一种强电电流非隔离检测方法与流程

1.本发明涉及电流检测技术领域，具体涉及一种强电电流非隔离检测方法。


背景技术：

2.强电主要是一种传递能量性质的电力，一般是指市电系统、照明系统等供配电系统,强电是所有电力设备的动力来源，特点是功率大、电流大、频率低，主要考虑损耗小、效率高的问题，常用的家用电器也都属于强电设备。
3.由于强电因涉及高压，为了保证安全，现有技术多采用电流互感器等隔离的方法实现对强电电流的检测，然而电流互感器由于负载电阻、芯损，以及初级和次级直流电阻的存在，电流互感器的损耗会导致失去一部分能量，从而导致电流的测量存在误差，现有强电电流检测技术的电路相对复杂，检测装置成本高，不适用于常规环境下的电路系统和电器检测。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种强电电流非隔离检测方法，解决以下技术问题：
5.对于常规环境下的电路系统和电器检测，现有隔离式电流检测技术电路相对复杂，成本较高。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种强电电流非隔离检测方法，包括以下步骤：
8.建立电流测量电路，所述电流测量电路包括隔离开关电源、电阻组、运算放大器和单片机；
9.将强电电路的火线或零线拆分为两根支线acl1和acl2，将所述支线分别与所述隔离开关电源的地线短接，在所述支线中串联电阻组，所述电阻组在两根支线中的等效电阻不同；
10.通过运算放大器获取经电阻组分压后的acl1和acl2的电压信号，所述运算放大器将所述电压信号偏置放大并输出至单片机的a/d接口；
11.所述单片机通过所述a/d接口的数值获取所述电压信号的有效值，从而运算出所述强电电路的电流值；
12.所述单片机输出所述电流值信号至led显示屏。
13.作为本发明进一步的方案：所述运算放大器通过同相输入端和反相输入端获取所述电压信号，所述电压信号经所述运算放大器放大，所述放大倍数为1倍，所述运算放大器将电压信号中的负电压偏置放大为正电压，所述运算放大器对所述电压信号进行缓冲隔离。
14.作为本发明进一步的方案：所述电压信号经过所述运算放大器输出后，通过rc电路对电压信号进行过滤。
15.作为本发明进一步的方案：所述单片机通过a/d接口的数值对电压信号进行有效
值计算，计算所述电压信号的频率和幅度，获得所述电压信号的有效值，将所述有效值减去所述运算放大器叠加的偏置电压得到差值，将所述差值乘以降压系数即可获得acl1和acl2的电压有效值，根据欧姆定律获得电流值。
16.作为本发明进一步的方案：将所述电阻组更换若干次，两根支线中的电阻组的等效电阻之和保持不变，单根支线中的电阻组的等效电阻均不相同，依次获取不同电阻组对应的电流值，计算所述电流值的均值与标准差，筛选处于均值上下3个标准差范围内的电流值，对筛选后的电流值再次计算，获取新的电流值均值并作为电流值信号输出。
17.作为本发明进一步的方案：所述隔离开关电源将市电交流电源转换低压直流电源，所述低压直流电源通过稳压器输出为5v低压直流电源，所述5v低压直流电源为所述运算放大器和所述单片机进行供电，所述稳压器的输入端与输出端均连接有平滑电容。
18.作为本发明进一步的方案：所述单片机通过光耦通讯将所述电流值信号输出至led显示屏，所述光耦通讯通过光耦合器实现，当单片机输出低电平信号时，光耦合器的发光二极管导通，所述发光二极管发光；当单片机输出高电平信号时，光耦合器的发光二极管不导通，所述发光二极管不发光。
19.作为本发明进一步的方案：在所述光耦合器的输出端添加光敏三极管，当所述发光二极管发光时，所述输出端的光敏三极管导通，当所述发光二极管不发光时，所述输出端的光敏三极管不导通。
20.本发明的有益效果：
21.本发明将强电电路的火线或零线与隔离开关电源的地线短接，再通过电阻对电压进行分压，从而避免高压造成危险，使用运算放大器和rc电路对电压信号处理，对电压信号隔离缓冲，消除纹波干扰，保证了电压信号的稳定性，通过单片机计算电压的有效值，最后使用欧姆定律获取强电电路的电流值；本发明相对于现有的隔离式电流检测技术，结构简单，成本较低，适用于常规场景下强电电路的电流检测。
附图说明
22.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
23.图1是本发明的流程示意图；
24.图2是本发明的acl1和acl2与隔离开关电源的电路图；
25.图3是本发明的稳压器的电路图；
26.图4是本发明的acl1和acl2与运算放大器的电路图；
27.图5是本发明的acl1和acl2与单片机的电路图；
28.图6是本发明的光耦通讯的电路图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.请参阅图1-6所示，本发明为一种强电电流非隔离检测方法，包括以下步骤：
31.建立电流测量电路，所述电流测量电路包括隔离开关电源、电阻组、运算放大器和单片机；
32.将强电电路的火线或零线拆分为两根支线acl1和acl2，将所述支线分别与所述隔离开关电源的地线短接，在所述支线中串联电阻组，所述电阻组在两根支线中的等效电阻不同；
33.通过运算放大器获取经电阻组分压后的acl1和acl2的电压信号，所述运算放大器将所述电压信号偏置放大并输出至单片机的a/d接口，所述单片机通过所述a/d接口的数值获取所述电压信号的有效值，从而运算出所述强电电路的电流值；
