CN106066422A - 一种高精度电压电流采样系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度电压电流采样系统，该系统包括电压采样模块、电流采样模块、处理模块以及供电模块；所述电压采样模块、电流采样模块以及供电模块分别与所述处理模块相连；其中，所述处理模块包括STC12C5A16S2单片机；本申请提供的高精度电压电流采样系统，采用STC12C5A16S2单片机作为处理器，其拥有较高的转换效率和较快的转换速度，采用TPS5430作为主芯片的供电模块可以保证STC12C5A16S2单片机在5V至20V之间的不同电压输入下,仍能正常工作。另外采用MCP6022芯片作为电压采样模块和电流采样模块的主芯片，保证了采样的电压和电流有具有一定的精度和稳定性。实现了精度高、稳定性高、测量快速等特点，并可根据用户的需求选择不同的显示方式。

Description

一种高精度电压电流采样系统

技术领域

本发明涉及电压电流采用设备技术领域，特别是涉及一种可以直接监测正在运行中的电器或者某个电路节点的电压电流值，确保正在运行的电压和电流处于正常的范围之内的高精度电压电流采样系统。

背景技术

现有技术中的直流电压电流采样系统一般都是基于简单的欧姆定律。即电压是直接并联在待测电路的两端，测出工作电压；电流则是通过测量流过确定电阻元件端的电压，从而确定对应的电流。最后进行A/D转换，将模拟量转换为数字量，在LCD屏上直接显示。但是传统设计的思路存在一些不足之处：一是不考虑电压电流的突变，如果要采样一个电压电流时刻变化的电器或者电路节点，将可能会产生不稳定的数据，从而造成误差；二是缺少对转换速度的要求，部分A/D转换芯片工作速度较慢，工作效率低下；三是显示方式单一，通常只是在LCD屏上显示相应的数据，缺少其他显示方式。

发明内容

本发明提供了一种高精度电压电流采样系统。

本发明提供了如下方案：

一种高精度电压电流采样系统,该系统包括电压采样模块、电流采样模块、处理模块以及供电模块；所述电压采样模块、电流采样模块以及供电模块分别与所述处理模块相连；

其中，所述处理模块包括STC12C5A16S2单片机；所述电流采样模块包括第一阻抗单元；所述电压采样模块包括第二阻抗单元；所述供电模块包括直流电压转换单元；

所述第一阻抗单元以及所述第二阻抗单元均用于确保输入所述 STC12C5A16S2单片机的采样电压在0～5伏之间；所述直流电压转换单元用于确保提供给所述STC12C5A16S2单片机的工作电压为稳定的5伏电压。

优选的：所述第一阻抗单元包括相互串联的第一电阻元件以及第二电阻元件；所述第二阻抗单元包括相互串联的第三电阻元件以及第四电阻元件。

优选的：所述第一电阻元件以及所述第二电阻元件的电阻值与待采样电路的电流数值相关；所述第三电阻元件以及所述第四电阻元件的电阻值与待采样电路的电压范围相关。

优选的：所述第二电阻元件串联有运放差分放大电路，所述第四电阻元件串联有轨对轨运算放大电路；所述轨对轨运算放大电路以及所述运放差分放大电路分别与所述STC12C5A16S2单片机相连。

优选的：所述轨对轨运算放大电路以及所述运放差分放大电路共同集成于同一MCP6022芯片中。

优选的：所述直流电压转换单元包括依次相连的TPS5430芯片、反馈电路以及无源滤波电路；所述无源滤波电路与所述STC12C5A16S2单片机相连。

优选的：所述无源滤波电路为LC滤波电路。

优选的：还包括与所述STC12C5A16S2单片机相连的显示模块；所述显示模块用于显示所述STC12C5A16S2单片机的传输信号引脚通过通信协议传输电压和/或电流采样数据。

