一种温室执行机构控制器的制造方法
【专利摘要】一种温室执行机构控制器，包括电源模块，五路磁保持继电器，继电器驱动单元，过零检测单元，互感器，采样检测单元，通信单元，数据存储模块和微控制器；电源模块与三相电源连接；微控制器的IO接口与继电器驱动单元连接后与五路磁保持继电器的线圈连接，五路磁保持继电器的触点分别连接三相电源的某一相和电机的某一相；互感器的一次侧与电机的三相线连接、二次侧分别与过零检测单元、采样检测单元连接；过零检测单元与微控制器外部中断口INT连接，采样检测单元与微控制器的SPI接口连接，数据存储模块、通信单元均与微控制器连接。本实用新型实现执行机构电流过零点切断，避免触头产生电弧现象，提高整个控制器的稳定性和延长使用寿命。
【专利说明】一种温室执行机构控制器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及温室执行机构领域，具体涉及一种温室执行机构控制器。
【背景技术】
[0002]现代温室的执行机构主要有天窗、侧窗、风机、水泵、内外遮阳网等，其中大部分设备由三相电机的正反转来驱动。目前，普遍的控制方法是根据温室执行机构的种类和数量配备相应的电力控制柜，其原理是通过熔断器、接触器以及继电器按照一定的接线方式连接来驱动电机运转，再通过电力控制柜的外部开关来手动控制执行机构。
[0003]随着温室环境控制技术的发展，温室自动控制和远程网络控制已逐渐应用于现代智能温室领域。现有的温室控制方式是在原有的电力控制柜基础上，配备相应的弱电-强电转换接口，计算机再通过相应的弱电-强电转换接口控制温室执行机构。传统的温室执行机构控制装置主要依靠模拟开关器件的控制，虽具有一定自动化程度，但是也存在着诸多缺点:
[0004]1、模拟开关器件容易损坏，可靠性低；当执行机构需要启停或正反转切换时，由于电动机容量较大、频繁启停操作，容易导致接触器的主触头产生电弧，电弧是高温高导电率的游离气体，它不仅对触头有很大的破坏作用，而且使电路断开的时间延长，从而严重影响整个控制设备的稳定性和使用寿命；
[0005]2、控制装置的弱电-强电转换功能模块器件多，各功能模块器件之间的连接比较复杂，因此涉及对原有配电柜改造的工作量大，接线复杂，可靠性低。
【发明内容】
[0006]本实用新型要解决的技术问题是，针对传统的温室执行机构控制装置存在的上述不足，提供一种温室执行机构控制器，实现执行机构电流过零点切断，避免触头产生电弧现象，提高整个控制器的稳定性和延长使用寿命。
[0007]本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是:
[0008]一种温室执行机构控制器，包括电源模块，五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5，继电器驱动单元，过零检测单元，互感器，采样检测单元，通信单元，数据存储模块和微控制器MCU ;所述电源模块与三相电源连接；继电器驱动单元、过零检测单元、采样检测单元、通信单元、数据存储模块和微控制器MCU均与电源模块连接；微控制器MCU的1接口与继电器驱动单元连接，继电器驱动单元分别与五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的线圈连接，五路磁保持继电器的触点S1、S2、S3、S4、S5分别相应连接三相电源的某一相和电机的某一相；所述互感器的一次侧与电机的三相线连接，互感器的二次侧分别与过零检测单元、采样检测单元连接；所述过零检测单元与微控制器MCU外部中断口 INT连接，采样检测单元与微控制器MCU的SPI接口连接，数据存储模块通过I2C接口与微控制器MCU连接，通信单元通过USART接口与微控制器MCU连接。
[0009]按上述方案，所述磁保持继电器Kl的触点SI连接三相电源的U相和电机U相，磁保持继电器K2的触点S2连接三相电源的V相和电机V相，磁保持继电器K3的触点S3连接三相电源的W相和电机W相，磁保持继电器K4的触点S4连接三相电源的W相和电机V相，磁保持继电器K5的触点S5连接三相电源的V相和电机W相。
[0010]按上述方案，所述电源模块包括电源保护接口、AC-DC电源模块、DC-DC电源模块，从三相电源任意一根相线与零线间取相电压作为电源模块的输入，电源保护接口用于对输入电源进行过流、过压保护，电源保护接口的输出作为AC-DC电源模块的输入，实现将220V交流电转换为12V直流电；12V直流电一方面用于驱动五路磁保持继电器，另一方面作为DC-DC电源模块的输入，DC-DC电源模块用于将12V直流电转化成3.3V直流电给微控制器MCU、采样检测单元、过零检测单元、通信单元、数据存储模块供电。
[0011]按上述方案，所述AC-DC电源模块采用金升阳公司的LH10-10B12电源模块，DC-DC电源模块采用金升阳公司的B_S-2W电源模块。
