CN209690403U - 基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置。包括单片机、交直流信号辨别采集模块、交直流信号功率测量控制模块、交流信号下功率测量模块、直流信号下功率测量模块和显示模块。本实用新型采用MSP430为控制电路的核心，巧妙地利用交直流信号的特点，通过交直流信号辨别采集模块和交直流信号功率测量控制模块使用单片机控制继电器选择不同的测量电路，从而达到测量交直流信号的功能，能自动识别交流、直流供电，并自动选择量程，分别采用交流检测模块HLW8032芯片和直流检测模块INA210芯片实现交直流功率的测量，精度较高，误差小于5％，较好地提高了装置测量的准确性，提升了产品的性能。

Description

基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置。

背景技术

交流电功率定义为一个周期内的瞬时功率的平均值交流电功率的单位为瓦特，为导出单位。目前测量交流电功率的测量方法很多，大部分是利用各种乘法电路实现电压与电流的乘积或者电压与分流器电压的乘积，主要包括以下几种：(1)电动系指针功率表是利用两个线圈的磁场作用力矩与线圈中的电流乘积成正比的关系实现功率测量的；(2)时分割法功率测量是利用幅值调制与脉宽调制方法，在微分时段上，幅值与时间相乘再积分的方法测量平均功率的；(3)数值采样法是利用A/D转换器采集电压和电流瞬时数值，经过离散的数学公式计算电功率的；(4)热电比较法是在电阻器上分别通过交流电流和直流电流，发热引起温升由热电偶的热电势相比较，实现交流电功率与直流电功率比较的方法，交直流功率比较法有多种电路形式，但是都利用公式(a+b)²-(a-b)²＝4ab来计算电压与电流的乘积；(5)利用交流电压有效值测量的溯源性还可以采用公式测量三个有效值，再计算电功率；(6)另外对于正弦交流电也可以分别测量电压有效值、电流有效值和相位差采用公式P＝UIcosφ计算电功率；(7)功率电流比较仪法是利用电阻器和电容器将被测电压转换成同相和正交的电流，调节同相和正交的电流线圈匝数，使其分流电流安匝数之和与被测电流安匝数在磁环中获得磁势平衡，于是利用公式中的电阻值R、电容值C和电压有效值U来计算电功率地方法；(8)电流节点法与上述功率电流比较仪方法类似，也是利用电阻器和电容器将被测电压转换成同相和正交的电流，使这两路电流与被测电流汇聚到一个节点，调节电阻和电容，当节点对地电位为零时，三条支路电流之和为零，不用直接测量电流获得公式利用公式中的电阻值R、电容值C和电压有效值U来计算电功率的方法。

目前，上述各种方法广泛使用在工程测量和计量标准上，设计出了各种各样的测量仪器，但是大多只能用于单一的测量交流电或者直流电，且结构较为复杂，使用不便。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置，利用TI公司的MSP430F5529设计制作一个简易功率测量装置，利用交直流信号的特点设计交直流信号辨别电路，从而选择不同的测量电路，用INA210采集电流，再通过电阻分压采集电压，HLW8032等测量芯片用以测量交流或直流信号负载上的功率，并实时数字显示该功率值。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置，包括单片机、交直流信号辨别采集模块、交直流信号功率测量控制模块、交流信号下功率测量模块、直流信号下功率测量模块和显示模块，单片机分别连接交直流信号辨别采集模块、交直流信号功率测量控制模块和显示模块，单片机的输出端分别连接交流信号下功率测量模块和直流信号下功率测量模块。

进一步地，所述交直流信号功率测量控制模块包括继电器K1和K2，继电器K2串联电阻R1的线路与继电器K1串联电阻R2的线路并联，K2并联二极管D1后一侧连接电源，另一侧连接三极管Q1的集电极，Q1的基极连接电阻R6，发射极接地；K1并联二极管D2后一侧连接电源，另一侧连接三极管Q2的集电极，Q2的基极连接电阻R7，发射极接地。

进一步地，所述交流信号下功率测量模块包括交流检测模块U1，U1的引脚1连接电源，引脚2分别连接电阻R3和电容C1的一端，引脚3分别连接电阻R4和电容C2的一端，C1的另一端和C2的另一端均接地，引脚5接地，引脚6串联电阻R27后分别连接电阻R25的一端以及发送端口TX，电阻R25的另一端接地，引脚8连接输入端口RX。

