专利名称：集成式仪表、电器综合控制装置的制作方法
技术领域：
本发明创造属低压电器与自动化仪表领域，背景技术在传统的工业自动化控制领域主要为电器、仪表两大类，其中低压电器元件主要有交流接触器、热继电器、电流继电器、电压继电器、时间继电器、漏电保护器、断相保护器等，这些产品功能单一，一般不能单独工作，而自动化仪表主要分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行机构，他们担负着对工业物理、化学、长度、重量、电量等参数进行检测、显示、控制等功能，是自动化系统的感官和神经系统，它们没有直接拖动马达或控制大功率设备的能力，必须与低压电器配合完成拖动控制，在一般的工业控制中往往需要几种低压电器元件及工业仪表组合来完成某项特定工作。
在当前的实际工业自动化控制中，组成电气自动化系统或工业自动化仪表控制系统往往要由多种电器元件和显示、控制仪表等配合完成，不仅系统接线复杂，需要较大盘柜安装空间和体积，而且使综合耗电量大，接点多、可靠性差，综合成本高，同时浪费很多白金、银、铜等金属及其它资源，近年虽有上海电科所开发的“KB0-T智能型控制与保护开关电器”、美国西屋电气公司的“A系列智能化接触器”问世，但由于结构复杂，成本高，一般用户无法接受，而且功能仍不够完善，仅局限在电器领域，没有用户需求的仪表功能，即使已经公开的中国发明专利92114900.X“通用多功能接触器”，虽然有比较多的保护功能和可扩展功能的端口，但仍存在一定的缺点一、电子控制电路和扩展电路与高压电源共用中性地线，没有隔离措施，容易使电子控制电路、扩展电路和传感器带有高压，存在较大的安全隐患，甚至危及用户的生命安全，二、没有提供故障显示功能，不能给维修人员提供直观的故障提示，不便于及时排除故障，三、只提供了简单的输入扩展接口，没有将本机状态向外传送的输出端口，也没有故障报警功能，可以说它还不是真正的I/O端口，四、没有直接扩展模拟量控制的能力，也没有主回路电流、设定值电流和电源电压及其它模拟量的显示功能，五、电子控制电路的工作电源容量小，降压电阻容易发热，不能提供较大的电流给扩展电路，六、电子控制电路的节电功能建立在脉冲调宽的高电压、大电流的开关状态，对电子元件要求较高，安全可靠性较差。
发明内容
本发明创造旨在提供一种用电子技术实现的整体的集成式仪表、电器综合控制装置，该装置不仅包括交流接触器、热继电器、断相保护器、漏电保护器、电压继电器及节电和故障显示功能，而且有主回路电流显示、设定电流显示、电源电压显示，有与其它电器、仪表联系的接口，有与计算机或其他电子设备连接的通讯接口，有用户需求的各种仪表控制、保护和显示功能，且结构紧凑，使用方便，便于组成DCS计算机集散控制系统。
基于上述目的，本发明采用一体化的电流传感技术，实时检测主回路电流状态，主回路电源与检测信号保持隔离；缺相检测方法采用检测三相中点电位平衡的方法，但检测信号不是取自三相主回路电源，而是取自三个电流传感器的星形中点，保持了缺相信号与高压隔离；过、欠压信号则取自电源变压器T1的二次绕组N1，由电源变压器进行电源与信号的隔离；漏电信号取自串接在被保护设备接地回路的漏电电流互感器，在检测信号全部通过隔离取样后，本发明采用高压驱动电源B+与低压电源V12、Vcc、Vdd分离接地方法，确保检测信号与高压电源的严格隔离；高压驱动电源以A2为参考点，低压电源以地(A4)为参考点，高、低压之间的信号联系通过光电耦合器实现，保证电子控制电路的正常工作和人身安全。