[0012]按上述方案，所述五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5采用上海万佳的WJ31F型继电器。
[0013]按上述方案，所述继电器驱动单元包括五路H桥驱动电路，用于分别驱动对应的五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的闭合与断开，每路H桥驱动电路由光电耦合器Op 11、0pt2，三极管Q1、Q2、Q3、Q4，电阻R1、R2组成，三极管Q1、Q2、Q3、Q4与电阻R1、R2构成H桥电路，微控制器MCU通过Ι0_Α、Ι0_Β两个1接口分别与光电耦合器Optl、0pt2连接，光电耦合器Optl、0pt2的输出端再分别连接至H桥电路的两路控制端。
[0014]按上述方案，所述互感器包括电流互感器CT、电压互感器PT，所述电流互感器CT的一次侧与电机的三相线连接，其二次侧与过零检测单元、采样检测单元连接，电流互感器CT采集电机交流电流信号后接取样负载RL，将电机交流电流信号转换成电机交流电压信号，电机交流电压信号一路连接至过零检测单元，另一路连接至采样检测单元；所述电压互感器PT的一次侧与电机的三相线连接，其二次测与采样检测单元连接，电压互感器PT采集电机交流电压信号后连接至采样检测单元；
[0015]所述过零检测单元包括依次连接的仪表放大电路、钳位滤波电路、电压比较电路，所述仪表放大电路包括仪表放大器AD623，钳位滤波电路由两个稳压二极管D2.1、D2.2钳位连接，电压比较电路包括电压比较器LM339 ；
[0016]所述采样检测单元包括电压差分滤波电路、电流差分滤波电路、采样芯片，电机交流电流信号经电流互感器CT取样后送至电流差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；电机交流电压信号经过电压互感器PT取样后送至电压差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；采样芯片输出的采样数据通过SPI接口与微控制器MCU连接。
[0017]按上述方案，所述采样芯片采用电度计量芯片ATT7022。
[0018]按上述方案，所述微控制器MCU采用32位ARM7内核处理器，型号为STM32F103VET6。
[0019]按上述方案，所述数据存储模块采用存储容量为512M的存储芯片；所述通信单元包括RS485通信模块、无线通信模块，RS485通信模块和无线通信模块通过USART接口与微控制器MCU连接。
[0020]本实用新型的工作原理:电源模块为整个控制器提供稳定的直流12V电源和直流
3.3V电源，数据存储模块用来存储本控制器的地址、电机消耗的电能参数等；采样芯片实时在线测量电机运行的电能参数，实时了解电机的运行状况。如需电机正转启动，微控制器MCU通过继电器驱动单元闭合K1、K2、K3三路磁保持继电器；如需电机反转启动，则微控制器MCU通过继电器驱动单元闭合K1、K4、K5三路磁保持继电器，通过颠倒相序实现电机反转；如需停止电机运行，微控制器MCU通过过零检测单元检测相线电流过零点时刻，然后立即断开相应的磁保持继电器，实现电路无弧切断；如果出现欠压、过压、缺相、过流等现象，则微控制器MCU立即执行继电器切断操作，对电机进行保护。
[0021]本实用新型具有以下有益效果:
[0022](I)本实用新型控制器通过控制执行机构电机的运转，实现对温室执行机构的启、停及正、反转操作；尤其是微控制器能够实现执行机构电流过零点切断，避免了触头产生电弧现象，从而提高整个控制器的稳定性和延长使用寿命；
[0023](2)本实用新型内置采样检测单元，能够实时在线测量电机运行的电能参数，如发现有异常情况产生(过压、过流、欠压)，控制器能及时执行切断操作，保护电机以及人员、设备的安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型温室执行机构控制器的整体结构示意图；
[0025]图2是本实用新型继电器驱动单元与磁保持继电器的电路结构接线图；
[0026]图3是本实用新型过零检测单元的工作结构原理图；
[0027]图4是本实用新型过零检测单元的电路结构接线图；
[0028]图5是本实用新型采样检测单元的工作结构原理图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。
