一種基于微控制器的簡易電工儀表的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及電工參數測量領域，提供一種基于微控制器的簡易電工儀表，包括電源電路、電網電壓與電流轉換電路、檔位自動切換電路、運算放大單元、模數轉換模塊、微處理器控制與計算單元，按鍵輸入與輸出顯示單元，所述電網電壓與電流轉換電路的輸出端與檔位自動切換電路相連，所述檔位自動切換電路的輸出端與運算放大單元相連，所述運算放大單元的輸出端與模數轉換模塊相連，所述模數轉換模塊的輸出端與微處理器控制與計算單元相連。本實用新型設備前端處理電路相對簡單，可以對220V和380V的電壓進行自動檔位調節，同時可以測量功率因素、有功功率、視在功率等參數。
【專利說明】
一種基于微控制器的簡易電工儀表
技術領域
[0001]本實用新型涉及電工參數測量領域，具體涉及一種基于微控制器的簡易電工儀表。
【背景技術】
[0002]隨著數字技術的不斷發展，在許多領域，以微控制器為中心的應用系統逐步取代模擬和非智能系統。因此，電工儀表的設計也逐步轉移到以微控制器為中心的智能系統上來。模擬和非智能電工儀表普遍存在設備模擬電路復雜、容易受到干擾、設備體積大、測量參數較少等缺點。
【發明內容】
[0003]本實用新型的目的就是為了克服傳統模擬儀器和非智能設備的不足之處，提出一種智能的簡易電工儀表，該設備前端處理電路相對簡單，可以對220V和380V的電壓進行自動檔位調節，同時可以測量功率因素、有功功率、視在功率等參數。
[0004]本實用新型的目的是通過如下技術措施來實現的:一種基于微控制器的簡易電工儀表，包括電源電路、電網電壓與電流轉換電路、檔位自動切換電路、運算放大單元、模數轉換模塊、微處理器控制與計算單元，按鍵輸入與輸出顯示單元，所述電網電壓與電流轉換電路的輸出端與檔位自動切換電路相連，所述檔位自動切換電路的輸出端與運算放大單元相連，所述運算放大單元的輸出端與模數轉換模塊相連，所述模數轉換模塊的輸出端與微處理器控制與計算單元相連。
[0005]在上述技術方案中，電網電壓與電流轉換電路通過變壓器和電流互感器采集電網的電壓和電流量。電壓電流均采用100:1的比例進行衰減，轉換在可測量的范圍，然后輸入到運算放大單元加入直流分量。
[0006]在上述技術方案中，檔位自動切換電路是整個系統的重要部分之一，它的主要功能是選擇正確的通路，也就是閉合合適檔位的開關而斷開其他檔位的開關。繼電器的閉合或斷開由單片機根據采樣的數據做出判斷來決定，具體實現是從低檔逐步向高檔搜索，如果處理器采樣的數值過小則調向下一檔直到合適的檔位。
[0007]在上述技術方案中，運算放大單元采用LM324運算放大電路。LM324系列運算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運算放大器，其具有內部補償功能、輸入有靜電保護、可工作在單電源下(電壓范圍是3.3V~32V)等特點。本設計運用反向負反饋，對輸入信號進行放大同時加入直流分量，目的是在AD采樣不存在負值信號，最后通過軟件抵消直流成分。
[0008]在上述技術方案中，模數轉換模塊為滿足需要的采樣頻率，本設計采用8位高速AD轉換芯片TLC0820，此芯片還具有其他特點，如:并行數據輸出且為三態門，有不同的工作模式可以選擇等。因此，本設計采用只讀模式，兩路AD同時采樣而分別讀取，這樣就可以消除兩路?目號的時延差。
[0009]在上述技術方案中，本電工儀表還具有LCD顯示、功能鍵盤、過量程報警電路:功能鍵盤采用24陣列鍵盤，有各種參數選擇鍵，確認鍵等;IXD顯示單元采用LM12864點陣液晶顯示模塊，主要由LCD顯示器、控制器、驅動器和偏壓產生電路組成，用于顯示測量的電壓值、電流值、功率因數、有用功率、無用功率、失真度等信息;過量程報警電路由單片機控制，當測量值超過量程時，單片機的驅動蜂鳴器報警，同時關閉繼電器開關。