电子控制电路的A1、A2为控制电源输入，电子控制电路的输出负载即为电磁线圈M，通过电磁线圈M带动铁芯闭合工作，从而控制三相电源的接通与分断。控制电源A1分两路连接于电源变压器T1的初级N0输入端和整流二极管D1的阳极，电源变压器T1初级的另一端接控制电源A2，电源变压器T1的次级N2一端接参考端A2，另一端经电容C5接整流二极管D2负极、D3正极，D2正极接参考端A2，在D3负极端输出VB维持电源并与电磁线圈M连接，电容C5和二极管D2、D3组成简单的倍压整流电路，以提高效率。电源变压器T1的次级N1接整流桥D8进行全波整流，整流桥D8正端接滤波电容C2和三端稳压器U1的输入端，负端接地，在电容C2上获得非稳压直流V12，三端稳压器U1的输出端接三端稳压器U2的输入端和滤波电容C3，三端稳压器U1的输出端为直流稳压输出Vcc，三端稳压器U2的输出端为直流稳压输出Vdd，三端稳压器U1、U2的接地端和电容C2、C3的另一端接地。V12供给过、欠压取样电路作为过、欠压信号，稳压电源Vcc供给电子控制电路作为工作电源，Vdd供给智能扩展模块电路作为工作电源。
经二极管D1整流、电容C1滤波后的电源为驱动电源B+，由电阻R1、R2、R3、R4、电容C4、三极管Q2、开关管Q1组成了瞬态导通的电子开关，驱动电源B+与电阻R1、R2、R3连接，R1的另一端接功率开关管O1的阳极，O1的阴极接电磁线圈M，为线圈M提供电流通路，电阻R2另一端接三极管Q2的集电极和开关管Q1的控制极，电阻R3的另一端与电阻R4、电容C4连接，电阻R4的另一端接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极和电容C4另一端及开关管Q1的阴极一同接在维持电源VB上，也即电磁线圈M上，线圈M的另一端经功率开关管Q3接参考端A2，使Q1上电后即刻导通，随着电容C4充电结束，开关管Q1自动关闭，使线圈M在集成式仪表、电器综合控制装置得电初始由驱动电源B+经开关管Q1供电，吸合后自动转为由电源VB提供维持电流，以使铁芯保持吸合状态，流过电磁线圈M的电流首先由瞬态导通的电子开关提供全压下的吸合电流，然后自动转为由VB供给的维持电流，获得了较高的线圈节电功能，为了使线圈M工作稳定，减少噪音，在线圈两端还并联有续流二极管D5。
集成式仪表、电器综合控制装置的缺相信号取自三个主回路电流传感器L1、L2、L3的星点，该星点经零序电流互感器L4的原边一次绕组接地，L4的副边二次绕组一端接地，另一端经二极管D7整流、电容C10滤波后接比较器IC2a反相端，没有电源或负载缺相时，星点电位为零，L4的原边一次绕组没有电流流过，L4的副边二次绕组也没有信号输出，当缺相或三相不平衡时，星点电位不为零，L4副边二次绕组有缺相信号输出，当IC2a反相端的缺相信号大于IC2a同相端基准电平时，比较器IC2a输出低电平，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动发光二极管D01发光显示，指示出现缺相故障，Vcc电源经电阻R9、R10分压后作为比较器IC2a同相端缺相基准电平。电流传感器L1、L2、L3的原边绕组即为集成式仪表、电器综合控制装置的三组静触桥，三个副边二次绕组L1、L2、L3即为电流传感器的输出，由于三个电流传感器按星形联接，因此，不仅可用于检测三相电源或负载的缺相检测，而且还可用于三相电流不平蘅检测，从而可以实现缺相和三相不平衡保护。
电流传感器L1、L2、L3始端的三相信号经三个二极管D11、D12、D13进行半波整流，然后由电容C8滤波，滤波后一路经电阻R28接比较器IC2b的反相端和开关K作为过载保护信号，开关K的另一端经电容C9接地，由电阻R28和电容C9组成积分电路，以获得过载保护所需要的反时限特性，Vcc电源经电阻R21接电位器R24的始端，R24的末端经电阻R22接地，R24的中点接比较器IC2b的同相端，通过调整电位器R24的中点位置可以改变比较器IC2b的基准电平，也即整定了过载或过流的范围，当IC2b的反相端的传感信号电平大于设定基准电平时，比较器IC2b输出低电平，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动发光二极管D02发光显示，指示出现过流或过载故障，开关K闭合时为过载保护，并具有反时限特性，开关K打开时为过流保护，具有快速保护特性。
