單相電參數(shù)快速采集模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種單相電參數(shù)快速采集模塊，包括電源輔助電路、電參數(shù)采集電路、電參數(shù)計(jì)算電路、單片機(jī)工作電路、信號隔離電路及RS485通信隔離電路。電源輔助電路分別與電參數(shù)采集電路、電參數(shù)計(jì)算電路、單片機(jī)工作電路、信號隔離電路、RS485通信隔離電路相連接；電參數(shù)計(jì)算電路與電參數(shù)采集電路、信號隔離電路相連接；單片機(jī)工作電路與信號隔離電路、RS485通信隔離電路相連接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：通過實(shí)時采集單相電的電流和電壓，能夠獲得單相電的電流有效值、電壓有效值、功率因數(shù)、有功功率、無功功率，以及有功電能、無功電能。上述電參數(shù)可通過RS485接口向外傳輸，符合MODBUS通訊協(xié)議。
【專利說明】單相電參數(shù)快速采集模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采集模塊，特別涉及一種單相電參數(shù)快速采集模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界正在進(jìn)行一場能源產(chǎn)業(yè)革命，其發(fā)展的關(guān)鍵一是發(fā)展可再生能源，降低不可再生能源在能源消費(fèi)中的占比；二是節(jié)能減排，在現(xiàn)有的能源基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)革新，提高能源的利用效率。電能是中國最廣泛使用的能源。隨著生活水平的提高和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國對電能的消耗越來越高，電能的使用效率卻越來越低，究其原因，主要是能耗監(jiān)督管理信息化水平不高，監(jiān)管手段滯后，行業(yè)監(jiān)管信息不能動態(tài)、準(zhǔn)確、實(shí)時地采集，監(jiān)管部門無法及時、完整、準(zhǔn)確地掌握電力用戶的用電信息，從而使主管部門在制定節(jié)能管理和宏觀調(diào)控時缺乏科學(xué)有效的依據(jù)。只有對電能進(jìn)行精確采集、計(jì)量與實(shí)時監(jiān)控、分析，并對負(fù)荷進(jìn)行管理，才能達(dá)到良好的節(jié)能減排效果，提高電能的利用效率。
[0003]另一方面，電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展給電力系統(tǒng)自動化帶來了很大的變革，但同時也給電力系統(tǒng)帶來許多不穩(wěn)定因素，致使電能質(zhì)量日益惡化。由于電網(wǎng)中的自動調(diào)壓、無功自動補(bǔ)償裝置的正確動作率不高等原因，造成用戶端電壓不穩(wěn)定，用電高峰時電壓過低，而在用電低谷時電壓偏高，電網(wǎng)的頻率有時也會受到電網(wǎng)負(fù)載過重的影響，而沖擊性負(fù)載的接入則使得電壓閃變的現(xiàn)象時常發(fā)生。以上這些現(xiàn)象對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行極為不利，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至還會對電能質(zhì)量要求較高的電力用戶造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。若能對重要的電力設(shè)施、電力線的電壓、電流或其它參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并根據(jù)電力設(shè)施的工作參數(shù)設(shè)置預(yù)警值，當(dāng)監(jiān)測到的電參數(shù)達(dá)到其閾值時，進(jìn)行實(shí)時報(bào)警，則可大大增加用電的安全性。
[0004]基于以上兩種情況，開發(fā)能快速監(jiān)測電參數(shù)的采集模塊是很有必要的。普通居民生活用電、低壓商業(yè)用電、低壓辦公用電以及小型機(jī)械用電通常以單相電為主。目前市面上已有的單相電參數(shù)采集模塊多是使用電流互感器采集電流。電流互感器盡管價格較低，但是存在因相移導(dǎo)致的遲滯和飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致測量時產(chǎn)生相位誤差，影響測量精度；同時電流互感器的動態(tài)電流感應(yīng)范圍較小，不具備快速監(jiān)測的特點(diǎn)。霍爾效應(yīng)電流傳感器響應(yīng)速度快，檢測精度高，動態(tài)電流感應(yīng)范圍廣，非常適合在電參數(shù)的快速采集中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題在于提供一種單相電參數(shù)快速采集模塊，利用該單相電參數(shù)快速采集模塊能夠?qū)崟r采集單相電的電流有效值、電壓有效值、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能，采集到的數(shù)據(jù)可通過RS485總線向外傳輸。
