一种基于微控制器的简易电工仪表的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及电工参数测量领域，提供一种基于微控制器的简易电工仪表，包括电源电路、电网电压与电流转换电路、档位自动切换电路、运算放大单元、模数转换模块、微处理器控制与计算单元，按键输入与输出显示单元，所述电网电压与电流转换电路的输出端与档位自动切换电路相连，所述档位自动切换电路的输出端与运算放大单元相连，所述运算放大单元的输出端与模数转换模块相连，所述模数转换模块的输出端与微处理器控制与计算单元相连。本实用新型设备前端处理电路相对简单，可以对220V和380V的电压进行自动档位调节，同时可以测量功率因素、有功功率、视在功率等参数。
【专利说明】
一种基于微控制器的简易电工仪表
技术领域
[0001]本实用新型涉及电工参数测量领域，具体涉及一种基于微控制器的简易电工仪表。
【背景技术】
[0002]随着数字技术的不断发展，在许多领域，以微控制器为中心的应用系统逐步取代模拟和非智能系统。因此，电工仪表的设计也逐步转移到以微控制器为中心的智能系统上来。模拟和非智能电工仪表普遍存在设备模拟电路复杂、容易受到干扰、设备体积大、测量参数较少等缺点。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的就是为了克服传统模拟仪器和非智能设备的不足之处，提出一种智能的简易电工仪表，该设备前端处理电路相对简单，可以对220V和380V的电压进行自动档位调节，同时可以测量功率因素、有功功率、视在功率等参数。
[0004]本实用新型的目的是通过如下技术措施来实现的:一种基于微控制器的简易电工仪表，包括电源电路、电网电压与电流转换电路、档位自动切换电路、运算放大单元、模数转换模块、微处理器控制与计算单元，按键输入与输出显示单元，所述电网电压与电流转换电路的输出端与档位自动切换电路相连，所述档位自动切换电路的输出端与运算放大单元相连，所述运算放大单元的输出端与模数转换模块相连，所述模数转换模块的输出端与微处理器控制与计算单元相连。
[0005]在上述技术方案中，电网电压与电流转换电路通过变压器和电流互感器采集电网的电压和电流量。电压电流均采用100:1的比例进行衰减，转换在可测量的范围，然后输入到运算放大单元加入直流分量。
[0006]在上述技术方案中，档位自动切换电路是整个系统的重要部分之一，它的主要功能是选择正确的通路，也就是闭合合适档位的开关而断开其他档位的开关。继电器的闭合或断开由单片机根据采样的数据做出判断来决定，具体实现是从低档逐步向高档搜索，如果处理器采样的数值过小则调向下一档直到合适的档位。
[0007]在上述技术方案中，运算放大单元采用LM324运算放大电路。LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器，其具有内部补偿功能、输入有静电保护、可工作在单电源下(电压范围是3.3V~32V)等特点。本设计运用反向负反馈，对输入信号进行放大同时加入直流分量，目的是在AD采样不存在负值信号，最后通过软件抵消直流成分。
[0008]在上述技术方案中，模数转换模块为满足需要的采样频率，本设计采用8位高速AD转换芯片TLC0820，此芯片还具有其他特点，如:并行数据输出且为三态门，有不同的工作模式可以选择等。因此，本设计采用只读模式，两路AD同时采样而分别读取，这样就可以消除两路?目号的时延差。
[0009]在上述技术方案中，本电工仪表还具有LCD显示、功能键盘、过量程报警电路:功能键盘采用24阵列键盘，有各种参数选择键，确认键等;IXD显示单元采用LM12864点阵液晶显示模块，主要由LCD显示器、控制器、驱动器和偏压产生电路组成，用于显示测量的电压值、电流值、功率因数、有用功率、无用功率、失真度等信息;过量程报警电路由单片机控制，当测量值超过量程时，单片机的驱动蜂鸣器报警，同时关闭继电器开关。
