專利名稱：一種基于微控制器的交流信號采集電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微控制器的交流信號采集電路及方法，屬于電力信號采集領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在一些工業(yè)企業(yè)中，經(jīng)常需要采集220V交流電的電壓信號，以便監(jiān)控交流電的質(zhì)量。220V交流電經(jīng)過電壓互感器后依然是交流信號，通常微控制器中嵌有并行的A/D轉(zhuǎn)換器，但只能直接采集直流信號。為了采集交流信號，需要對交流信號進(jìn)行處理。經(jīng)過電壓互感器后，目前的方法多采用運(yùn)放作加法器，以便將交流信號加上一個(gè)正的基準(zhǔn)電壓，從而將交流信號處理成直流信號，進(jìn)一步進(jìn)行A/D采集。對于8位A/DC，如果基準(zhǔn)電壓為5V。那么其分辨率為q=5/ (28-1) =0 . 0 1 96V,也就是其量化誤差為q/2=0. 0098V。假定直流信號測量 值為0. 2V 4V，測量值的最大和最小相對誤差分別出現(xiàn)在0. 2V和4V附近，即最大相對誤差約為0. 0098/0. 2=4. 9%，最小相對誤差約為0. 0098/4=0. 245%，可見，模擬量值越小，相對誤差越大，也就是相對精度越低，或者說相對精度越小。通常，為了保證電力參數(shù)的計(jì)算精度，在一個(gè)信號周期內(nèi)需要至少采集256個(gè)點(diǎn)，并且256個(gè)點(diǎn)具有較大的電壓范圍。然而，微控制器內(nèi)嵌A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)是確定的，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了采集信號的精度，但256個(gè)點(diǎn)的相對精度相差較大。在實(shí)際中，我們經(jīng)常遇到這種情況，系統(tǒng)微控制器選用了 8位的微控制器，其內(nèi)嵌的8位A/D轉(zhuǎn)換器無法滿足系統(tǒng)的相對精度要求，而9位的A/D轉(zhuǎn)換器才能滿足系統(tǒng)的相對精度要求，目前的解決辦法有是外擴(kuò)高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，這樣做的結(jié)果是硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，數(shù)據(jù)讀寫軟件復(fù)雜，成本提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在不改變微控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的情況下，提高交流信號采集的精度，使?jié)M足系統(tǒng)的相對精度要求。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而提供一種基于微控制器的交流信號采集電路，包括微控制器和運(yùn)算放大器，所述的運(yùn)算放大器的同相輸入端通過一電壓互感器與待采集的交流信號相連，反相輸入端通過一電阻與一開關(guān)相連，該開關(guān)與兩路基準(zhǔn)電源相連，運(yùn)算放大器的輸出端與微控制器的A/D米樣端口相連,微控制器的I/O 口上連接有繼電器,該繼電器與所述的開關(guān)，用與對兩路基準(zhǔn)電源進(jìn)行選擇。所述的兩路基準(zhǔn)電源中電壓值相對較大的一路電源是通過將較小的一路電源連入到一同相運(yùn)算放大器的同相輸入端得到。
所述的運(yùn)算放大器輸出端與微處理器的A/D采樣端口之間連接有阻容濾波電路。本發(fā)明為解決上述技術(shù)還提出了一種基于微控制器的交流信號采集方法，該方法的步驟如下
1).將待采集的交流信號處理成小幅值交流信號；
2).根據(jù)微控制器A/D采樣的位數(shù)和所要達(dá)到的精度要求以及得到小幅值交流信號設(shè)置兩路基準(zhǔn)電源；
3).將得到的小幅值交流信號通過放大電路連入微控制器的A/D采樣端口；
4).將兩路基準(zhǔn)電源中的一路基準(zhǔn)電源通過電阻連入同相比例放大電路的反相輸入端，以便抬高該運(yùn)放電路的電壓基準(zhǔn)，并且初始時(shí)連入較小基準(zhǔn)電源；
5 ).利用微控制器的I/O 口控制連入放大電路的基準(zhǔn)電源，以得到符合精度要求的采