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的:一種單相電參數(shù)快速采集模塊，包括電源輔助電路、電參數(shù)采集電路、電參數(shù)計(jì)算電路、信號隔離電路、單片機(jī)工作電路及RS485通信隔離電路，電源輔助電路分別與電參數(shù)采集電路、電參數(shù)計(jì)算電路、單片機(jī)工作電路、信號隔離電路、RS485通信隔離電路相連接；電參數(shù)計(jì)算電路與電參數(shù)采集電路、信號隔離電路相連接；單片機(jī)工作電路與信號隔離電路、RS485通信隔離電路相連接。
[0007]具體的，所述的電源輔助電路包括電源芯片V1、V3、電源模塊V2、電感L1、L2、電容Cl?C8、電阻Rl?R6、發(fā)光二極管LED1、LED2、二極管Dl?D4、電源輸入接口 J1、隔離變壓器Tl ；
[0008]Jl為24V電源輸入接口，Jl的24V電源正極輸入端接雙向二極管Dl的一端和D2的正極，Jl的24V電源負(fù)極輸入端為單相電參數(shù)快速采集模塊的一個地(GND2)，該腳(GND2)與Dl的另一端、電容Cl的負(fù)極、電源芯片Vl的3腳和5腳、二極管D3的正極、電容C2的負(fù)極、發(fā)光二極管LEDl的負(fù)極相連接，二極管D2的負(fù)極與電容Cl的正極、電源芯片Vl的I腳相連接，電源芯片Vl的2腳與二極管D3的負(fù)極相連，并通過電感LI與電源芯片Vl的4腳、電容C2的正極、電阻Rl的一端相連接，Rl的另一端與發(fā)光二極管LEDl的正極相連接，電源芯片Vl的4腳為第一組電源(5V-MCU)輸出端；
[0009]電源模塊V2的I腳與電容Cl的正極相連，電源模塊V2的2腳接地GND2，電源模塊V2的3腳為-15V電源輸出端，該腳與電容C3的負(fù)極和電容C4的一端相連接，電源模塊V2的4腳為單相電參數(shù)快速采集模塊的第二個地(AGND1)，該腳與電容C3的正極、電容C4的另一端、電容C5的負(fù)極、電容C6的一端相連接，電源模塊V2的5腳為+15V電源輸出端，該腳與電容C5的正極和電容C6的另一端相連接；
[0010]電源芯片V3的I腳和電容C7的正極相連后，與電源模塊V2的5腳相連接，電源芯片V3的3腳和5腳相連后，與電源模塊V2的4腳(AGNDl )、電容C7的負(fù)極、二極管D4的正極、電容C8的負(fù)極、發(fā)光二極管LED2的負(fù)極相連，電源芯片V3的2腳與二極管D4的負(fù)極相連，并通過電感L2與電源芯片V3的4腳、電容C8的正極、電阻R2的一端相連接，R2的另一端與發(fā)光二極管LED2的正極相連接，電源芯片V3的4腳為3.3V電源輸出端；
[0011]隔離變壓器Tl的I腳通過電阻R3連接電源5V-MCU、2腳與地GND2相連，3腳與電阻R4的一端相連、4腳為單相電參數(shù)快速采集模塊第三個地(GND3)，R4的另一端為第二組電源(5V-485)輸出端、；
[0012]電源芯片V3的4腳(3.3V)分別與電阻R5的一端和電阻R6的一端相連，電阻R5的另一端為第三組電源(3.3V-ADE)輸出端，電阻R6的另一端為第四組電源(3.3V-ADUM)輸出端。
[0013]具體的，所述的電參數(shù)采集電路包括電流傳感器TA、電阻R7?R13、電容C9?C12、磁珠El?E4、電壓輸入接口 J2 ；
[0014]電流傳感器TA的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TA的3腳通過電阻R7接地AGNDI，并通過磁珠El與電阻R8的一端相連接，R8的另一端通過電容C9接地AGND1，并與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的5腳相連接，磁珠E2的一端接地AGNDl，另一端與電阻R9的一端相連接，R9的另一端通過電容ClO接地AGNDl，并與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的6腳相連接；
[0015]電壓輸入接口 J2的一端通過磁珠E3與電阻RlO的一端相連接，RlO的另一端通過電阻Rll與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的12腳相連接，R12和Cll并聯(lián)，兩者的一個公共端與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的12腳相連接，另一個公共端接地AGND1，電壓輸入接口 J2的另一端通過磁珠E4接電阻R13的一端，R13的另一端與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的11腳相連接，并通過電容C12接地AGNDl。
[0016]具體的，所述的電參數(shù)計(jì)算電路包括電量檢測芯片U1、電容C13?C22、電阻R14?R17、發(fā)光二極管LED3?LED5、晶振Yl ；
[0017]電量檢測芯片Ul的3腳與電容C19的正極和電容C20的一端相連接，電容C19的負(fù)極和電容C20的另一端相連接后接地DGNDl，電量檢測芯片Ul的4腳接地DGNDl，電量檢測芯片Ul的13腳與電容C15的正極和電容C16的一端相連接，電容C15的負(fù)極和電容C16的另一端相連接后接地AGNDl，電量檢測芯片Ul的15腳與電容C17的正極和電容C18的一端相連接，電容C17的負(fù)極和電容C18的另一端相連接后接地AGNDl，電量檢測芯片Ul的9腳、10腳、14腳、16腳、29腳接地AGND1，電量檢測芯片Ul的18腳通過電容C21接地AGND1，電量檢測芯片Ul的19腳通過電容C22接地AGNDl，并通過晶振Yl與電量檢測芯片Ul的18腳相連接，電量檢測芯片Ul的17腳與電容C13的正極和電容C14的一端相連接，電容C13的負(fù)極的和電容C14的另一端相連接后接地AGNDl，電量檢測芯片Ul的7腳、8腳、17腳接3.3V-ADE 電源；