优选的：所述显示模块包括LCD显示器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过本发明，可以实现一种高精度电压电流采样系统，在一种实现方式下，该系统可以包括电压采样模块、电流采样模块、处理模块以及供电模块；所述电压采样模块、电流采样模块以及供电模块分别与所述处理模块相连；其中，所述处理模块包括STC12C5A16S2单片机；所述电流采样模块包括第一阻抗单 元；所述电压采样模块包括第二阻抗单元；所述供电模块包括直流电压转换单元；所述第一阻抗单元以及所述第二阻抗单元均用于确保输入所述STC12C5A16S2单片机的采样电压在0～5伏之间；所述直流电压转换单元用于确保提供给所述STC12C5A16S2单片机的工作电压为稳定的5伏电压。本申请提供的高精度电压电流采样系统，采用STC12C5A16S2单片机作为处理器，其拥有较高的转换效率和较快的转换速度，采用TPS5430作为主芯片的供电模块可以保证STC12C5A16S2单片机在5V至20V之间的不同电压输入下,仍能正常工作。另外采用MCP6022芯片作为电压采样模块和电流采样模块的主芯片，保证了采样的电压和电流有具有一定的精度和稳定性。实现了精度高、稳定性高、测量快速等特点，并可根据用户的需求选择不同的显示方式。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种高精度电压电流采样系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种高精度电压电流采样系统的电路原理图；

图3是本发明实施例提供的供电模块电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参见图1、图2，为本发明实施例提供的一种高精度电压电流采样系统，如图1、图2所示，该系统包括电压采样模块、电流采样模块、处理模块以及供电模块；所述电压采样模块、电流采样模块以及供电模块分别与所述处理模块相连；其中，所述处理模块包括STC12C5A16S2单片机；所述电流采样模块包括第一阻抗单元；所述电压采样模块包括第二阻抗单元；所述供电模块包括直流电压转换单元；所述供电模块包括直流电压转换单元；所述第一阻抗单元以及所述第二阻抗单元均用于确保输入所述STC12C5A16S2单片机的采样电压在0～5伏之间；所述直流电压转换单元用于确保提供给所述STC12C5A16S2单片机的工作电压为稳定的5伏电压。在实际应用中，所述第一阻抗单元包括相互串联的第一电阻元件R1以及第二电阻元件R2；所述第二阻抗单元包括相互串联的第三电阻元件R3以及第四电阻元件R4。进一步的，所述第一电阻元件R1以及第二电阻元件R2的电阻值与待采样电路的电流数值相关；所述第三电阻元件R3以及第四电阻元件R4的电阻值与待采样电路的电压范围相关。再进一步的，所述第二电阻元件R2串联有运放差分放大电路，所述第四电阻元件R4串联有轨对轨运算放大电路；所述轨对轨运算放大电路以及所述运放差分放大电路分别与所述STC12C5A16S2单片机相连。为了进一步简化该装置的电路结构，所述轨对轨运算放大电路以及所述运放差分放大电路可以共同集成于同一MCP6022芯片中。

本申请实施例提供的系统，具有高精度和高稳定性的电压采样电路和电流采样电路对相应的电器或者电路节点进行采样，并将采样结果输入到STC12C5A16S2单片机，进行较快速度的A/D转换，并将输出结果根据用户的选择进行显示。STC12C5A16S2单片机是一代新型单片机。这种新一代的51单片机具有高速度，抗干扰能力较强，功率损耗较低等优点。其程序代码能完全兼容原始51单片机，但速度能快至8倍到12倍之间。同时拥有2路PWM波形控制引脚以及八路高速十位数模转换通道(25万次/秒)，同时它还针对控制电机时可能产生强干扰的情况，对单片机做出了一定抗干扰的测试。保证了单片机能在较强的干扰下也能有比较好的表现。本发明主要有用到的端口有41脚的VCC端口，17脚的GND端口，40脚的P1.0和39脚的P1.1的A/D转 换端口。新型单片机STC12C5A16S2的A/D转换器由多部分构成。模拟信号先是通过由CHS0/CHS1/CHS2来选择的模拟输入信号通道的ADC多路选择开关，接着输入的电压通过一个比较器，再输入到一个逐次比较寄存器中，得到的结果再送入转化结果寄存器中。这些寄存器都是由AD_CONTR寄存器来控制的。这其中具体的工作流程如下：ADC0到7的模拟量输入模拟多路复用器，送至比较器。数字/模拟转换器(DAC)转换成模拟输入和逐次比较的比较结果将被保存到模拟比较器比较，由逐次逼近寄存器的输出转换结果。经过A/D转换，转换的结果保存到ADC的转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，设置ADC控制端的A/D转换器的寄存器ADC_CONTR标志ADC_FLAG，查询或发出中断应用程序。模拟通道选择控制控制寄存器ADC_CONTR CHS2至CHS0由ADC决定。设置在ADC控制寄存器ASC_POWER的位，ADC的转换速度由ADC的控制寄存器的SPEED1和SPEED0确定的。在使用之前应该给ADC电源。本申请实施例还可以包括与所述STC12C5A16S2单片机相连的显示模块；所述显示模块用于显示所述STC12C5A16S2单片机的传输信号引脚通过通信协议传输电压和/或电流采样数据。进一步的，所述显示模块包括LCD显示器。