进一步地，所述直流信号下功率测量模块包括包括直流检测模块U2和运算放大器U4，INA210芯片U2的引脚1、2均接地，引脚3连接电源，引脚6连接电阻R18的一端，R18的另一端连接运算放大器U4的引脚3，U4的引脚4和2连接后串联电阻R19后接地，U4的引脚1串联电阻R20后连接在电阻R19与U4的引脚4和2连接点之间，U4的引脚8连接电源，引脚6和7连接后串联电阻R29，然后连接电容C6后接地。

进一步地，所述单片机为MSP430型单片机，所述显示模块为OLED显示屏。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用MSP430为控制电路的核心，巧妙地利用交直流信号的特点，通过交直流信号辨别采集模块和交直流信号功率测量控制模块使用单片机控制继电器选择不同的测量电路，从而达到测量交直流信号的功能，能自动识别交流、直流供电，并自动选择量程，分别采用交流检测模块HLW8032芯片和直流检测模块INA210芯片实现交直流功率的测量，精度较高，误差小于5％，较好地提高了装置测量的准确性，提升了产品的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型具体实施例所述的基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置的结构框图；

图2为图1中交直流信号功率测量控制模块的电路连接示意图；

图3为图1中交流信号下功率测量模块的电路连接示意图；

图4为图1中直流信号下功率测量模块的电路连接示意图；

图5为本实用新型具体实施例所述的一种电功率测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例

1.设计方案工作原理

1.1预期实现目标定位

利用TI公司的MSP430F5529作为主控芯片，测量直流负载功率时用INA210芯片采集电流，测交流负载功率时用HLM8032芯片采样，再用OLED显示屏将功率显示出来。并且该装置能自动识别交流、直流供电，并自动选择量程，测量不同的负载时，可以满足所要求的误差范围。

(1)直流信号

负载为纯电阻，采用直流供电，电源电压在200mV～5V时，调整负载电阻，能测量40mW～1W负载功率，误差小于1％；负载为纯电阻，采用直流供电。电源电压在200mV～30V时，调整负载电阻，能自动测量40mW～1W负载功率，误差小于1％。

(2)交流信号

负载为纯电阻，采用50Hz正弦交流供电，电源电压有效值在1V～5V时，调整负载电阻，能测量40mW～500mW负载功率，误差小于5％，负载为1000μF电解电容与电阻串联的网络，采用50Hz正弦交流供电。电源电压有效值在1V～5V时，调整负载电阻，能测量40mW～500mW负载有功功率，测量误差小于5％。

1.2技术方案分析比较

(1)核心控制模块的论证与选择

方案一；采用51单片机，编程简易，操作方便，但无AD，EEPROM等功能需要扩展，增加了硬件与软件的负担。

方案二；采用FPGA处理速度快速，且互联网上资料丰富，开发周期短，但结构复杂，比较适用于在逻辑功能及数据处理速度两方面要求较高的系统。

方案三；MSP430是一款16位的单片机，具有强大的处理能力，运算速度快，能在8MH晶体驱动下，实现125ns的指令周期，并且具有超低功耗的特点。

综上，考虑诸多因素，本实用新型选择方案三。

(2)交流功率测量模块的论证与选择

方案一；HLM8032是一款高精度的电能计量IC，主要用于单相应用，它能测量线电压和电流，并能计算功率，HLW8032具有精度高，功耗小，可靠性高等优点。

方案二；SA9904精确度不高，有20个引脚，采用PDID封装，占用空间大，使得产品体积变大。

综上，本实用新型选择方案一。

(3)直流功率测量模块模块论证与选择

方案一：采用TI公司的INA19x系列失调电压在150uV，增益选择分别为50v/v、100v/v、200v/v。带宽：高达500KHz，具有完整的电流感测解决方案。

方案二：采用TI公司的INA21X系列宽共模范围：-0.3～26V,失调电压：35uV，增益选择分别为50v/v、100v/v、200v/v，500v/v，1000v/v，增益误差1％。