[0030]参见图1所示，本实用新型所述的温室执行机构控制器，包括电源模块，五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5，继电器驱动单元，过零检测单元，互感器，采样检测单元，通信单元，数据存储模块和微控制器MCU ;所述电源模块与三相电源连接；继电器驱动单元、过零检测单元、采样检测单元、通信单元、数据存储模块和微控制器MCU均与电源模块连接；微控制器MCU的1接口与继电器驱动单元连接，继电器驱动单元分别与五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的线圈连接，五路磁保持继电器的触点S1、S2、S3、S4、S5分别相应连接三相电源的某一相和电机的某一相；所述互感器的一次侧与电机的三相线连接，互感器的二次侧分别与过零检测单元、采样检测单元连接；所述过零检测单元与微控制器MCU外部中断口 INT连接，采样检测单元与微控制器MCU的SPI接口连接，数据存储模块通过I2C接口与微控制器MCU连接，通信单元通过USART接口与微控制器MCU连接。
[0031]所述磁保持继电器Kl的触点SI连接三相电源的U相和电机U相，磁保持继电器K2的触点S2连接三相电源的V相和电机V相，磁保持继电器K3的触点S3连接三相电源的W相和电机W相，磁保持继电器K4的触点S4连接三相电源的W相和电机V相，磁保持继电器K5的触点S5连接三相电源的V相和电机W相。
[0032]所述电源模块包括电源保护接口、AC-DC (交流转直流)电源模块、DC-DC (直流转直流)电源模块，从三相电源任意一根相线与零线间取相电压作为电源模块的输入，电源保护接口用于对输入电源进行过流、过压保护，电源保护接口的输出作为AC-DC电源模块的输入，实现将220V交流电转换为12V直流电；12V直流电一方面用于驱动五路磁保持继电器，另一方面作为DC-DC电源模块的输入，DC-DC电源模块用于将12V直流电转化成3.3V直流电给微控制器MCU、采样检测单元、过零检测单元、通信单元、数据存储模块供电。
[0033]所述AC-DC电源模块采用金升阳公司的LH10-10B12电源模块，DC-DC电源模块采用金升阳公司的B_S-2W电源模块。
[0034]所述五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5采用上海万佳的WJ31F型继电器，线圈控制电压DC12V，额定负载80A/250VAC，磁保持继电器开、合动作采用正向和反向12V直流脉冲激励线圈即可，直流脉冲需维持150ms，其动作后的开、合状态靠永久磁钢所产生的磁力保持。
[0035]所述继电器驱动单元包括五路H桥驱动电路，用于分别驱动对应的五路磁保持继电器Kl、K2、K3、K4、K5的闭合与断开，参照图2所示，每路H桥驱动电路由光电耦合器Opt 1、0pt2，三极管Q1、Q2、Q3、Q4，电阻R1、R2组成，三极管Q1、Q2、Q3、Q4与电阻R1、R2构成H桥电路，微控制器MCU通过Ι0_Α、Ι0_Β两个1接口分别与光电耦合器Optl、0pt2连接，光电耦合器0ptl、0pt2的输出端再分别连接至H桥电路的两路控制端，具体工作过程为:当需要闭合某路磁保持继电器时，微控制器MCU控制对应的Ι0_Α接口输出高电平，Ι0_Β接口输出低电平，此时光电稱合器Optl导通,光电稱合器0pt2截止，同时致使三极管Ql和Q4导通，Q2和Q3截止，磁保持继电器的R_A和R_B两端形成正向12V电压，微控制器MCU保持10_八、10_8接口输出150ms，则磁保持继电器闭合；当需要断开该路磁保持继电器时，微控制器MCU控制对应的Ι0_Α接口输出低电平，10_8接口输出高电平，此时光电耦合器Optl截止，光电耦合器0pt2导通，同时致使三极管Ql和Q4截止，Q2和Q3导通，磁保持继电器的R_A和R_B两端形成反向12V电压，微控制器MCU保持Ι0_Α和Ι0_Β接口输出150ms，则磁保持继电器断开。
[0036]所述互感器包括电流互感器CT、电压互感器PT，所述电流互感器CT的一次侧与电机的三相线连接，其二次侧与过零检测单元、采样检测单元连接，电流互感器CT采集电机交流电流信号后接取样负载RL (实施例中RL取200 Ω )、将电机交流电流信号转换成电机交流电压信号，电机交流电压信号一路连接至过零检测单元(用于过零检测)，另一路连接至采样检测单元(用于电能参数在线测量)；所述电压互感器PT的一次侧与电机的三相线连接，其二次测与采样检测单元连接，电压互感器PT采集电机交流电压信号后连接至采样检测单元；
[0037]参照图3所示，所述过零检测单元包括依次连接的仪表放大电路、钳位滤波电路、电压比较电路，所述仪表放大电路包括仪表放大器AD623及其外围电路，钳位滤波电路由两个稳压二极管D2.1、D2.2钳位连接，电压比较电路包括电压比较器LM339及其外围电路；