AD转换的结果：

$10-bitA/DConversion\mathrm{Re}sult(ADC\_RES\[7:0\],ADC\_RESL\[1:0\])=1024\×\frac{Vin}{Vcc}$

即输入电压除以5V得出的结果乘以1024，再将得数转化为二进制表示，其中高八位存放在ADC_RES中，低两位存放在ADC_RESL中。最后将存在ADC寄存器中的数据根据用户的选择，通过LCD屏幕或者PC机接收程序显示，体现了显示的多样性。

在具体制作时，该电流采样模块电路原理可以是将阻值为500Ω电阻R1和阻值为10Ω的电阻R2进行串联，可以根据不同的电路电流数值，决定串联电路的数值。本申请实施例采用500Ω和10Ω的电阻。测量10Ω电阻两端的电压，此时测量的电压应该是所要采样电流的10倍。同样的，为了采样电流的稳定性，将输出电压接入一个运放差分放大电路，根据差分运算放大电路的计算公式，本电路的放大倍数是1倍，如果要选择不同的放大倍数，可以选择不同的电阻即可。该压采样模块可以将阻值为15KΩ的电阻R3和阻值为3KΩ 的大电阻R4进行串联实现分压，将电压控制在0-5V之间。可以根据不同的电路电压范围，决定分压电阻的数值。本申请实施例采用15KΩ和3KΩ的电阻。但是实践中输出电压不一定严格与分压电阻成比例，原因在于存在可能的电压波动，造成输出结果不稳定。所以应将输出的电压通过一个轨对轨的高精度运算放大器，根据伴随电路的原理，保证输出电压的稳定。可以想到的是，电压采样模块和电流采样模块并联，可以共同使用同一个MCP6022芯片里面的不同的运算放大器。

在具体设计该供电模块时，如图3所示，所述直流电压转换单元包括依次相连的TPS5430芯片、反馈电路以及无源滤波电路；所述无源滤波电路与所述STC12C5A16S2单片机相连。进一步的，所述无源滤波电路为LC滤波电路。该供电模块采用TPS5430作为主芯片；从TPS5430的VSNS引脚输出固定的电压值，该引脚和外置的反馈电路连接，通过反馈电路将电压放大到5V。反馈电路的输出端通过LC低通滤波电路，滤去纹波，保证输出电压的稳定性。所以该供电模块可以提供稳定的5V直流电压输出，保证单片机的正常工作。TPS5430作为DC/DC稳压器系列的一员，是一个高输出电流的PWM转换器，集成了低电阻高侧N沟道MOSFET。在基板上在列出的功能包括一个高效的电压误差放大器，提供了严格的电压调节精度瞬态条件下，欠压锁定电路，以防止误启动，直到输入电压达到内部设置的5.5V慢启动电路限制浪涌电流和电压前馈电路，以改善瞬态响应。使用ENA引脚关断电源电流降低至典型的18μA。其他功能还包括一个高电平有效使能，过流限制，过压保护和热关断。为了降低设计复杂性和外部元件数量，TPS5430使用反馈回路进行内部补偿。TPS5430可以调节多种电源，包括24V总线。TPS5430器件有热增强型，一般为8脚贴片封装。同时TI提供评估模块以帮助快速实现高性能电源设计，以及满足严格的设备开发周期。该供电模块的输入电压的范围，因为本实施例提供的方式所采用的铅蓄电池的输出电压为6V，但是为了制作出来的电路板能够有比较广泛的应用性，可以将输入电压的范围可以调整的的较宽一点，所以可以设定输入电压的范围为5V-22V。输出电压，本申请实施例的输出电压即为5V。输入电压纹波，输出电压纹波，由于本申实施例的电路主要用于DC/DC降压，所以可以设计一个较小的纹波，即40mV。输出额定电流，为1A。输入 电容，TPS5430作为DC/DC降压电路的主芯片，它的输入电容Cin必须需要一个较大的去耦电容。电容的具体的值取决于我们的设计要求，一般是取10uF。若没有这么大的电容，也可以用一个较小的电容替代，但是要满足滤波的功能。