综上所述，INA21x系列比INA19x系列增益选择性多，失调电压比INA19x系列小的多，所以本实用新型选择INA21x系列做为直流功率测量模块。

(4)显示模块选择与论证

方案一：液晶12864体积较大，需要背光，所以功耗较大，响应速度慢没有OLED快，且内部有液晶不抗震。

方案二：OLED体积小，占用空间小，不需要背光，功耗低，响应速度快，OLED内部为固体，抗震，系统稳定性高。

综上，本实用新型选择OLED作为显示模块。

(5)交直流信号控制模块

方案一：采集继电器来控制，元件少，易于控制，操作方便，利用单片机操作方便。

方案二：利用相关电路控制，但元件数大，大大的增加了焊接的难度，提高了出错的可能性，降低系统的稳定性。

综上，本实用新型选择方案一。

1.3系统结构工作原理

如图1所示，本实用新型所提供的基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置，主要包括；核心控制模块MSP430F5529单片机，INA210直流检测模块，HLW8032交流检测模块，显示模块等功能模块，单片机分别连接交直流信号辨别采集模块、交直流信号功率测量控制模块和显示模块，单片机的输出端分别连接交流信号下功率测量模块和直流信号下功率测量模块。

1.4功能指标实现方法

(1)直流电测量功率

利用MSP430检测是交流电还是直流电，控制继电器选择不同的测量电路，如果是直流电信号，用INA210芯片获取R1两端的电流，电压获取是通过电阻分压，再经过运放放大，滤波将数据传给MSP430进行AD转换。经过软件计算得出功率，再由OLED显示屏显示。

(2)交流电测量功率

如果是交流电，连接测量交流电电路的继电器闭合，用专用芯片HLW8032测量对应的电流电压，由HLW8032计算得到的数据通过通信传给MSP430。再由OLED显示屏显示。

1.5测量控制分析处理

(1)直流电交流电检测方法实现

利用直流电交流信号的特点，用MSP430不停地扫描，如果检测的电压是一个稳定的值则是直流信号，反之是交流信号。

(2)直流信号下功率测量模块

用INA210采集电流，通过电路分压再通过TLV2316DR运放，滤波，之后由单片机进行AD转换。通过计算从而测出直流电下负载功率。

(3)交流信号下功率测量模块

用HLW8023采集数据，然后利用通信将数据传给单片机，从而在显示屏上显示出负载功率。

2.核心部件电路设计

2.1关键器件性能分析

本系统采用的主要器件有单机MSP430，INA210，HLW8032，运放。

(1)单片机MSP430芯片性能分析

MSP430具有低功耗的特点，计算能力大，使用相对比STM32简单，所以本实用新型选择MSP430。

(2)INA210性能分析

该INA210具有电压输出电流分流监测器，可以整个分流器在共模感下降电压为-0.3V至26V，独立的电源电压低失调零漂移架构使电流检测与整个分流低至最大滴10mV的满量程。这些器件采用+2.7V至+26V工作电源，绘制最多的100μA电源电流。所有版本都规定在扩展的工作温度范围(-40℃至+125℃)，并在SC70封装。

(3)CMOS管HLW8032性能分析

HLW8032是一款高精度的电能计量IC,它采用CMOS制造工艺，主要用于单相应用。它能够测量线电压和电流，并能计算有功功率，视在功率和功率因素。该器件内部集成了两个∑-Δ型ADC和一个高精度的电能计量内核。HLW8032可以通过UART口进行数据通讯，HLW8032采用5V供电，内置3.579M晶振，8PIN的SOP封装。HLW8032具有精度高、功耗小、可靠性高、适用环境能力强等优点，适用于单相两线制电力用户的电能计量。

(4)运放性能分析

低功耗的运算放大器对铁路投入和输出波动，低Quies分值电流(400μA典型)加上10mhz的宽带，以及非常低的噪声(1khz下的12nv/√hz)，以满足各种应用的需求。

2.2电路结构工作原理

(1)交直流信号功率测量控制模块：通过单片机控制继电器选择不同的功率测量电路。具体为：如图2所示，继电器K2串联电阻R1与继电器K1串联电阻R2的线路并联，K2并联二极管D1后一侧连接电源，另一侧连接三极管Q1的集电极，Q1的基极连接电阻R6，发射极接地；K1并联二极管D2后一侧连接电源，另一侧连接三极管Q2的集电极，Q2的基极连接电阻R7，发射极接地。

(2)直流信号下功率测量模块：利用INA210芯片采集电流，再通过电阻分压原理，取电压，再通过软件计算从而得出直流负载的功率，最后在显示屏上显示出来。具体为：如图3所示，包括直流检测模块U2和运算放大器U4，INA210芯片U2的引脚1、2均接地，引脚3连接电源，引脚6连接电阻R18的一端，R18的另一端连接运算放大器U4的引脚3，U4的引脚4和2连接后串联电阻R19后接地，U4的引脚1串联电阻R20后连接在电阻R19与U4的引脚4和2连接点之间，U4的引脚8连接电源，引脚6和7连接后串联电阻R29，然后连接电容C6后接地。