[0038]所述采样检测单元包括电压差分滤波电路、电流差分滤波电路、采样芯片，如图5所示，电机交流电流信号经电流互感器CT取样后送至电流差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；电机交流电压信号经过电压互感器PT取样后送至电压差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；采样芯片输出的采样数据通过SPI接口与微控制器MCU连接。
[0039]过零检测单元用于实现交流电流过零点信号调理，具体工作过程:参照图4所示，电机交流电流信号经过电流互感器CT取样(电流互感器CT接在U1、Ui’两端)，经过取样负载RL两端输出为电机交流电压信号(正弦信号)，通过仪表放大器AD623跟随输出，提高过零检测单元输入阻抗，再通过稳压二极管D2.1、D2.2钳位，再将信号送至电压比较器LM339的同相端(“ + ”)与反相端(；以反相端作为参考电压，同相端作为待比较的电压信号，当同相端(“ + ”)电压高于反相端(电压时，电压比较器LM339输出端输出开路；当“_”端电压高于“ + ”端电压时，电压比较器LM339输出端输出低电位；另外，电压比较器LM339输出端到正电源上拉一电阻R2.5，确保电压比较器LM339输出开路时为正电源输出。因此，当电机交流电压信号(正弦信号)处于正半周期时(Ui>0)，电压比较器LM339输出正电源(方波的正半周)，当电机交流电压信号(正弦信号)处于负半周期时(Ui〈0)，电压比较器LM339输出低电位(方波的负半周)；换言之，电流互感器CT经取样负载RL输出的电机交流电压信号(正弦信号)经过过零检测单元后整形为标准的方波信号，且正弦的电机交流电压信号的过零点与方波信号的下降沿重合，将此方波信号送至微控制器MCU外部中断口 INT，此时微控制器MCU断开相应的磁保持继电器(K1、K2、K3*K1、K4、K5)就能实现零电流切断，无电弧现象产生。
[0040]所述采样芯片采用电度计量芯片ΑΤΤ7022，ΑΤΤ7022能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、有功能量和无功能量等，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因素、频率等参数。
[0041]所述微控制器MCU采用32位ARM7内核处理器，型号为STM32F103VET6，其性能强、功耗低。
[0042]所述数据存储模块用于存储电机的运行参数和电能参数数据，数据存储模块采用存储容量为512Μ的存储芯片；所述通信单元包括RS485通信模块、无线通信模块，USART接口包括USARTl接口(有线接口 )、USART2接口(无线接口 )，RS485通信模块和无线通信模块分别通过USARTl接口、USART2接口与微控制器MCU连接，有线接口和无线接口为本控制器提供了多种数据传输方式。
[0043]本实用新型电源模块为整个控制器提供稳定的直流12V电源和直流3.3V电源，数据存储模块用来存储本控制器的地址、电机消耗的电能参数等；采样芯片实时在线测量电机运行的电能参数，实时了解电机的运行状况。如需电机正转启动，微控制器MCU通过继电器驱动单元闭合K1、K2、K3三路磁保持继电器；如需电机反转启动，则微控制器MCU通过继电器驱动单元闭合Κ1、Κ4、Κ5三路磁保持继电器，通过颠倒相序实现电机反转；如需停止电机运行，微控制器MCU通过过零检测单元检测相线电流过零点时刻，然后立即断开相应的磁保持继电器，实现电路无弧切断；如果出现欠压、过压、缺相、过流等现象，则微控制器MCU立即执行继电器切断操作，对电机进行保护。
[0044]以上所述的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等效变化，仍属本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种温室执行机构控制器，其特征在于:包括电源模块，五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5，继电器驱动单元，过零检测单元，互感器，采样检测单元，通信单元，数据存储模块和微控制器MCU ;所述电源模块与三相电源连接；继电器驱动单元、过零检测单元、采样检测单元、通信单元、数据存储模块和微控制器MCU均与电源模块连接；微控制器MCU的1接口与继电器驱动单元连接，继电器驱动单元分别与五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的线圈连接，五路磁保持继电器的触点S1、S2、S3、S4、S5分别相应连接三相电源的某一相和电机的某一相；所述互感器的一次侧与电机的三相线连接，互感器的二次侧分别与过零检测单元、采样检测单元连接；所述过零检测单元与微控制器MCU外部中断口 INT连接，采样检测单元与微控制器MCU的SPI接口连接，数据存储模块通过I2C接口与微控制器MCU连接，通信单元通过USART接口与微控制器MCU连接。
