動(dòng)A/D轉換。PIC16F873通過(guò)SPI接口接收LTC2420的轉換數據，再對數據進(jìn)行處理。

　　在電流檢測通道，首先由電流傳感器將電流信號轉化為電壓信號。因為PIC16F873內部嵌入了一個(gè)10位A/D轉換模塊，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轉換后，直接通過(guò)軟件計算處理得到交流電流瞬時(shí)值、有效值和峰值。有效值計算原理依據公式4。

　　顯示通道由一片帶串行接口的多位譯碼驅動(dòng)器MAX7221和四個(gè)LED數碼管組成。因為監測過(guò)程需要顯示的數據主要為數字量，所以選擇7段LED數碼管作為顯示輸出部件。而且LED數碼管較LCD顯示器適應低溫、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/輸出共陰極顯示驅動(dòng)器秒，它連接微處理器與8位數字的7段數字LED顯示，也可以連接條線(xiàn)圖顯示器或者64個(gè)獨立的LED。其上包括一個(gè)片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅動(dòng)器，而且還有一個(gè)8×8的靜態(tài)RAM用來(lái)存儲每一個(gè)數據。MAX7221與SPI、QSPI以及 MICROWIRE相兼容，同時(shí)它能通過(guò)限制段驅動(dòng)電流來(lái)減少電磁干擾。使用MAX7221驅動(dòng)LED數碼管，不僅簡(jiǎn)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(guò)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(dòng)作切斷電源輸入進(jìn)而保護電子設備。

　　按鍵部分較為簡(jiǎn)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)現所有“顯示模式”、“電壓、電流值校準測量”、“高低限報警值設定”、“高低限切斷值設定”、“復位確認”等功能選擇操作。

　　結語(yǔ)

　　設計實(shí)現了交流電壓、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轉換器實(shí)現電壓采集，利用其內部嵌入的A/D轉換器連接外部的LEM電流傳感器實(shí)現電流采集，一片MAX7221驅動(dòng)器完成顯示功能。在實(shí)際使用中，該電路實(shí)現了精確的交流電壓、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程通信模塊和記錄模塊，實(shí)現更完備的監測記錄分析功能。

　　參考文獻

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