输出电感，输出电感是为了将输出电压的纹波滤掉。因为TPS5430内部有一个补偿电路，所以我们选择的输出电感决定输出电流，而且输出电感所能耐受的电流必须大于输出电流的最大值。因此我们选择47uH的电感作为输出电感。

输出电容，输出电容和和输出电感合起来构成LC滤波电路，将输出电压的纹波滤掉，以保证输出电压的稳定性。我们可以选定LC滤波电路的频率，从而就可以确定输出电容Cout的值。

$Cout=\frac{1}{3357\×Lout\×Fco\×Vout}=\frac{1}{3357\×8.45KHz\×47uH\×5V}=150uF$

由上述公式可知，若滤波电路的频率取为8.45KHz，则输出电容Cout＝150uF。

自举电容，每一个TPS54331电路都要求设计一个自举电容，自举电容是连接在PH引脚和BOOT引脚之间的一个电容，自举电容的值必须为0.01uF的高品质的陶瓷型电容。

所以可以取Rfbt为10K，Rfbb为3.24K。

蓄流二极管：PH和地之间必须接一个蓄流二极管，蓄流二极管是一个快回复肖基特二极管。该二极管的选择条件是必须满足电路的最大低压的耐压条件，其反向电压必须高于在PH引脚所能产生的最大电压。因此这个蓄流二极管我们可以选择Ti公司生产的型号为B140-13-F的耐压为40V，工作电流为1A的二极管。

Rfbt和Rfbb阻值的确定，TPS54331的输出电阻是可调的。输出比较电压Vref为1.221V，为了保证输出电压是5V，我们可以先设定Rfbt为10K。

$Rfbb=\frac{Rfbt\×1.221}{Vout-1.221}=\frac{10\×1.221}{5-1.221}=3.24K$

总之，本申请提供的高精度电压电流采样系统，采用STC12C5A16S2单片机作为处理器，其拥有较高的转换效率和较快的转换速度，采用TPS5430作为主芯片的供电模块可以保证STC12C5A16S2单片机在5V至20V之间的不同电压输入下,仍能正常工作。另外采用MCP6022芯片作为电压采样模块和电流采样模块的主芯片，保证了采样的电压和电流有具有一定的精度和稳定性。实现了精度高、稳定性高、测量快速等特点，并可根据用户的需求选择不同的显示方式。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高精度电压电流采样系统，其特征在于，所述系统包括电压采样模块、电流采样模块、处理模块以及供电模块；所述电压采样模块、电流采样模块以及供电模块分别与所述处理模块相连；

其中，所述处理模块包括STC12C5A16S2单片机；所述电流采样模块包括第一阻抗单元；所述电压采样模块包括第二阻抗单元；所述供电模块包括直流电压转换单元；

所述第一阻抗单元以及所述第二阻抗单元均用于确保输入所述STC12C5A16S2单片机的采样电压在0～5伏之间；所述直流电压转换单元用于确保提供给所述STC12C5A16S2单片机的工作电压为稳定的5伏电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一阻抗单元包括相互串联的第一电阻元件以及第二电阻元件；所述第二阻抗单元包括相互串联的第三电阻元件以及第四电阻元件。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一电阻元件以及所述第二电阻元件的电阻值与待采样电路的电流数值相关；所述第三电阻元件以及所述第四电阻元件的电阻值与待采样电路的电压范围相关。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二电阻元件串联有运放差分放大电路，所述第四电阻元件串联有轨对轨运算放大电路；所述轨对轨运算放大电路以及所述运放差分放大电路分别与所述STC12C5A16S2单片机相连。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述轨对轨运算放大电路以及所述运放差分放大电路共同集成于同一MCP6022芯片中。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直流电压转换单元包括依次相连的TPS5430芯片、反馈电路以及无源滤波电路；所述无源滤波电路与所述STC12C5A16S2单片机相连。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述无源滤波电路为LC滤波电路。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的系统，其特征在于，还包括与所述STC12C5A16S2单片机相连的显示模块；所述显示模块用于显示所述STC12C5A16S2单片机的传输信号引脚通过通信协议传输电压和/或电流采样数据。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述显示模块包括LCD显示器。