[0018]電量檢測芯片Ul的23腳通過電阻R14與發(fā)光二極管LED3的正極相連接，LED3的負(fù)極接地DGND1，電量檢測芯片Ul的24腳通過電阻R15與發(fā)光二極管LED4的正極相連接，LED4的負(fù)極接地DGND1，電量檢測芯片Ul的20腳通過電阻R16與發(fā)光二極管LED5的正極相連接，LED5的負(fù)極接地DGNDl地DGNDl通過電阻Rl7與地AGNDl相連接；
[0019]電量檢測芯片Ul的I腳、2腳、21腳、22腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U3的3腳、6腳、4腳、5腳相連接，電量檢測芯片Ul的25腳、26腳、27腳、28腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U2的13腳、11腳、12腳、14腳相連接。
[0020]具體的，所述的信號隔離電路包括數(shù)字隔離芯片U2、U3、電阻R18?R21 ;
[0021]數(shù)字隔離芯片U2的I腳通過電阻R18接U2的7腳，并連接5V-MCU電源，數(shù)字隔離芯片U2的2腳和8腳相連接后接地GND2，數(shù)字隔離芯片U2的9腳和15腳相連接后接地DGNDl，數(shù)字隔離芯片U2的16腳通過電阻R19與U2的10腳相連接，并連接3.3V-ADUM電源；
[0022]數(shù)字隔離芯片U3的I腳通過電阻R20接U3的7腳，并連接3.3V-ADUM電源，數(shù)字隔離芯片U3的2腳和8腳相連接后接地DGND1，數(shù)字隔離芯片U3的9腳和15腳相連接后接地GND2，數(shù)字隔離芯片U3的16腳通過電阻R21與U3的10腳相連接，并連接5V-MCU電源。
[0023]具體的，所述的單片機(jī)工作電路包括單片機(jī)U4、仿真器接口 J3、晶振Y2、電阻R22?R29、電容C23?C27、復(fù)位按鍵SWUPNP型三極管Q1、蜂鳴器BP、發(fā)光二極管LED6?LED8 ；
[0024]單片機(jī)U4的3腳與仿真器接口 Jl的4腳、電阻R22的一端、復(fù)位按鍵SWl的一端連接，R22的另一端接電源5V-MCU、復(fù)位按鍵SWl的另一端接地GND2，單片機(jī)U4的21腳、45腳、55腳、59腳接地GND2，單片機(jī)U4的22腳接電源5V-MCU并通過電容C25接地GND2，單片機(jī)U4的44腳接電源5V-MCU并通過電容C24接地GND2，單片機(jī)U4的54腳接電源5V-MCU并通過電容C23接地GND2，單片機(jī)U4的56腳接仿真器接口 J3的I腳，J3的2腳接地、6腳接電源5V-MCU，單片機(jī)U4的57腳通過電阻R23與晶振Y2的一端、電阻R25的一端、電容C26的一端相連，單片機(jī)U4的58腳通過電阻R24與晶振Y2的另一端、電阻R25的另一端、電容C27的一端相連，電容C26和C27的另一端接地GND2 ；
[0025]單片機(jī)U4的33腳通過電阻R29接三極管Ql的B極，Ql的E極接電源5V-MCU，Ql的C極接蜂鳴器BP的正極，BP的負(fù)極接地GND2，單片機(jī)U4的34腳通過電阻R26與發(fā)光二極管LED6的正極相連，LED6的負(fù)極接地GND2，單片機(jī)U4的35腳通過電阻R27與發(fā)光二極管LED7的正極相連，LED7的負(fù)極接地GND2，單片機(jī)U4的36腳通過電阻R28與發(fā)光二極管LED8的正極相連，LED8的負(fù)極接地GND2 ；
[0026]單片機(jī)U4的17?20腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U2的3腳、6腳、5腳、4腳相連接，單片機(jī)U4的29?32腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U3的11?14腳相連接。
[0027]具體的，所述的RS485通信隔離電路包括RS485芯片U5、電阻R30?R42、電容C28、雙向二極管D5?D7、光耦OCl?0C3、三極管Q2、Q3、RS485通信接口 J4 ；
[0028]RS485芯片U5的I腳通過電阻R33與三極管Q2的B極相連，Q2的C極接地GND3、E極與光耦OCl的2腳相連，OCl的I腳通過電阻R31接電源5V_485、3腳接地GND2、4腳接單片機(jī)工作電路U4的14腳并通過電阻R30接電源5V-MCU，RS485芯片U5的2腳、3腳相連接后與光耦0C2的3腳相連，0C2的3腳通過電阻R34接地GND3、4腳接電源5V_485、2腳接單片機(jī)工作電路U4的15腳、I腳通過電阻R32接電源5V-MCU，RS485芯片U5的4腳接光耦0C3的4腳，0C3的I腳通過電阻R35接電源5V_MCU、3腳接地GND3、4腳通過電阻R36接電源5V-485、2腳接三極管Q3的E極，Q3的C極接地GND2、B極通過電阻R37接單片機(jī)工作電路U4的13腳；
[0029]RS485芯片U5的8腳通過電阻R38與RS485芯片U5的7腳相連接，RS485芯片U5的5腳接地GND3，并通過電阻R39與RS485芯片U5的6腳相連，RS485芯片U5的6腳通過雙向二極管D6接地GND3，并通過R40接RS485通信接口 J4的一端，通信接口 J4的另一端通過電阻R41與RS485芯片U5的7腳相連接，電阻R40通過電阻R42與電阻R41相連接，RS485芯片U5的7腳通過雙向二極管D5接地GND3，RS485芯片U5的7腳通過雙向二極管D7與RS485芯片U5的6腳相連接，U5的8腳接電源5V-485，并通過電容C28接地。