[0010]在上述技術方案中，電源電路外部提供12V直流電，經過穩壓芯片7805和LM1117轉換后分別為系統提供所需要的5V和3.3V電壓。
[0011]在上述技術方案中，所述微處理器控制與計算單元采用STM32F103處理器。數據處理程序首先對采樣的數據進行預處理，進行高通濾波，除去人為加入的直流成分，然后計算出電壓有效值和電流有效值;接下來利用線性插值計算兩路信號的過零點時間，根據，是電壓信號和電流信號的相位差，可以得出功率因數，然后可以根據有功功率、無功功率和視在功率的關系，計算出上述參數的值;對濾波后的電壓信號進行快速傅立葉變換，然后計算所有諧波能量之和與基波能量之比的平方根，即電壓的失真度。鍵盤子程序和LCD子程序主要負責人機交互，根據鍵盤的輸入，則在LCD上顯示相關的參數的值。過量程報警子程序是根據測量的電壓有效值或電流有效值來判斷是否超過了量程，如果超過，則驅動蜂鳴器報警，LCD顯示屏上指示當前的異常狀態，同時切斷繼電器開關來保護電路。
[0012]在上述技術方案中，所述電網電壓與電流轉換電路包括變壓器Tl和電流互感器T2，所述變壓器Tl的右側有三個抽頭，其中兩個抽頭分別連接電阻Rl和電阻R2，電阻Rl和電阻R2的另外一端連接繼電器Kl的開關的二選一的引腳，繼電器Kl的開關的另外一側連接電阻R4，電阻R4串聯自恢復保險絲FI后連接變壓器TI的第三抽頭同時接地，繼電器KI連接三極管Ql的集電極，三極管Ql的基極串聯電阻R5后連接到STM32F103處理器的1 口 Pl.0上，三極管Ql的發射極串聯電阻R3后接地，在電阻R4與繼電器Kl的連接處取待測電壓送給運算放大單元;所述電流互感器T2的右側有三個抽頭，其中兩個抽頭分別連接電阻R6和電阻R8，電阻R6和電阻R8的另外一端連接繼電器K2的開關的二選一的引腳，繼電器K2的開關另外一側連接電阻RlO，電阻RlO串聯自恢復保險絲F2后連接電流互感器T2的第三抽頭同時接地，繼電器K2連接三極管Q2的集電極，三極管Q2的基極串聯電阻R9后連接到STM32F103處理器的1 口 P1.1上，三極管Q2的發射極串聯電阻R7后接地，在電阻R1與繼電器K2的連接處取待測電壓送給運算放大單元。
[0013]傳統的測量設備直接使用模擬電路采集和運算，并且指針指示結果，因此設備造價成本高、檔位需要人工調節、設備體積較大、結果不容易讀取。同時，高端的測量設備價格昂貴、功能復雜，不便于普通電工工人使用。
[0014]本實用新型較好的避免了傳統設備的以上缺點，本實用新型利用STM32F103系列單片機的豐富資源設計出具有智能調節檔位的多功能電工儀表，便于攜帶、方便操作、成本低廉;并且具有多種接口如RS232、RS485、CAN總線、USB等，方便接入計算機系統進行自動監控測量和遠程監測。經過反復測試，結果驗證本實用新型電工儀表能夠達到測量儀表的各項指標，具有一定的實用價值。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型實施例的電路框圖。
[0016]圖2為本實用新型實施例中電網電壓與電流轉換電路及檔位自動切換電路部分的電路連接圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖及實施例對本實用新型作進一步的描述。
[0018]如圖1所示，本實施例提供一種基于微控制器的簡易電工儀表，包括電源電路、電網電壓與電流轉換電路、檔位自動切換電路、運算放大單元、模數轉換模塊、微處理器控制與計算單元，按鍵輸入與輸出顯示單元，所述電網電壓與電流轉換電路的輸出端與檔位自動切換電路相連，所述檔位自動切換電路的輸出端與運算放大單元相連，所述運算放大單元的輸出端與模數轉換模塊相連，所述模數轉換模塊的輸出端與微處理器控制與計算單元相連。
[0019]上述微處理器控制與計算單元、檔位自動切換電路、模數轉換模塊緊密聯系在一起，是數據采集的核心部分。