2.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于:所述磁保持继电器Kl的触点SI连接三相电源的U相和电机U相，磁保持继电器K2的触点S2连接三相电源的V相和电机V相，磁保持继电器K3的触点S3连接三相电源的W相和电机W相，磁保持继电器K4的触点S4连接三相电源的W相和电机V相，磁保持继电器K5的触点S5连接三相电源的V相和电机W相。
3.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于:所述电源模块包括电源保护接口、AC-DC电源模块、DC-DC电源模块，从三相电源任意一根相线与零线间取相电压作为电源模块的输入，电源保护接口用于对输入电源进行过流、过压保护，电源保护接口的输出作为AC-DC电源模块的输入，实现将220V交流电转换为12V直流电；12V直流电一方面用于驱动五路磁保持继电器，另一方面作为DC-DC电源模块的输入，DC-DC电源模块用于将12V直流电转化成3.3V直流电给微控制器MCU、采样检测单元、过零检测单元、通信单元、数据存储模块供电。
4.根据权利要求3所述的温室执行机构控制器，其特征在于:所述AC-DC电源模块采用金升阳公司的LH10-10B12电源模块，DC-DC电源模块采用金升阳公司的B_S_2W电源模块。
5.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于:所述五路磁保持继电器Kl、K2、K3、K4、K5采用上海万佳的WJ3IF型继电器。
6.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于:所述继电器驱动单元包括五路H桥驱动电路，用于分别驱动对应的五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的闭合与断开，每路H桥驱动电路由光电耦合器Opt 1、0pt2，三极管Ql、Q2、Q3、Q4，电阻Rl、R2组成，三极管Ql、Q2、Q3、Q4与电阻Rl、R2构成H桥电路，微控制器MCU通过Ι0_Α、Ι0_Β两个1接口分别与光电耦合器Optl、0pt2连接，光电耦合器Optl、0pt2的输出端再分别连接至H桥电路的两路控制端。
7.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于:所述互感器包括电流互感器CT、电压互感器PT，所述电流互感器CT的一次侧与电机的三相线连接，其二次侧与过零检测单元、采样检测单元连接，电流互感器CT采集电机交流电流信号后接取样负载RL，将电机交流电流信号转换成电机交流电压信号，电机交流电压信号一路连接至过零检测单元，另一路连接至采样检测单元；所述电压互感器PT的一次侧与电机的三相线连接，其二次测与采样检测单元连接，电压互感器PT采集电机交流电压信号后连接至采样检测单元； 所述过零检测单元包括依次连接的仪表放大电路、钳位滤波电路、电压比较电路，所述仪表放大电路包括仪表放大器AD623，钳位滤波电路由两个稳压二极管D2.1、D2.2钳位连接，电压比较电路包括电压比较器LM339 ； 所述采样检测单元包括电压差分滤波电路、电流差分滤波电路、采样芯片，电机交流电流信号经电流互感器CT取样后送至电流差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；电机交流电压信号经过电压互感器PT取样后送至电压差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；采样芯片输出的采样数据通过SPI接口与微控制器MCU连接。
8.根据权利要求7所述的温室执行机构控制器，其特征在于:所述采样芯片采用电度计量芯片ATT7022。
9.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于:所述微控制器MCU采用32位ARM7内核处理器，型号为STM32F103VET6。
10.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于:所述数据存储模块采用存储容量为512M的存储芯片；所述通信单元包括RS485通信模块、无线通信模块，RS485通信模块和无线通信模块通过USART接口与微控制器MCU连接。
【文档编号】G05B19/042GK203965858SQ201420296070
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】高一川, 陈鸿, 万勇, 周朝, 柳竞林 申请人:武汉市农业机械化科学研究所