樣信號。所述的步驟4)的具體過程為一旦采集的交流信號幅值大于或等于連入放大電路中的基準(zhǔn)電源時(shí)，微控制器繼續(xù)采集信號數(shù)據(jù)，而一旦小于連入的較小基準(zhǔn)電源電壓值時(shí)，則微控制器通過I/O 口發(fā)出控制信號，將連入放大電路基準(zhǔn)電源斷開，將另一路未連入放大電路的較大基準(zhǔn)電源連到放大電路中，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，而一旦大于或等于連入的較大基準(zhǔn)電源時(shí)，則微控制器通過I/o 口發(fā)出控制信號，將連入放大電路基準(zhǔn)電源斷開，將另一路 未連入放大電路的較小基準(zhǔn)電源連到放大電路中，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，重復(fù)上述過程得到符合要求的交流信號。所述的兩路基準(zhǔn)電源中電壓值相對較大的一路電源是通過將較小的一路電源連入到一同相運(yùn)算放大器的同相輸入端得到。所述的放大電路的輸出端和微處理器的A/D采樣端口之間連接有阻容濾波電路，用于對采樣的信號進(jìn)行濾波處理。本發(fā)明的有益效果是在使用微控制器內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，不增加A/D位數(shù)，僅通過增加模擬開關(guān)及相應(yīng)電路，就提高了 A/D轉(zhuǎn)換的相對精度，使用非常方便。


圖I是本發(fā)明的一種基于微控制器的交流信號采集電路的實(shí)施例中的交流信號采集電路 圖2是本發(fā)明一種基于微控制器的交流信號采集方法實(shí)施例中的的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步說明。一種交流信號采集電路的實(shí)施例
如圖I所示，一種基于微控制器的交流信號采集電路包括微控制器、運(yùn)放NI、繼電器、運(yùn)放N2、電壓互感器、電容Cl和電阻Rl至R6，待采樣的220V交流信號通過電壓互感器和電阻Rl連接運(yùn)放NI的同相輸入端，運(yùn)放NI的反相輸入端通過電阻R2和繼電器與基準(zhǔn)電源3. IV及運(yùn)放N2的輸出端相連，運(yùn)放NI的輸出端通過R6和Cl構(gòu)成的濾波單元與微控制器的A/D端口相連，繼電器控制端與微控制器的I/O相連，運(yùn)放N2的同相輸入端通過電阻R3與基準(zhǔn)電源3. IV相連，反相輸入端通過電阻R5接地，反相輸入端和輸出端之間通過電阻R5相連，構(gòu)成負(fù)反饋，電阻Rl、R2和R3相同，R4和R5相同，運(yùn)放N2從基準(zhǔn)電源3. IV得到4. 65V ;電壓互感器將220V交流信號處理成-I. 55疒I. 55V的小幅值交流信號；運(yùn)放NI反相端通過電阻R2接至基準(zhǔn)電源3. IV，進(jìn)一步處理得到的小幅值直流信號，并在濾波后送給微控制器進(jìn)行AD采樣。為提高相對精度，微控制器執(zhí)行程序流程如下
初始時(shí)，微控制器通過I/O 口控制繼電器，選通較小基準(zhǔn)電源3. IV ；一旦采集的交流信號幅值大于或等于3. IV，微控制器繼續(xù)采集電壓數(shù)據(jù)，而一旦小于
3.IV，則微控制器通過I/O 口發(fā)出控制信號，驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，將運(yùn)放NI反相端通過電阻R2接至基準(zhǔn)電源4. 65V，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)；
一旦采集的交流信號幅值小于4. 65V，微控制器繼續(xù)采集電壓數(shù)據(jù)，而一旦大于或等于
4.65V，則微控制器通過I/O 口發(fā)出控制信號，驅(qū)動(dòng)繼電器斷開，將運(yùn)放NI反相端通過電阻R2接至基準(zhǔn)電源3. IV，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)；
重復(fù)上述步驟，實(shí)現(xiàn)交流信號的采集。假定繼電器在斷電情況下，將3. IV基準(zhǔn)電源通過電阻R2接至運(yùn)放NI的反相輸 入端口。在主程序中，設(shè)置繼電器吸合標(biāo)志為全局變量Jdq，并令其初始值為O。啟動(dòng)定時(shí)中斷，假定220V交流信號周期為1/50=0. 02s=20ms,故中斷周期為20/255 ^ O. 0784ms。一種交流信號采集方法的實(shí)施例 該交流信號采集方法的具體步驟如下