经二极管D11、D12、D13整流、电容C8滤波后的传感器信号另一路由电阻R25、R26分压后接比较器IC2c的反相端作为短路保护信号，当IC2c的反相端的信号电平大于短路设定基准电平时，IC2c输出低电平，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动发光二极管D03发光显示，指示出现短路故障。三个电流传感器L1、L2、L3的始端还分别连接三个二极管D14、D15、D16的阴极，并进行负半周的半波整流，整流后接负载电容C11和负载电阻R23，由R23和C11获得与正半周相同的负载阻抗，以保证在零序电流互感器L4上取得完整波形的缺相信号。
集成式仪表、电器综合控制装置的过压、欠压信号取自非稳压直流输出V12，非稳压直流输出V12经电阻R15、R16分压后接比较器IC2d的反相端，经电阻R17、R18分压后接比较器IC2e的同相端，分别与IC2d同相端和IC2e反相端的基准电平比较完成过压、欠压检测，当电源电压过高，使比较器IC2d的反相端电平大于同相端基准电平时，比较器IC2d输出低电平，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动发光二极管D04发光显示，指示出现过压故障。当电源电压过低，使比较器IC2e的同相端电平小于反相端基准电平，则比较器IC2e输出低电平，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动发光二极管D05发光显示，指示出现欠压故障。比较器IC2c、IC2d的同相端和IC2e反相端共用一个基准电平，由Vcc电源经稳压管D10二次稳压取得，电阻R11是稳压管D10的限流电阻。
漏电保护是利用串接在输入的主回路三相交流电源的中性地线上的电流互感器L5取得漏电信号，集成式仪表、电器综合控制装置的保护端子PN和中性地线(A4)分别与电流互感器L5的原边绕组两端连接，PN接用电设备外壳或设备的保护接地端子，A4接三相交流电源的中性保护地线，电流互感器L5的二次绕组一端接地，另一端经二极管D20整流、电容C12滤波后接比较器IC2f的反相端的，与IC2f同相端的基准电平比较，基准电平由分压电阻R19、R20对Vcc电源分压取得，当比较器IC2f的反相端信号大于同相端电平时，比较器IC2f输出低电平，驱动发光二极管D06发光显示，指示出现漏电故障，同时，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放。
IC2a～IC2f六个比较器均为开漏门输出，输出端分别接D01～D06六个LED发光二极管的阴极，六个发光二极管的阳极经电阻R31～R36连接Vcc电源，六个发光二极管分别用以指示缺相、过流/过载、短路、过压、欠压、漏电故障，当任意一比较器输出低电平时，则相应的发光二极管点亮，指示出故障原因。IC2a～IC2f六个比较器的输出端还分别和六输入与非门IC3的输入端连接，与非门IC3的输出端经电阻R14与三极管Q4基极连接，由三极管Q4推动光电耦合器U3、U4工作，U3的发光二极管的阳极经电阻R7接Vcc电源，U3的发射极接参考端A2，由光电耦合器U3控制功率开关管Q3的通断，从而控制集成式仪表、电器综合控制装置的工作。
电磁线圈M的另一端接在功率开关管Q3的阳极，并经过功率开关管Q3的阴极接参考端A2，因此集成式仪表、电器综合控制装置的主回路闭合要满足功率开关管Q1、Q3同时导通，由于功率开关管Q1是一个短时导通的瞬态开关，上电导通以后很快自动关断，关断后维持铁芯闭合的线圈电流由变压器T1的N2绕组提供。由于开关管Q1、Q3和电磁线圈M串联连接，因此电磁线圈M的电流始终受控于功率开关管Q3，Q3的控制极接电阻R6和光电耦合器U3的集电极，驱动电源B+经电阻R6为功率开关管Q3提供偏置，光电耦合器U3的阴极与光电耦合器U4的发光二极管阳极串联，U4的发光二极管阴极与驱动三极管Q4集电极、光电耦合器U5的集电极连接，光电耦合器U5的发射极和三极管Q4发射极接地，使功率开关管Q3完全由光电耦合器U3隔离控制。