[0030]本發(fā)明的單相電參數(shù)采集模塊具有的有益效果是:
[0031 ] 1、快速采集單相電的電流有效值、電壓有效值、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能；
[0032]2、采集到的所有數(shù)據(jù)可通過RS485總線進(jìn)行傳輸，符合MODBUS通訊協(xié)議。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖。
[0034]圖2是本發(fā)明的電源輔助電路圖。
[0035]圖3是本發(fā)明的電參數(shù)采集電路圖。
[0036]圖4是本發(fā)明的電參數(shù)計(jì)算電路。
[0037]圖5是本發(fā)明的信號隔離電路。
[0038]圖6是本發(fā)明的單片機(jī)工作電路。
[0039]圖7是本發(fā)明的RS485通信隔離電路。
【具體實(shí)施方式】
[0040]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0041]圖1是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)框圖，本發(fā)明的單相電參數(shù)采集模塊包括電源輔助電路、電參數(shù)采集電路、電參數(shù)計(jì)算電路、信號隔離電路、單片機(jī)工作電路及RS485通信隔離電路。電源輔助電路分別與電參數(shù)采集電路、電參數(shù)計(jì)算電路、單片機(jī)工作電路、信號隔離電路、RS485通信隔離電路相連接；電參數(shù)計(jì)算電路與電參數(shù)采集電路、信號隔離電路相連接；單片機(jī)工作電路與信號隔離電路、RS485通信隔離電路相連接。
[0042]圖2是本發(fā)明的電源輔助電路圖。Jl為24V電源輸入接口，Jl的24V電源正極輸入端接雙向二極管Dl的一端和D2的正極，Jl的24V電源負(fù)極輸入端為單相電參數(shù)快速采集模塊的一個地(GND2)，該地(GND2)與Dl的另一端、電容Cl的負(fù)極、電源芯片Vl的3腳和5腳、二極管D3的正極、電容C2的負(fù)極、發(fā)光二極管LEDl的負(fù)極相連接，二極管D2的負(fù)極與電容Cl的正極、電源芯片Vl的I腳相連接，電源芯片Vl的2腳與二極管D3的負(fù)極相連，并通過電感LI與電源芯片Vl的4腳、電容C2的正極、電阻Rl的一端相連接，Rl的另一端與發(fā)光二極管LEDl的正極相連接，電源芯片Vl的4腳為第一組電源(5V-MCU)輸出端。
[0043]電源模塊V2的I腳與電容Cl的正極相連，電源模塊V2的2腳接地GND2，電源模塊V2的3腳為-15V電源輸出端，該腳與電容C3的負(fù)極和電容C4的一端相連接，電源模塊V2的4腳為單相電參數(shù)快速采集模塊的第二個地(AGND1)，該腳與電容C3的正極、電容C4的另一端、電容C5的負(fù)極、電容C6的一端相連接，電源模塊V2的5腳為+15V電源輸出端，該腳與電容C5的正極和電容C6的另一端相連接。
[0044]電源芯片V3的I腳和電容C7的正極相連后，與電源模塊V2的5腳相連接，電源芯片V3的3腳和5腳相連后，與電源模塊V2的4腳(AGNDl )、電容C7的負(fù)極、二極管D4的正極、電容C8的負(fù)極、發(fā)光二極管LED2的負(fù)極相連，電源芯片V3的2腳與二極管D4的負(fù)極相連，并通過電感L2與電源芯片V3的4腳、電容C8的正極、電阻R2的一端相連接，R2的另一端與發(fā)光二極管LED2的正極相連接，電源芯片V3的4腳為3.3V電源輸出端。
[0045]隔離變壓器Tl的I腳通過電阻R3連接電源5V-MCU、2腳與地GND2相連，3腳與電阻R4的一端相連、4腳為單相電參數(shù)快速采集模塊第三個地(GND3)，R4的另一端為第二組電源(5V-485)輸出端。
[0046]電源芯片V3的4腳(3.3V)分別與電阻R5的一端和電阻R6的一端相連，電阻R5的另一端為第三組電源(3.3V-ADE)輸出端，電阻R6的另一端為第四組電源(3.3V-ADUM)輸出端。
[0047]在一個示例中，電源芯片Vl是LM2575-5、V3是LM2575-3.3，電源模塊V2是輸入端和輸出端相互隔離的電源模塊，在一個示例中為WRD24D15-10W。
[0048]圖3是本發(fā)明的電參數(shù)采集電路圖。電流傳感器TA的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TA的3腳通過電阻R7接地AGND1，并通過磁珠El與電阻R8的一端相連接，R8的另一端通過電容C9接地AGNDl，并與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的5腳相連接，磁珠E2的一端接地AGND1，另一端與電阻R9的一端相連接，R9的另一端通過電容ClO接地AGND1，并與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的6腳相連接。
[0049]電壓輸入接口 J2的一端通過磁珠E3與電阻RlO的一端相連接，RlO的另一端通過電阻Rll與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的12腳相連接，R12和Cll并聯(lián)，兩者的一個公共端與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的12腳相連接，另一個公共端接地AGND1，電壓輸入接口 J2的另一端通過磁珠E4接電阻R13的一端，R13的另一端與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的11腳相連接，并通過電容C12接地AGNDl。