I.利用電壓互感器將待采集220V交流信號處理成-I. 55疒I. 55V的小幅值交流信號。2.根據(jù)微控制器A/D采樣的位數(shù)8位和所要達(dá)到的精度要求以及得到小幅值交流信號設(shè)置兩路基準(zhǔn)電源3. IV和4. 65V。3.將得到的小幅值交流信號通過放大電路連入微控制器的A/D采樣端口，將兩路基準(zhǔn)電源中的一路基準(zhǔn)電源通過電阻連入同相比例放大電路的反相輸入端，以便抬高該運(yùn)放電路的電壓基準(zhǔn)，并且初始時(shí)連入較小基準(zhǔn)電源，該放大電路為運(yùn)放NI，運(yùn)放NI的同相輸入端通過電阻Rl和電壓互感器連入待采樣的220V交流信號中，運(yùn)放NI的反相輸入端通過電阻R2和繼電器與基準(zhǔn)電源3. IV及運(yùn)放N2的輸出端相連，運(yùn)放NI的輸出端通過R6和Cl構(gòu)成的濾波單元與微控制器的A/D端口相連，繼電器控制端與微控制器的I/O相連，運(yùn)放N2的同相輸入端通過電阻R3與基準(zhǔn)電源3. IV相連用于從基準(zhǔn)電源3. IV得到4. 65V。4.利用微控制器的I/O 口控制連入放大電路的基準(zhǔn)電源，以得到符合精度要求的采樣信號。一旦采集的交流信號幅值大于或等于3. IV，微控制器繼續(xù)采集電壓數(shù)據(jù)，而一旦小于3. IV，則微控制器通過I/O 口發(fā)出控制信號，驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，將運(yùn)放NI反相端通過電阻R2接至基準(zhǔn)電源4. 65V，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)；一旦采集的交流信號幅值小于4. 65V，微控制器繼續(xù)采集電壓數(shù)據(jù)，而一旦大于或等于4. 65V，則微控制器通過I/O 口發(fā)出控制信號，驅(qū)動(dòng)繼電器斷開，將運(yùn)放N2反相端通過電阻R2接至基準(zhǔn)電源3. IV，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。圖2給出了采集模擬量值的中斷程序流程，現(xiàn)在詳述如下
在步驟201中，進(jìn)入定時(shí)中斷程序，保護(hù)現(xiàn)場；
在步驟202中，微控制器通過內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換器采集模擬量；
在步驟203中，將模擬量值存儲于設(shè)定的存儲空間中；
在步驟204中，如果變量Jdq=O,則執(zhí)行步驟205，否則執(zhí)行步驟207;
在步驟205中，測試A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是否〈3. IV，如果〈3. IV,執(zhí)行步驟206，否這執(zhí)行步驟 209 ；
在步驟206中，微控制器發(fā)出吸合繼電器指令，并令Jdq=I,然后執(zhí)行步驟209 ；在步驟207中，測試A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是否彡4. 65V，如果彡4. 65V,執(zhí)行步驟208，否這執(zhí)行步驟209 ；
在步驟208中，微控制器發(fā)出斷開繼電器指令，并令Jdq=O ；在步驟209中，恢復(fù)現(xiàn)場，退出定時(shí)中斷程序。通過以上步驟，對于運(yùn)放N I，如果其反相輸入端通過電阻接至3. IV，則其輸出為同相端輸入電壓加上3. IV，故其輸出電壓為I. 55疒4. 65V，其最大相對誤差約為O. 0098/1. 55=0. 63% ;為了將其精度提高至9位A/D的精度，對于I. 55疒3. IV的電壓輸入，如果將其反相輸入端通過電阻接至基準(zhǔn)電源4. 65V，則其輸出為同相端輸入電壓加上4. 65V，故其輸出電壓為3. I疒4. 65V，其最大相對誤差約為O. 0098/3. 1=0. 32% ;而如果A/D轉(zhuǎn)換器為9位，其量化單位q為I. 6ImV (5V/511 ^ O. 0098V)，量化誤差為q/2=0. 0049V，采樣最小值I. 55V的相對精度約為O. 0049/1. 55 O. 32%。也就是經(jīng)過處理后，交流信號采集的相對精度達(dá)到了 9位A/D的精度。本發(fā)明所述的實(shí)施例中，給出的基準(zhǔn)電源為3. IV和4. 