[0010]在上述技术方案中，电源电路外部提供12V直流电，经过稳压芯片7805和LM1117转换后分别为系统提供所需要的5V和3.3V电压。
[0011]在上述技术方案中，所述微处理器控制与计算单元采用STM32F103处理器。数据处理程序首先对采样的数据进行预处理，进行高通滤波，除去人为加入的直流成分，然后计算出电压有效值和电流有效值;接下来利用线性插值计算两路信号的过零点时间，根据，是电压信号和电流信号的相位差，可以得出功率因数，然后可以根据有功功率、无功功率和视在功率的关系，计算出上述参数的值;对滤波后的电压信号进行快速傅立叶变换，然后计算所有谐波能量之和与基波能量之比的平方根，即电压的失真度。键盘子程序和LCD子程序主要负责人机交互，根据键盘的输入，则在LCD上显示相关的参数的值。过量程报警子程序是根据测量的电压有效值或电流有效值来判断是否超过了量程，如果超过，则驱动蜂鸣器报警，LCD显示屏上指示当前的异常状态，同时切断继电器开关来保护电路。
[0012]在上述技术方案中，所述电网电压与电流转换电路包括变压器Tl和电流互感器T2，所述变压器Tl的右侧有三个抽头，其中两个抽头分别连接电阻Rl和电阻R2，电阻Rl和电阻R2的另外一端连接继电器Kl的开关的二选一的引脚，继电器Kl的开关的另外一侧连接电阻R4，电阻R4串联自恢复保险丝FI后连接变压器TI的第三抽头同时接地，继电器KI连接三极管Ql的集电极，三极管Ql的基极串联电阻R5后连接到STM32F103处理器的1 口 Pl.0上，三极管Ql的发射极串联电阻R3后接地，在电阻R4与继电器Kl的连接处取待测电压送给运算放大单元;所述电流互感器T2的右侧有三个抽头，其中两个抽头分别连接电阻R6和电阻R8，电阻R6和电阻R8的另外一端连接继电器K2的开关的二选一的引脚，继电器K2的开关另外一侧连接电阻RlO，电阻RlO串联自恢复保险丝F2后连接电流互感器T2的第三抽头同时接地，继电器K2连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的基极串联电阻R9后连接到STM32F103处理器的1 口 P1.1上，三极管Q2的发射极串联电阻R7后接地，在电阻R1与继电器K2的连接处取待测电压送给运算放大单元。
[0013]传统的测量设备直接使用模拟电路采集和运算，并且指针指示结果，因此设备造价成本高、档位需要人工调节、设备体积较大、结果不容易读取。同时，高端的测量设备价格昂贵、功能复杂，不便于普通电工工人使用。
[0014]本实用新型较好的避免了传统设备的以上缺点，本实用新型利用STM32F103系列单片机的丰富资源设计出具有智能调节档位的多功能电工仪表，便于携带、方便操作、成本低廉;并且具有多种接口如RS232、RS485、CAN总线、USB等，方便接入计算机系统进行自动监控测量和远程监测。经过反复测试，结果验证本实用新型电工仪表能够达到测量仪表的各项指标，具有一定的实用价值。
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型实施例的电路框图。
[0016]图2为本实用新型实施例中电网电压与电流转换电路及档位自动切换电路部分的电路连接图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的描述。
[0018]如图1所示，本实施例提供一种基于微控制器的简易电工仪表，包括电源电路、电网电压与电流转换电路、档位自动切换电路、运算放大单元、模数转换模块、微处理器控制与计算单元，按键输入与输出显示单元，所述电网电压与电流转换电路的输出端与档位自动切换电路相连，所述档位自动切换电路的输出端与运算放大单元相连，所述运算放大单元的输出端与模数转换模块相连，所述模数转换模块的输出端与微处理器控制与计算单元相连。
[0019]上述微处理器控制与计算单元、档位自动切换电路、模数转换模块紧密联系在一起，是数据采集的核心部分。