[0020]如圖2所示，本實施例中首先使用變壓器Tl將電網中的電壓轉換為安全的可測量電壓，變壓器Tl的左側有三個抽頭，其中兩個抽頭分別連接電阻Rl和電阻R2，電阻Rl和電阻R2另外一端連接繼電器Kl的開關的二選一的引腳;繼電器Kl的開關另外一側連接電阻R4，電阻R4串聯自恢復保險絲Fl再連接變壓器的第三抽頭同時接地;繼電器Kl的開關可以通過三極管Ql控制開關的選擇，三極管Ql的基極串聯電阻R5后連接到STM32F103處理器的1 口Pl.0上;在電阻R4與繼電器Kl的連接處取待測電壓送給運算放大器LM324;使用電流互感器將電網線路中的電流轉換為可測量的小電流，轉換以后的處理方式與電壓原理相同。
[0021]本實用新型簡易的電工參數測量儀表的工作原理為:首先將待測電網的線路接入到電工儀表系統中，然后打開測量儀表的電源開關，各個電路模塊開始初始化;系統可以正常工作時，首先電網中的電壓和電流分別經過變壓器和電流互感器轉換為可測量的信號，變壓器Tl可以輸出兩個等級的電壓，然后通過繼電器Kl的開關進行選擇;在默認情況下，繼電器Kl的開關與低檔位閉合即與電阻R2段鏈接，當處理的引腳Pl.0由低電平變為高電平的時候，三極管Ql導通，繼電器Kl控制端有電流通過，開關會切換到高等級的檔位;關于檔位的切換原理是根據當前檔位情況下數據的幅度大小決定的，如果當前檔位數據幅度過大則切換到低檔位，如果幅度過小則切換到高檔位;接下來需要把獲取的信號送入到運算放大器，主要目的是在此過程給信號加入直流成分，然后將信號送入到AD轉換芯片，STM32F103處理器獲取到數據信號以后，進行分析計算，最后把處理完的數據顯示在LCD上;并且，可以通過USB、RS232、CAN等接口將數據通過固定的協議傳送至網絡中，便于遠程數據獲取。
[0022]本說明書未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
【主權項】
1.一種基于微控制器的簡易電工儀表，包括電源電路、電網電壓與電流轉換電路、檔位自動切換電路、運算放大單元、模數轉換模塊、微處理器控制與計算單元，按鍵輸入與輸出顯示單元，其特征是:所述電網電壓與電流轉換電路的輸出端與檔位自動切換電路相連，所述檔位自動切換電路的輸出端與運算放大單元相連，所述運算放大單元的輸出端與模數轉換模塊相連，所述模數轉換模塊的輸出端與微處理器控制與計算單元相連。2.根據權利要求1所述的基于微控制器的簡易電工儀表，其特征是:所述微處理器控制與計算單元采用STM32F103處理器。3.根據權利要求1所述的基于微控制器的簡易電工儀表，其特征是:所述電網電壓與電流轉換電路包括變壓器Tl和電流互感器T2，所述變壓器Tl的右側有三個抽頭，其中兩個抽頭分別連接電阻Rl和電阻R2，電阻Rl和電阻R2的另外一端連接繼電器Kl的開關的二選一的引腳，繼電器Kl的開關的另外一側連接電阻R4，電阻R4串聯自恢復保險絲Fl后連接變壓器Tl的第三抽頭同時接地，繼電器Kl連接三極管Ql的集電極，三極管Ql的基極串聯電阻R5后連接到STM32F103處理器的1口 Pl.0上，三極管Ql的發射極串聯電阻R3后接地，在電阻R4與繼電器Kl的連接處取待測電壓送給運算放大單元;所述電流互感器T2的右側有三個抽頭，其中兩個抽頭分別連接電阻R6和電阻R8，電阻R6和電阻R8的另外一端連接繼電器K2的開關的二選一的引腳，繼電器K2的開關另外一側連接電阻R10，電阻RlO串聯自恢復保險絲F2后連接電流互感器T2的第三抽頭同時接地，繼電器K2連接三極管Q2的集電極，三極管Q2的基極串聯電阻R9后連接到STM32F103處理器的1 口 ？1.1上，三極管02的發射極串聯電阻1?7后接地，在電阻Rl O與繼電器K2的連接處取待測電壓送給運算放大單元。
【文檔編號】G01R21/00GK205643504SQ201620405041
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】陳力, 何川
【申請人】武漢誠邁科技有限公司