65V，這兩個(gè)值是可以根據(jù) 相對精度要求進(jìn)行設(shè)定，運(yùn)放放大倍數(shù)可以通過調(diào)整電阻控制。具體變化情況與實(shí)施例類同，不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種基于微控制器的交流信號采集電路，包括微控制器和運(yùn)算放大器，其特征在于所述的運(yùn)算放大器的同相輸入端通過一電壓互感器與待采集的交流信號相連，反相輸入端通過一電阻與一開關(guān)相連，該開關(guān)與兩路基準(zhǔn)電源相連，運(yùn)算放大器的輸出端與微控制器的A/D采樣端口相連，微控制器的I/O 口上連接有繼電器，該繼電器與所述的開關(guān)，用于對兩路基準(zhǔn)電源進(jìn)行選擇。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微控制器的交流信號采集電路，其特征在于所述的兩路基準(zhǔn)電源中電壓值相對較小的一路電源由外部提供，而電壓值較大的一路電源是通過將較小的一路電源連入到一同相運(yùn)算放大器的同相輸入端得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于微控制器的交流信號采集電路，其特征在于所述的運(yùn)算放大器輸出端與微處理器的A/D采樣端口之間連接有阻容濾波電路。
4.一種基于微控制器的交流信號采集方法，其特征在于該交流信號采集方法的步驟如下 1).將待采集的交流信號處理成小幅值交流信號； 2).根據(jù)微控制器A/D采樣的位數(shù)和所要達(dá)到的精度要求以及得到小幅值交流信號設(shè)置兩路基準(zhǔn)電源； 3).將得到的小幅值交流信號通過放大電路連入微控制器的A/D采樣端口； 4).將兩路基準(zhǔn)電源中的某一路基準(zhǔn)電源通過電阻連入同相比例放大電路的反相輸入端，以便抬聞該運(yùn)放電路的電壓基準(zhǔn)； 5).利用微控制器的I/O口控制連入放大電路的基準(zhǔn)電源，以得到符合精度要求的采樣信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微控制器的交流信號采集方法，其特征在于所述的步驟4)的具體過程為一旦采集的交流信號幅值大于或等于連入放大電路中的基準(zhǔn)電源時(shí)，微控制器繼續(xù)采集信號數(shù)據(jù)，而一旦小于連入的某一基準(zhǔn)電源時(shí)，則微控制器通過I/O 口發(fā)出控制信號，將連入放大電路基準(zhǔn)電源斷開，將另一路未連入放大電路的基準(zhǔn)電源連到放大電路中，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，重復(fù)上述過程得到符合要求的交流信號采集。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于微控制器的交流信號采集方法，其特征在于所述的兩路基準(zhǔn)電源中電壓值相對較大的一路電源是通過將較小的一路電源連入到一同相比例運(yùn)算放大電路的同相輸入端得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于微控制器的交流信號采集方法，其特征在于所述的放大電路的輸出端和微處理器的A/D采樣端口之間連接有阻容濾波電路，用于對采樣的信號進(jìn)行濾波處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于微控制器的交流信號采集電路及方法，包括微控制器和運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器的同相輸入端與待采集的交流信號相連，反相輸入端通過一電阻與兩路基準(zhǔn)電源相連，所述的微控制器的I/O口上還連接有繼電器，該繼電器與所述的兩路基準(zhǔn)電源相連，用于對兩路基準(zhǔn)電源進(jìn)行選擇。本發(fā)明在使用帶有內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換器的微控制器對交流信號進(jìn)行采樣時(shí)，不需要增加A/D位數(shù)，只需要通過增加相應(yīng)的電路，就能提高采樣值的相對精度，滿足系統(tǒng)所需的精度要求，使用方便。
文檔編號G01R19/25GK102707128SQ20121000589
公開日2012年10月3日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者劉翠蘋, 張松燦, 張海濤, 徐迎曦, 曹鋒 申請人:河南科技大學(xué)