[0020]如图2所示，本实施例中首先使用变压器Tl将电网中的电压转换为安全的可测量电压，变压器Tl的左侧有三个抽头，其中两个抽头分别连接电阻Rl和电阻R2，电阻Rl和电阻R2另外一端连接继电器Kl的开关的二选一的引脚;继电器Kl的开关另外一侧连接电阻R4，电阻R4串联自恢复保险丝Fl再连接变压器的第三抽头同时接地;继电器Kl的开关可以通过三极管Ql控制开关的选择，三极管Ql的基极串联电阻R5后连接到STM32F103处理器的1 口Pl.0上;在电阻R4与继电器Kl的连接处取待测电压送给运算放大器LM324;使用电流互感器将电网线路中的电流转换为可测量的小电流，转换以后的处理方式与电压原理相同。
[0021]本实用新型简易的电工参数测量仪表的工作原理为:首先将待测电网的线路接入到电工仪表系统中，然后打开测量仪表的电源开关，各个电路模块开始初始化;系统可以正常工作时，首先电网中的电压和电流分别经过变压器和电流互感器转换为可测量的信号，变压器Tl可以输出两个等级的电压，然后通过继电器Kl的开关进行选择;在默认情况下，继电器Kl的开关与低档位闭合即与电阻R2段链接，当处理的引脚Pl.0由低电平变为高电平的时候，三极管Ql导通，继电器Kl控制端有电流通过，开关会切换到高等级的档位;关于档位的切换原理是根据当前档位情况下数据的幅度大小决定的，如果当前档位数据幅度过大则切换到低档位，如果幅度过小则切换到高档位;接下来需要把获取的信号送入到运算放大器，主要目的是在此过程给信号加入直流成分，然后将信号送入到AD转换芯片，STM32F103处理器获取到数据信号以后，进行分析计算，最后把处理完的数据显示在LCD上;并且，可以通过USB、RS232、CAN等接口将数据通过固定的协议传送至网络中，便于远程数据获取。
[0022]本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1.一种基于微控制器的简易电工仪表，包括电源电路、电网电压与电流转换电路、档位自动切换电路、运算放大单元、模数转换模块、微处理器控制与计算单元，按键输入与输出显示单元，其特征是:所述电网电压与电流转换电路的输出端与档位自动切换电路相连，所述档位自动切换电路的输出端与运算放大单元相连，所述运算放大单元的输出端与模数转换模块相连，所述模数转换模块的输出端与微处理器控制与计算单元相连。2.根据权利要求1所述的基于微控制器的简易电工仪表，其特征是:所述微处理器控制与计算单元采用STM32F103处理器。3.根据权利要求1所述的基于微控制器的简易电工仪表，其特征是:所述电网电压与电流转换电路包括变压器Tl和电流互感器T2，所述变压器Tl的右侧有三个抽头，其中两个抽头分别连接电阻Rl和电阻R2，电阻Rl和电阻R2的另外一端连接继电器Kl的开关的二选一的引脚，继电器Kl的开关的另外一侧连接电阻R4，电阻R4串联自恢复保险丝Fl后连接变压器Tl的第三抽头同时接地，继电器Kl连接三极管Ql的集电极，三极管Ql的基极串联电阻R5后连接到STM32F103处理器的1口 Pl.0上，三极管Ql的发射极串联电阻R3后接地，在电阻R4与继电器Kl的连接处取待测电压送给运算放大单元;所述电流互感器T2的右侧有三个抽头，其中两个抽头分别连接电阻R6和电阻R8，电阻R6和电阻R8的另外一端连接继电器K2的开关的二选一的引脚，继电器K2的开关另外一侧连接电阻R10，电阻RlO串联自恢复保险丝F2后连接电流互感器T2的第三抽头同时接地，继电器K2连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的基极串联电阻R9后连接到STM32F103处理器的1 口 ？1.1上，三极管02的发射极串联电阻1?7后接地，在电阻Rl O与继电器K2的连接处取待测电压送给运算放大单元。
【文档编号】G01R21/00GK205643504SQ201620405041
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】陈力, 何川
【申请人】武汉诚迈科技有限公司