[0050]在一個示例中，TA是LA125-P。
[0051]圖4是本發(fā)明的電參數(shù)計(jì)算電路。電量檢測芯片Ul的3腳與電容C19的正極和電容C20的一端相連接，電容C19的負(fù)極和電容C20的另一端相連接后接地DGNDl，電量檢測芯片Ul的4腳接地DGNDl，電量檢測芯片Ul的13腳與電容C15的正極和電容C16的一端相連接，電容C15的負(fù)極和電容C16的另一端相連接后接地AGND1，電量檢測芯片Ul的15腳與電容C17的正極和電容C18的一端相連接，電容C17的負(fù)極和電容C18的另一端相連接后接地AGNDl，電量檢測芯片Ul的9腳、10腳、14腳、16腳、29腳接地AGNDl，電量檢測芯片Ul的18腳通過電容C21接地AGND1，電量檢測芯片Ul的19腳通過電容C22接地AGNDl，并通過晶振Yl與電量檢測芯片Ul的18腳相連接，電量檢測芯片Ul的17腳與電容C13的正極和電容C14的一端相連接，電容C13負(fù)極的和電容C14的另一端相連接后接地AGNDl，電量檢測芯片Ul的7腳、8腳、17腳接3.3V-ADE電源；。
[0052]電量檢測芯片Ul的23腳通過電阻R14與發(fā)光二極管LED3的正極相連接，LED3的負(fù)極接地DGND1，電量檢測芯片Ul的24腳通過電阻R15與發(fā)光二極管LED4的正極相連接，LED4的負(fù)極接地DGND1，電量檢測芯片Ul的20腳通過電阻R16與發(fā)光二極管LED5的正極相連接，LED5的負(fù)極接地DGNDl地DGNDl通過電阻Rl7與地AGNDl相連接。
[0053]電量檢測芯片Ul的I腳、2腳、21腳、22腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U3的3腳、6腳、4腳、5腳相連接，電量檢測芯片Ul的25腳、26腳、27腳、28腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U2的13腳、11腳、12腳、14腳相連接。
[0054]在一個示例中Ul 是 ADE7953ACPZ。
[0055]圖5是本發(fā)明的信號隔離電路。數(shù)字隔離芯片U2的I腳通過電阻R18接U2的7腳，并連接5V-MCU電源，數(shù)字隔離芯片U2的2腳和8腳相連接后接地GND2，數(shù)字隔離芯片U2的9腳和15腳相連接后接地DGNDl，數(shù)字隔離芯片U2的16腳通過電阻R19與U2的10腳相連接，并連接3.3V-ADUM電源；
[0056]數(shù)字隔離芯片U3的I腳通過電阻R20接U3的7腳，并連接3.3V-ADUM電源，數(shù)字隔離芯片U3的2腳和8腳相連接后接地DGND1，數(shù)字隔離芯片U3的9腳和15腳相連接后接地GND2，數(shù)字隔離芯片U3的16腳通過電阻R21與U3的10腳相連接，并連接5V-MCU電源。
[0057]在一個示例中，U2、U3是 ADUM1401BRWZ。
[0058]圖6是本發(fā)明的單片機(jī)工作電路。單片機(jī)U4的3腳與仿真器接口 Jl的4腳、電阻R22的一端、復(fù)位按鍵SWl的一端連接，電阻R22的另一端接電源5V-MCU、復(fù)位按鍵SWl的另一端接地GND2，單片機(jī)U4的21腳、45腳、55腳、59腳接地GND2，單片機(jī)U4的22腳接電源5V-MCU并通過電容C25接地GND2，單片機(jī)U4的44腳接電源5V-MCU并通過電容C24接地GND2，單片機(jī)U4的54腳接電源5V-MCU并通過電容C23接地GND2，單片機(jī)U4的56腳接仿真器接口 J3的I腳，J3的2腳接地、6腳接電源5V-MCU，單片機(jī)U4的57腳通過電阻R23與晶振Y2的一端、電阻R25的一端、電容C26的一端相連，單片機(jī)U4的58腳通過電阻R24與晶振Y2的另一端、電阻R25的另一端、電容C27的一端相連，電容C26和C27的另一端接地GND2。
[0059]單片機(jī)U4的33腳通過電阻R29接三極管Ql的B極，Ql的E極接電源5V-MCU，Ql的C極接蜂鳴器BP的正極，BP的負(fù)極接地GND2，單片機(jī)U4的34腳通過電阻R26與發(fā)光二極管LED6的正極相連，LED6的負(fù)極接地GND2，單片機(jī)U4的35腳通過電阻R27與發(fā)光二極管LED7的正極相連，LED7的負(fù)極接地GND2，單片機(jī)U4的36腳通過電阻R28與發(fā)光二極管LED8的正極相連，LED8的負(fù)極接地GND2。
[0060]單片機(jī)U4的17?20腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U2的3腳、6腳、5腳、4腳相連接，單片機(jī)U4的29?32腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U3的11?14腳相連接。
[0061 ]在一個示例中，U4 是 MC9S08AC60。
[0062]圖7是本發(fā)明的RS485通信隔離電路。RS485芯片U5的I腳通過電阻R33與三極管Q2的B極相連，Q2的C極接地GND3、E極與光耦OCl的2腳相連，OCl的I腳通過電阻R31接電源5V-485、3腳接地GND2、4腳接單片機(jī)工作電路U4的14腳并通過電阻R30接電源5V-MCU，RS485芯片U5的2腳、3腳相連接后與光耦0C2的3腳相連，0C2的3腳通過電阻R34接地GND3、4腳接電源5V_485、2腳接單片機(jī)工作電路U4的15腳、I腳通過電阻R32接電源5V-MCU，RS485芯片U5的4腳接光耦0C3的4腳，0C3的I腳通過電阻R35接電源5V-MCU、3腳接地GND3、4腳通過電阻R36接電源5V_485、2腳接三極管Q3的E極，Q3的C極接地GND2、B極通過電阻R37接單片機(jī)工作電路U4的13腳。