(3)交流信号下功率测量模块：直接利用HLW8032交流检测模块测出功率，然后通过通信传给单片机，最后由显示屏显示出来。具体为：如图4所示，交流检测模块U1，U1的引脚1连接电源，引脚2分别连接电阻R3和电容C1的一端，引脚3分别连接电阻R4和电容C2的一端，C1的另一端和C2的另一端均接地，引脚5接地，引脚6串联电阻R27后分别连接电阻R25的一端以及发送端口TX，电阻R25的另一端接地，引脚8连接输入端口RX。

3.系统总体工作流程

如图5所示：系统初始化，单片机启动内部AD三路转换，接收交直流信号辨别采集模块采集到的信号，判断是交流电还是直流电，若为交流电，单片机发送信号给交直流信号功率测量控制模块，通过其中交流电电路的继电器K1闭合，并通过交流信号下功率测量模块进行测量并显示在显示屏上；若为直流电，单片机发送信号给交直流信号功率测量控制模块，通过其中直流电电路的继电器K2闭合，并通过直流信号下功率测量模块进行测量并显示在显示屏上。

4.成效总结分析

4.1系统测试性能指标

(1)直流信号下功率测量模块测量，R＝50欧姆

V(V)	3.48	2.63	1.67	0.89
					I(A)	0.0666	0.05	0.033	0.0166
P(mW)	231.78	137.50	55.61	14.77
					测量结果	228.10	134.61	56.01	14.02

基本满足误差小于1％的要求。

(2)交流信号下功率测量模块测量

基本满足设计要求误差小于5％的要求。

最大测量电流0.6v，最大测量电压6v，

P＝UI

所测量功率为3.6W。

4.2成效得失对比分析

经过测试可以得到，本实用新型设计制作的简易功率测量装置可以自动识别交流、直流供电，并自动选择量程，精度较高，满足误差小于5％的要求，较好地实现了各项指标。

4.3有益效果

本实用新型采用MSP430为控制电路的核心，巧妙地利用交直流信号的特点，使用单片机控制继电器选择不同的测量电路，从而达到测交直流信号的功能，使用专用的功率测量芯片HLW8032从而提高了装置测量的准确性，提升了本装置的性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置，其特征在于：包括单片机、交直流信号辨别采集模块、交直流信号功率测量控制模块、交流信号下功率测量模块、直流信号下功率测量模块和显示模块，单片机分别连接交直流信号辨别采集模块、交直流信号功率测量控制模块和显示模块，单片机的输出端分别连接交流信号下功率测量模块和直流信号下功率测量模块。

2.根据权利要求1所述的基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置，其特征在于：所述交直流信号功率测量控制模块包括继电器K1和K2，继电器K2串联电阻R1的线路与继电器K1串联电阻R2的线路并联，K2并联二极管D1后一侧连接电源，另一侧连接三极管Q1的集电极，Q1的基极连接电阻R6，发射极接地；K1并联二极管D2后一侧连接电源，另一侧连接三极管Q2的集电极，Q2的基极连接电阻R7，发射极接地。

3.根据权利要求1所述的基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置，其特征在于：所述交流信号下功率测量模块包括交流检测模块U1，所述交流检测模块U1为HLW8032芯片，U1的引脚1连接电源，引脚2分别连接电阻R3和电容C1的一端，引脚3分别连接电阻R4和电容C2的一端，C1的另一端和C2的另一端均接地，引脚5接地，引脚6串联电阻R27后分别连接电阻R25的一端以及发送端口TX，电阻R25的另一端接地，引脚8连接输入端口RX。

4.根据权利要求1所述的基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置，其特征在于：所述直流信号下功率测量模块包括直流检测模块U2和运算放大器U4，所述运算放大器U4为TLV2316DR运算放大器，INA210芯片U2的引脚1、2均接地，引脚3连接电源，引脚6连接电阻R18的一端，R18的另一端连接运算放大器U4的引脚3，U4的引脚4和2连接后串联电阻R19后接地，U4的引脚1串联电阻R20后连接在电阻R19与U4的引脚4和2连接点之间，U4的引脚8连接电源，引脚6和7连接后串联电阻R29，然后连接电容C6后接地。

5.根据权利要求4所述的基于数据采集可自动识别交直流信号的电功率测量装置，其特征在于：所述单片机为MSP430型单片机，所述显示模块为OLED显示屏。