便携式交流电压峰值表实现
前 言
交流电压峰值是指交流电压的最大值(正峰值)或最小值(负峰值)，是工业生产过程中一个非常重要的参数。为保证用电设备的安全，对供电电压的峰值进行检测具有重要意义。针对以上缺点，采用msp430系列单片机、max1270模/数转换器，并利用modbus-rtu 协议，成功地开发出了低成本、便携、智能的峰值表设备。
1 测量原理
由于供电电网的波动及电网的电压波形是一种非标准正弦波，其峰值不能通过平均值或有效值间接计算。该系统采用对非标准正弦波在一个周期内多次采样，并通过冒泡法比较采样值，得到电压的最大值或最小值作为其正峰值和负峰值。显然只要采样密度适当，完全可以得到真实的电压峰值。我国交流电的频率为50 hz，设计中采样频率设置为10 khz，即每个交流波形周期中采样200次，足以正确地反映出电压的变化情况，从而确定电压的峰值。
2 硬件设计
设计中，以msp430f449单片机、max1270模/数转换器为主要器件。前端a/d输入采用电阻分压方式将交流电进行降压;采用rs 485芯片作为通信接口芯片，硬件框图如图1所示。
2.1 a/d输入调理保护电路设计
以220 v交流电为例，其理论峰值电压为311 v，但考虑到电网波动、正弦波失真等，电压峰值很可能超过311 v，这时可根据工作经验和实测情况，选定一个电压值作为电压可能达到的最大值，假定为500 v。如果max1270的输入范围设置为±5 v，则分压电阻的分压比应设置为100：1。分压后的电压经过运放缓冲后作为a/d芯片的输入，为保护后级a/d转换芯片，设置两个稳压二极管组成限幅电路。输入调理电路如图2所示。
2.2 a/d转换电路
a/d转换电路采用max1270芯片，max1270是8通道、多量程双极性输入、串行输出、逐次逼近型12位a/d转换器，最高采样率为110 ks/s。在单+5 v电源供电下，可通过编程实现±5 v，±1o v，5 v，10 v量程。其中，双极性输入十分适合作为交流电压测量。
max1270转换电路如图2所示，由msp430f449的i/o口线控制max1270的串行接口。由于max1270在5 v电压供电下，输出4.5 v以上高电平，而msp430f449的i/o口电平为3.3 v，因此必须附加一个接口芯片，以实现5～3.3 v的电平转换，这里采用max3001双向电平转换芯片。a/d转换电路如图3所示。
2.3 rs485接口电路
该设计采用rs 485总线，可通过电缆或光纤将信号有效地远传上千米，配合modbus-rtu协议，可方便地与符合modbus-rtu协议的控制设备连接。设计中采用max3485芯片作为rs 485接口芯片，电路如图4所示。
3 软件设计
设计中，主要的软件模块包括a/d转换，modbus-rtu协议和串口编程。对于串口编程不再赘述，主要对max1270和modbus-rtu协议进行说明。
3.1 max1270编程
max1270的控制字格式如表1所示，最高start为起始位，保持为“1”;sel2～sel0为输入通道选择位;rng，bip分别为量程和极性选择位;pd1和pd0为掉电和时钟模式选择位。各位的具体意义请参考max1270数据手册。该设计中，max1270设置为：量程10 v，双极性输入(即实现土5 v测量)、外部时钟25 clk/s正常操作模式，使用通道ch0作为输入通道，控制字的格式为10000101。
3.2 modbus-rtu协议
modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信。modbus -rtu是modbus协议的一种传输模式，在该模式下，消息中的每个8 b包含2个4 b的16进制字符。mod-bus协议的核心程序是crc校验程序的编写。该系统中采用crc-16校验法，具体程序实现如下：
3.3 其他重要子程序
程序中采用定时器中断触发每次采样，保证采集周期的精度，同时每次采集时都以过零点作为采集数据的开始。这两点都有利于提高系统精度。
4 测试结果
通过施加标准正弦波、非标准正弦波、三角波测试，可使该表的峰值测量精度高于1级，完全满足工业现场设备供电检测的需求。该表与工控组态软件mcgs配合，工作良好。此外，该表除了测量峰值以外，还扩展了电压平均值、有效值的计算，设计成一个具有多功能的智能仪表。
5 结 语
该表的体积小，功耗低，可使用于电池或蓄电池供电，非常适合作为编携式设备，随身携带，也可作为功能模块直接安装在工业现场设备对电网供电电压峰值、有效值等参数进行监测。
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1 测量原理
由于供电电网的波动及电网的电压波形是一种非标准正弦波，其峰值不能通过平均值或有效值间接计算。该系统采用对非标准正弦波在一个周期内多次采样，并通过冒泡法比较采样值，得到电压的最大值或最小值作为其正峰值和负峰值。显然只要采样密度适当，完全可以得到真实的电压峰值。我国交流电的频率为50 hz，设计中采样频率设置为10 khz，即每个交流波形周期中采样200次，足以正确地反映出电压的变化情况，从而确定电压的峰值。
2 硬件设计
设计中，以msp430f449单片机、max1270模/数转换器为主要器件。前端a/d输入采用电阻分压方式将交流电进行降压;采用rs 485芯片作为通信接口芯片，硬件框图如图1所示。
2.1 a/d输入调理保护电路设计
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2.2 a/d转换电路
a/d转换电路采用max1270芯片，max1270是8通道、多量程双极性输入、串行输出、逐次逼近型12位a/d转换器，最高采样率为110 ks/s。在单+5 v电源供电下，可通过编程实现±5 v，±1o v，5 v，10 v量程。其中，双极性输入十分适合作为交流电压测量。
max1270转换电路如图2所示，由msp430f449的i/o口线控制max1270的串行接口。由于max1270在5 v电压供电下，输出4.5 v以上高电平，而msp430f449的i/o口电平为3.3 v，因此必须附加一个接口芯片，以实现5～3.3 v的电平转换，这里采用max3001双向电平转换芯片。a/d转换电路如图3所示。
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5 结 语
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