【技术大神】R5F117BC单片机在交流电压电流检测的应用

2016-12-26 技术大神活动文章

近年来随着消防报警设备在各类建筑中的推广普及,市场上对消防设备电源监控系统的需求与日俱增。在一项目中笔者就需要设计一种针对消防设备电源的监测设备,其能够实时监测消防设备电源的运行状态,判断消防设备电源是否出现供电中断、欠压、过压和过流等故障。


工作原理
消防设备电源来自于电网220V工频交流电。常用交流电压和电流互感器来实现消防设备电源中单相或三相交流电源的实时监控和采集。交流电源电压和电流的检测原理,就是通过电压互感器和电流互感器将交流电源的高压高电流转换成单片机可以检测处理的低电压。根据实际应用需求,交流电压检测范围为AC200V-AC400V,交流电流检测范围为AC0.5A-AC5A。


图1:交流电源电压检测


如图1所示,电源的交变电压信号通过串联限流电阻输入电流型电压互感器的一次侧绕组,经互感器二次侧输出,输出匹配电阻将输出的电流信号转换为电压信号,送单片机采样处理。串联电路选用了5个49.9KΩ电阻,当输入电压分别为220V时和380V时,电流分别为0.88mA和1.5mA,满足互感器2mA的线性变换范围。


图2:交流电源电流检测


如图2所示,交流电源的电流信号直接接入电流互感器一次侧绕组,感应电流经互感器的二次侧输出,输出匹配电阻将电流信号转换为电压信号,在经过运放放大后,送单片机采样处理。


器件选型

对于三相交流电源,根据电路的检测原理,在硬件上需要具有3路ADC和3路运算放大器分别实现电压和电流的检测。针对电路需求,笔者选用了瑞萨RL78/I1D系列中的R5F117BC单片机作为主控制芯片。该芯片内部有12路AD转换通道和4路运算放大器,在引脚功能上集成在一起(每路运放3个引脚,4路运放正好集成12路AD),因此满足笔者的监测电路的设计需求。


在电路的管脚分配上,将运放amp0集成的3个AD通道分别用于与三相电源对应的三路电压互感器输出信号的模数转换;将运放amp1,amp2,amp3用于三路互感器电流信号的放大和模数转换(芯片内部已经将运放输出与相应的AD转换通道相连),系统连接如图3所示。


图3:系统框图


总结
瑞萨R5F117BC单片机内部具有丰富的模数转换通道和多路运算放大器,非常适合需要对多路模拟信号进行转换和放大处理的应用场合。其模拟外设的高度集成性,使用户省去了外加运放和AD转换器的烦恼。当系统设计方案对整体功耗、线路板尺寸、BOM成本等方面有较高要求时,该芯片是一个较好的选择。事实上,瑞萨RL78/I1D系列中的多款单片机芯片都是为多路信号处理而设计的,用户可以根据自身需要选择性价比适合的单片机。


作者:开普敦

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