34.所述单片机输出所述电流值信号至led显示屏。
35.由于强电因涉及高压，现有技术多采用电流互感器等隔离的方法实现对强电电流的检测，然而电流互感器由于负载电阻、芯损，以及初级和次级直流电阻的存在，电流互感器的损耗会导致失去一部分能量，从而导致电流的测量存在误差，且由于电流互感器的技术和结构相对复杂，成本较高，限制了其使用场景。
36.本发明将强电电流的火线或零线拆分为两根支线，并将支线与隔离开关电源的地线短接，隔离开关电源为弱电，再通过电阻分压将强电的电压降至安全范围，然后将强电的交流电压信号通过运算放大器进行偏置放大，并进行隔离缓冲，再将电压信号输出至单片机的a/d接口，从而获取电压信号的有效值，并最终运算出强电电路的电流值，本发明相对于现有的隔离式电流检测技术，结构简单，成本较低，适用于常规强电电路和强电电器的电流检测。
37.在本发明的一种优选的实施例中，所述运算放大器通过同相输入端和反相输入端获取所述电压信号，所述电压信号经所述运算放大器放大，所述放大倍数为1倍，所述运算放大器将电压信号中的负电压偏置放大为正电压，所述运算放大器对所述电压信号进行缓冲隔离。
38.降压后的电压有效值需在单片机的工作电压(3.3v至5.5v)内，对降压后的电压进行差分运放，差分运放的放大倍数为1，差分运放的主要作用是有跟随器的作用，作为输入的缓冲级，起到隔离缓冲作用，跟随器输入阻抗很大，输出阻抗很小，由于市电交流电属于正弦波，有负半周的波形，该半周的电压为负值，所以必须将整体电压进行抬高，通过添加电阻的方式将整体电压进行抬高。
39.在本实施例的一种情况中，所述电压信号经过所述运算放大器输出后，通过rc电路对电压信号进行过滤。
40.rc电路，是由电阻器和电容器组成的一个电路，rc电路可用于通过阻止某些频率并通过其他频率来过滤信号，消除纹波干扰。
41.在本发明的另一种优选的实施例中，所述单片机通过a/d接口的数值对电压信号进行有效值计算，计算所述电压信号的频率和幅度，获得所述电压信号的有效值，将所述有效值减去所述运算放大器叠加的偏置电压得到差值，将所述差值乘以降压系数即可获得acl1和acl2的电压有效值，根据欧姆定律获得电流值。
42.通过单片机测量电压，是将模拟量转化为数字量，必须使用a/d(模数)转换接口，大部分的单片机都会自带a/d转换接口，对电压信号的采样频率最好大于1khz，然后通过有效值计算。
43.在本发明的另一种优选的实施例中，将所述电阻组更换若干次，两根支线中的电阻组的等效电阻之和保持不变，单根支线中的电阻组的等效电阻均不相同，依次获取不同电阻组对应的电流值，计算所述电流值的均值与标准差，筛选处于均值上下3个标准差范围内的电流值，对筛选后的电流值再次计算，获取新的电流值均值并作为电流值信号输出。
44.为避免单次测量存在的误差，以及电压波动可能会给测量结果带来的误差，采用多次测量并计算电流值的均值和标准差去除异常的电流值，从而保证测量数据的准确性。
45.在本发明的另一种优选的实施例中，所述隔离开关电源将市电交流电源转换低压直流电源，所述低压直流电源通过所述稳压器输出为5v低压直流电源，所述5v低压直流电源为所述运算放大器和所述单片机进行供电，所述稳压器的输入端与输出端均连接有平滑电容。
46.开关模式电源，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为隔离式和非隔离式，其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，本实施例中市电交流电源通过隔离开关电源和稳压器输出为单片机所述的5v直流工作电压。
47.在本发明的另一种优选的实施例中，所述单片机通过光耦通讯将所述电流值信号输出至led显示屏，所述光耦通讯通过光耦合器实现，当单片机输出低电平信号时，光耦合器的发光二极管导通，所述发光二极管发光，当单片机输出高电平信号时，光耦合器的发光二极管不导通，所述发光二极管不发光。
48.值得注意的是，在所述光耦合器的输出端添加光敏三极管，当所述发光二极管发光时，所述输出端的光敏三极管就导通，当所述发光二极管不发光时，所述输出端的光敏三极管不导通。
49.在单片机输出信号时，经常受到射频干扰或者快速电脉冲群干扰，非常容易造成两个系统之间的控制失效，或者通讯误码；对于这种情况隔离电路是一个很好的解决方案，隔离电路的主要目的，是将两个系统之间的电气连接关系通过“电光－光电”转换器件，或者“电磁－磁电”转换器件来切断；两个电路之间就没有了直接存在的电气关系，因而两个系统之间的射频辐射或者传导辐射也无法互相干扰，从而起到了抗干扰的目的。
50.而在“电光－光电”隔离器件中，我们一般选用光耦隔离器件，光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比，在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
51.光敏三极管和光敏二极管都能把感受到的光信号变成电信号，但是光敏三极管的基区是接受光的地方，所以基区面积做得比普通三极管要大，它所转换的光电流要比光敏二极管大几十倍甚至几百倍。
52.以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。