光电耦合器U4的集电极经电阻R27接在连接插座J1(CZ)的第7脚，是本装置的输出端口，光电耦合器U5的发光二极管阳极经电阻R29接在连接插座J1(CZ)的第6脚，是本装置的输入端口，由光电耦合器U5、U4构成了本发明的双向光电隔离I/O扩展端口，连接插座J1(CZ)的第3、4、5脚分别连接比较器IC2b反相端的主回路电流信号、同相端的设定电流信号和来自V12经电阻R37、R38分压的电源电压信号，由J1(CZ)的第3、4、5脚构成模拟信号输出端口，第1、2、12脚分别接直流电源Vcc、Vdd和地，第8～11脚留作他用。
本发明通过电子控制电路的扩展端口和智能扩展模块电路能实现广泛的显示、控制仪表功能和通讯功能，智能扩展模块电路主要由高性能的单片机IC4及数字显示、键盘电路构成。单片机IC4片内包含有ALU通用运算器；存放执行程序的FLASH程序存储器；RAM数据存储器组成的寄存器阵列；EEPROM数据存储器；A、B、C、D、E五组I/O端口和三个定时/计数器；两个CCP捕捉/比较/脉冲调制控制器；MSSP和USART串行通讯端口；PSP并行从动端口；多路A/D转换器等资源。基于单片机IC4片内已经集成以上资源，从而使智能扩展模块电路得以实现丰富的智能显示、控制仪表功能，且变换功能一般通过修改软件即可实现，而不必变更硬件电路，能直接接受各种传感器的模拟信号或数字信号，把控制电器、保护电器、显示仪表和控制仪表融为一体，独立地自成体系和系统。
单片机IC4的A/D转换器输入端AN.0、AN.1、AN.2用于采集主回路电流信号、电流设定信号、电源电压信号，AN.3用以采集智能扩展模块电路的外部传感器信号，单片机IC4的一组并行口(D口)分别与数码显示器的段码端连接，它的另一组并行口(B口)的RB.0～RB.3经Q6～Q9四个三极管与四个数码管的位选端相连，以驱动数码显示器工作，单片机IC4(B口)的RB.4设为电平输入端口，通过连接插头J1(CT)第7脚与电子控制电路的光电隔离I/O输出端口连接，单片机IC4(C口)的RC.0设为位控输出端口，通过连接插头J1(CT)第6脚与电子控制电路的光电隔离I/O输入端口连接，使智能扩展模块电路能够控制整个集成式仪表、电器综合控制装置的开关状态并实现扩展功能，单片机IC4(B口)的RB.5、RB.6、RB.7位直接作为S3、S4、S5的键输入端，以选择A/D转换器采集的信号为主回路电流、设定电流、电源电压或扩展的模拟量，选(C口)的RC.1为位控报警输出，直接经发光二极管推动三极管Q10，由Q10驱动LS1报警器工作，单片机IC4的OSC1、OSC2引脚分别连接电容C14、C15和晶体Y1两端，以产生稳定的时钟信号，由电阻R44、电容C16及按键S2组成的复位电路经电阻R45连接在IC4的1脚复位端。
单片机IC4的A/D转换器AN.3输入端可用于采集温度、压力、液位、流量、烟雾、火焰、光电等扩展模拟信号，单片机IC4的串行通信口可用于其他远程外部设备接口。通过连接插头J1(CT)的1、2、12脚为智能扩展模块电路从电子控制电路获取工作电源Vcc、Vdd和地。
由于单片机IC4片内资源丰富，因此几乎不需要其它硬件支持就能完成复杂的任务，特别适合各种用户不同的过程控制，更改控制对象或变更控制方案以至于改变控制流程都非常容易，一般只需变更程序即可，由于片内自带FLASH程序存储器，因此，对于一般的控制场合不需扩展外部程序存储器，片内自带的EEPROM数据存储器通过软件编程可以方便地存放和修改常数和变量，提供了现场修正系数的可能。
智能扩展模块电路的软件程序主要由包含A/D转换程序的主程序、中断处理程序、键盘显示程序及除法子程序、二-十进制转换子程序、I/O口处理及报警子程序组成，智能扩展模块电路的软件编程流程图如图6～14所示，图6是主程序流程图，图7是中断处理程序流程图，图8是I/O处理子程序流程图，图9是设定值处理子程序流程图，图10是电压处理子程序流程图，图11是外部模拟量(温度)处理子程序流程图，图12数字显示处理子程序流程图，图13是除法子程序流程图，图14是二-十转换子程序流程图。