[0063]RS485芯片U5的8腳通過電阻R38與RS485芯片U5的7腳相連接，RS485芯片U5的5腳接地GND3，并通過電阻R39與RS485芯片U5的6腳相連，RS485芯片U5的6腳通過雙向二極管D6接地GND3，并通過R40接RS485通信接口 J4的一端，通信接口 J4的另一端通過電阻R41與RS485芯片U5的7腳相連接，電阻R40通過電阻R42與電阻R41相連接，RS485芯片U5的7腳通過雙向二極管D5接地GND3，RS485芯片U5的7腳通過雙向二極管D7與RS485芯片U5的6腳相連接，U5的8腳接電源5V-485，并通過電容C28接地。
[0064]在一個示例中，U5是 MAX485ESA，D4 ?D6 是 P6KE6.8CA, OCl ?0C3 是 PS2501，Q2和 Q3 是 3906。
[0065]本發(fā)明的單相電參數(shù)采集模塊工作過程如下:電源輔助電路為單相電參數(shù)快速采集模塊提供各個采集電路工作所需要的電源，分別是±15V電源及兩組不共地的3.3V電源和兩組不共地的5V電源。電力線由電流傳感器TA的監(jiān)測孔中穿過，TA的3腳為檢測電流輸出端，其輸出電流為電力線電流的1/2000 ;電阻R7將檢測到的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號；磁珠E1、E2用于濾去線路上的高頻干擾；電阻R8、電容C9組成轉(zhuǎn)折頻率約為5kHz的抗混疊網(wǎng)絡(luò)，以提高采樣精度；電阻R8和電容C9的公共端(IAP)、電阻R9和電容ClO的公共端(IAN)將單相電流信號輸入到電量檢測芯片U1。單相電電壓由電壓輸入接口 J2的一端(VP_IN)輸入，磁珠E3用于濾去線路上的高頻噪聲，電阻RlO?R12組成采樣分壓網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)分壓后的交流電由電阻R11、R12的公共端(VP)輸入電量檢測芯片Ul，Cll為旁路電容，濾去高頻噪聲，電壓輸入接口 J2的另一端(VN_IN)為零線電壓輸入端，磁珠E4、電阻R13、電容C12組成濾波電路，零線經(jīng)濾波電路濾波后，由電阻R13、電容C12的公共端輸入電量檢測芯片U1。
[0066]電流、電壓信號輸入到電參數(shù)計(jì)算電路，由電量檢測芯片Ul進(jìn)行計(jì)算，得到單相電的電流有效值、電壓有效值、功率因數(shù)、有功功率、無功功率，有功電能、無功電能。發(fā)光二極管LED3?LED5由電量檢測芯片Ul的23、24、20腳控制，可用于現(xiàn)場調(diào)試的指示，以及根據(jù)用戶需要設(shè)定閃爍報(bào)警。電量檢測芯片Ul的輸入和輸出分別為模擬信號和數(shù)字信號，因此采用了模擬地(AGNDI)和數(shù)字地(DGND1)分開的接法，數(shù)字地(DGND1)和模擬地(AGNDl)最終將通過I個O歐的電阻R17接至一處。電量檢測芯片Ul的25?28腳為SPI通信腳，需與單片機(jī)U4進(jìn)行通信，從而通過單片機(jī)U4對電量檢測芯片Ul進(jìn)行配置以及數(shù)據(jù)讀取。但是由于電量檢測芯片Ul的地(DGND1和AGND1)與單相電的零線在同一電位上，因此為了保護(hù)單片機(jī)U4及后續(xù)傳輸電路，在單片機(jī)U4與電量檢測芯片Ul之間增加了數(shù)字隔離芯片U2、U3，從而實(shí)現(xiàn)電量檢測芯片Ul和單片機(jī)U4的通信隔離。
[0067]單片機(jī)U4通過SPI通信從電量檢測芯片Ul獲取電參數(shù)，并在內(nèi)部進(jìn)行暫存，在用戶需要的時候通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸出去。蜂鳴器BP、發(fā)光二極管LED6?LED8由單片機(jī)U4的33?36腳控制，同樣是用于現(xiàn)場調(diào)試的指示，以及根據(jù)用戶需要設(shè)定閃爍報(bào)警。為了避免RS485總線通信對單片機(jī)工作電路的影響，采用光耦隔離的方式進(jìn)行RS485通信接口的設(shè)計(jì)，光耦OCl?0C3就是為了實(shí)現(xiàn)這一目的，三極管Q2、Q3用于提高光耦的驅(qū)動電流以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸，電阻R31、R32、R37對光耦起限流作用，電阻R30、R34、R36為光耦的偏置電阻，通過它們可以設(shè)置光耦輸出電平的電壓范圍。雙向二極管D5?D7用于保護(hù)RS485芯片U5不被線路上的過壓損壞，上拉電阻R38、下拉電阻R39保證RS485芯片U5處于總線空閑狀態(tài)時，防止接收器輸出未定義狀態(tài)。電阻R40、R41為限流電阻，作用是在接收器被擊穿后，能夠保護(hù)總線，防止影響其他芯片的通信。
【權(quán)利要求】
1.一種單相電參數(shù)快速采集模塊，其特征在于:包括電源輔助電路、電參數(shù)采集電路、電參數(shù)計(jì)算電路、單片機(jī)工作電路、信號隔離電路及RS485通信隔離電路，電源輔助電路分別與電參數(shù)采集電路、電參數(shù)計(jì)算電路、單片機(jī)工作電路、信號隔離電路、RS485通信隔離電路相連接；電參數(shù)計(jì)算電路與電參數(shù)采集電路、信號隔離電路相連接；單片機(jī)工作電路與信號隔離電路、RS485通信隔離電路相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的單相電參數(shù)快速采集模塊，其特征在于:所述的電源輔助電路包括電源芯片V1、V3、電源模塊V2、電感L1、L2、電容Cl~C8、電阻Rl~R6、發(fā)光二極管LED1、LED2、二極管Dl~D4、電源輸入接口 J1、隔離變壓器Tl ； Jl為24V電源輸入接口，Jl的24V電源正極輸入端接雙向二極管Dl的一端和二極管D2的正極，Jl的24V電源負(fù)極輸入端為單相電參數(shù)快速采集模塊的一個地GND2，該地GND2與二極管Dl的另一端、電容Cl的負(fù)極、電源芯片Vl的3腳和5腳、二極管D3的正極、電容C2的負(fù)極、發(fā)光二極管LEDl的負(fù)極相連接，二極管D2的負(fù)極與電容Cl的正極、電源芯片Vl的I腳相連接，電源芯片Vl的2腳與二極管D3的負(fù)極相連，并通過電感LI與電源芯片Vl的4腳、電容C2的正極、電阻Rl的一端相連接，電阻Rl的另一端與發(fā)光二極管LEDl的正極相連接，電源芯片Vl的4腳為第一組電源輸出端； 電源模塊V2的I腳與電容Cl的正極相連，電源模塊V2的2腳接地GND2，電源模塊V2的3腳為-15V電源輸出端，該腳與電容C3的負(fù)極和電容C4的一端相連接，電源模塊V2的4腳為單相電參數(shù)快速采集模塊的第二個地AGNDl，該地AGNDl與電容C3的正極、電容C4的另一端、電容C5的負(fù)極、電容C6的一端相連接，電源模塊V2的5腳為+15V電源輸出端，該腳與電容C5的正極和電容C6的另一端相連接； 電源芯片V3的I腳和電容C7的正極相連后，與電源模塊V2的5腳相連接，電源芯片V3的3腳和5腳相連后，與電源模塊V2的4腳(AGND1 )、電容C7的負(fù)極、二極管D4的正極、電容CS的負(fù)極、發(fā)光二極管LED2的負(fù)極相連，電源芯片V3的2腳與二極管D4的負(fù)極相連，并通過電感L2與電源 芯片V3的4腳、電容C8的正極、電阻R2的一端相連接，R2的另一端與發(fā)光二極管LED2的正極相連接，電源芯片V3的4腳為3.3V電源輸出端； 隔離變壓器Tl的I腳通過電阻R3連接第一組電源、2腳與地GND2相連，3腳與電阻R4的一端相連、4腳為單相電參數(shù)快速采集模塊第三個地GND3，R4的另一端為第二組電源輸出端； 電源芯片V3的4腳分別與電阻R5的一端和電阻R6的一端相連，電阻R5的另一端為第三組電源輸出端，電阻R6的另一端為第四組電源輸出端。
3.如權(quán)利要求2所述的單相電參數(shù)快速采集模塊，其特征在于:所述的電參數(shù)采集電路包括電流傳感器TA、電阻R7~R13、電容C9~C12、磁珠El~E4、電壓輸入接口 J2 ； 電流傳感器TA的I腳和2腳分別接+15V電源和-15V電源，TA的3腳通過電阻R7接地AGND1，并通過磁珠El與電阻R8的一端相連接，電阻R8的另一端通過電容C9接地AGND1，并與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的5腳相連接，磁珠E2的一端接地AGNDl，另一端與電阻R9的一端相連接，R9的另一端通過電容ClO接地AGNDl，并與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的6腳相連接； 電壓輸入接口 J2的一端通過磁珠E3與電阻RlO的一端相連接，電阻RlO的另一端通過電阻Rll與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的12腳相連接，電阻R12和電容Cll并聯(lián)，兩者的一個公共端與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的12腳相連接，另一個公共端接地AGNDl，電壓輸入接口 J2的另一端通過磁珠E4接電阻R13的一端，電阻R13的另一端與電參數(shù)計(jì)算電路Ul的11腳相連接，并通過電容C12接地AGNDl。
4.如權(quán)利要求3所述的單相電參數(shù)快速采集模塊，其特征在于:所述的電參數(shù)計(jì)算電路包括電量檢測芯片U1、電容C13~C22、電阻R14~R17、發(fā)光二極管LED3~LED5、晶振Yl ; 電量檢測芯片Ul的3腳與電容C19的正極和電容C20的一端相連接，電容C19的負(fù)極和電容C20的另一端相連接后接地DGNDl，電量檢測芯片Ul的4腳接地DGNDl，電量檢測芯片Ul的13腳與電容C15的正極和電容C16的一端相連接，電容C15的負(fù)極和電容C16的另一端相連接后接地AGNDl，電量檢測芯片Ul的15腳與電容C17的正極和電容C18的一端相連接，電容C17的負(fù)極和電容C18的另一端相連接后接地AGNDl，電量檢測芯片Ul的9腳、10腳、14腳、16腳、29腳接地AGND1，電量檢測芯片Ul的18腳通過電容C21接地AGND1，電量檢測芯片Ul的19腳通過電容C22接地AGNDl，并通過晶振Yl與電量檢測芯片Ul的18腳相連接，電量檢測芯片Ul的17腳與電容C13的正極和電容C14的一端相連接，電容C13的負(fù)極的和電容C14的另一端相連接后接地AGNDl，電量檢測芯片Ul的7腳、8腳、17腳接第三組電源； 電量檢測芯片Ul的23腳通過電阻R14與發(fā)光二極管LED3的正極相連接，LED3的負(fù)極接地DGND1，電量檢測芯片Ul的24腳通過電阻R15與發(fā)光二極管LED4的正極相連接，發(fā)光二極管LED4的負(fù)極接地DGND1，電量檢測芯片Ul的20腳通過電阻R16與發(fā)光二極管LED5的正極相連接，發(fā)光二極管LED5的負(fù)極接地DGNDlJi DGNDl通過電阻Rl7與地AGNDl相連接； 電量檢測芯片Ul的I腳、2腳、21腳、22腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U3的3腳、6腳、4腳、5腳相連接，電量檢測芯片Ul的25腳、26腳、27腳、28腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U2的13腳、11腳、12腳、14腳相連接。`
5.如權(quán)利要求4所述的單相電參數(shù)快速采集模塊，其特征在于:所述的信號隔離電路包括數(shù)字隔離芯片U2、U3、電阻R18~R21 ; 數(shù)字隔離芯片U2的I腳通過電阻R18接U2的7腳，并連接第一組電源，數(shù)字隔離芯片U2的2腳和8腳相連接后接地GND2，數(shù)字隔離芯片U2的9腳和15腳相連接后接地DGNDl，數(shù)字隔離芯片U2的16腳通過電阻R19與數(shù)字隔離芯片U2的10腳相連接，并連接第四組電源； 數(shù)字隔離芯片U3的I腳通過電阻R20接數(shù)字隔離芯片U3的7腳，并連接第四組電源，數(shù)字隔離芯片U3的2腳和8腳相連接后接地DGND1，數(shù)字隔離芯片U3的9腳和15腳相連接后接地GND2，數(shù)字隔離芯片U3的16腳通過電阻R21與U3的10腳相連接，并連接第一組電源。
6.如權(quán)利要求5所述的單相電參數(shù)快速采集模塊，其特征在于:所述的單片機(jī)工作電路包括單片機(jī)U4、仿真器接口 J3、晶振Y2、電阻R22~R29、電容C23~C27、復(fù)位按鍵SWl、PNP型三極管Ql、蜂鳴器BP、發(fā)光二極管LED6~LED8 ； 單片機(jī)U4的3腳與仿真器接口 Jl的4腳、電阻R22的一端、復(fù)位按鍵SWl的一端連接，R22的另一端接第一組電源、復(fù)位按鍵SWl的另一端接地GND2，單片機(jī)U4的21腳、45腳、55腳、59腳接地GND2，單片機(jī)U4的22腳接第一組電源并通過電容C25接地GND2，單片機(jī)U4的44腳接第一組電源并通過電容C24接地GND2，單片機(jī)U4的54腳接第一組電源并通過電容C23接地GND2，單片機(jī)U4的56腳接仿真器接口 J3的I腳，仿真器接口 J3的2腳接地、6腳接第一組電源，單片機(jī)U4的57腳通過電阻R23與晶振Y2的一端、電阻R25的一端、電容C26的一端相連，單片機(jī)U4的58腳通過電阻R24與晶振Y2的另一端、電阻R25的另一端、電容C27的一端相連，電容C26和C27的另一端接地GND2 ； 單片機(jī)U4的33腳通過電阻R29接三極管Ql的B極，三極管Ql的E極接第一組電源，三極管Ql的C極接蜂鳴器BP的正極，蜂鳴器BP的負(fù)極接地GND2，單片機(jī)U4的34腳通過電阻R26與發(fā)光二極管LED6的正極相連，發(fā)光二極管LED6的負(fù)極接地GND2，單片機(jī)U4的35腳通過電阻R27與發(fā)光二極管LED7的正極相連，發(fā)光二極管LED7的負(fù)極接地GND2，單片機(jī)U4的36腳通過電阻R28與發(fā)光二極管LED8的正極相連，發(fā)光二極管LED8的負(fù)極接地 GND2 ； 單片機(jī)U4的17~20腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U2的3腳、6腳、5腳、4腳相連接，單片機(jī)U4的29~32腳分別與信號隔離電路中數(shù)字隔離芯片U3的11~14腳相連接。
7.如權(quán)利要求6所述的單相電參數(shù)快速采集模塊，其特征在于:所述的RS485通信隔離電路包括RS485芯片U5、電阻R30~R42、電容C28、雙向二極管D5~D7、光耦OCl~0C3、三極管Q2、Q3、RS485通信接口 J4 ； RS485芯片U5的I腳通過電阻R33與三極管Q2的B極相連，三極管Q2的C極接地GND3、E極與光耦OCl的2腳相連，光耦OCl的I腳通過電阻R31接第二組電源、3腳接地GND2、4腳接單片機(jī)工作電路U4的14腳并通過電阻R30接第一組電源，RS485芯片U5的2腳、3腳相連接后與光耦0C2的3腳相連，光耦0C2的3腳通過電阻R34接地GND3、4腳接第二組電源、2腳接單片機(jī)工作電路U4的15腳、I腳通過電阻R32接第一組電源，RS485芯片U5的4腳接光耦0C3的4腳，光耦0C3的I腳通過電阻R35接第一組電源、3腳接地GND3、4腳通過電阻R36接第二組電源、2腳接三極管Q3的E極，三極管Q3的C極接地GND2、B極通過電阻R37接單片機(jī) 工作電路U4的13腳； RS485芯片U5的8腳通過電阻R38與RS485芯片U5的7腳相連接，RS485芯片U5的5腳接地GND3，并通過電阻R39與RS485芯片U5的6腳相連，RS485芯片U5的6腳通過雙向二極管D6接地GND3，并通過電阻R40接RS485通信接口 J4的一端，通信接口 J4的另一端通過電阻R41與RS485芯片U5的7腳相連接，電阻R40通過電阻R42與電阻R41相連接，RS485芯片U5的7腳通過雙向二極管D5接地GND3，RS485芯片U5的7腳通過雙向二極管D7與RS485芯片U5的6腳相連接，U5的8腳接第二組電源，并通過電容C28接地。
【文檔編號】G01R31/00GK103869188SQ201410087962
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】潘玉靜, 李臻, 余琳, 李立, 郭芝源 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所