图6至图14说明图3所示的智能扩展模块电路的存储程序运行的流程图，程序运行是在单片机IC4内微处理器中响应预先存入其内部FLASH程序存储器中的指令序列完成的，上电或复位后程序自动从主程序开始执行，在主程序中完成初始化各端口、初始化工作寄存器、A/D转换自动指向默认的AN.0通道、清数据区等工作，然后开放中断。如果没有中断请求，则关闭中断，进行主回路电流值的数据采集、处理及更新显示。如果有中断请求，则响应中断请求，进入中断服务程序，尔后再回到主程序进行数据采集、处理及更新显示，在中断服务程序中将根据中断源的中断向量转入相应的处理程序，除I/O口处理子程序外，在设定值处理、电压值处理和外部模拟量处理子程序中主要是进行A/D转换器的路号修改、路号标志修改和除法的除数系数修改，设定值的A/D转换指向AN.1通道，电压值的A/D转换指向AN.2通道，外部模拟量的A/D转换指向AN.3通道。设定值、电压值或外部模拟量的中断请求由控制键S3、S4、S5产生，是用户根据显示数据的需要而设定的。外部模拟量的除数系数和路号标志根据用户选择的变量对象不同而设定。假如用户选择压力、液位、流量、光电、瓦斯、位移及其它各种控制，只要更换不同的传感器、变送器等传感元件，然后按照传感器、变送器等传感元件的不同，修改除法子程序的除数系数和路号标志即可，除法子程序的除数系数和路号标志可以存放在单片机IC4的EEPROM存储器中，这样修改、变更控制对象非常方便。
在I/O口处理子程序中中断是由电子控制控电路产生的，它标志着电子控制电路已经驱动线圈M动作，并向智能扩展模块电路发送电子控制电路的状态信息，通过智能扩展电路I/O口处理子程序可以关闭电子控制电路的功率开关管Q3，从而分断主触头，并启动声光报警(参见图8)，也可以将状态信息发送给联锁电路或DCS计算机集散控制系统。
效果本发明的集成式仪表、电器综合控制装置把仪表技术和电器技术融为一体，不仅极大地减少了电器元件的种类，缩小了电器、仪表盘柜的体积，而且发明创造出一种全新的多功能的仪表、电器综合控制装置，该装置在保留了交流接触器基本的接通与分断功能的条件下，还具有过压、欠压、短路、过流/过载、缺相和漏电保护等多种保护电器的功能，具有在实施保护动作时提供明确、直观的故障显示，给使用与维护带来极大方便，更具有方便、灵活的光电隔离I/O接口，可以用安全的低电压、小电流或仪表、计算机信号控制，可以方便地在两台或多台控制装置之间直接交换信息组成网络或系统，本发明扩展功能非常方便、高效，如要增加定时器或时间继电器功能只需通过光电隔离I/O接口连接一定时芯片即可，这种芯片品种很多，也很便宜，如低端的NE555、7555等模拟芯片，高端的如XM109、XM902、XM904等数字芯片，扩展各种开关量的位式控制和调节异常简洁、便利。通过本发明的智能扩展模块电路，可以实现各种模拟量仪表显示、控制、调节功能，可接受各种模拟量传感器、变送器及仪器仪表的标准电流、电压信号。
本发明创造在电器方面除保留普通接触器的接通、分断功能外，集成了常用的保护电器功能，各种保护状态均有直观的故障显示，操作者可以直观看到故障提示，维修人员根据提示能迅速排除故障，确保设备安全、经济、高效运行，本发明的集成式仪表、电器综合控制装置除在启动瞬间为线圈M提供足够的吸合电流外，电子控制电路一直处于低电流、低功耗的休眠维持状态，实现了线圈M的二段电流节电功能，具有电路简单，抗干扰能力强，工作可靠的特点，同时提高了电子控制电路的抗电磁干扰能力，在扩展能力方面，本发明创造采用高抗干扰能力的光电隔离I/O接口，有效地保护了用户的人身及设备安全，通过光电隔离I/O端口能及时把集成式仪表、电器综合控制装置的状态信息传送给用户或其它相关设备，易于方便地与各种开关量传感器及各种控制仪表信号乃至于控制计算机连接，由于采用的光电隔离I/O端口，不仅提升了保护和扩展功能，而且增强了整个装置的抗干扰能力，使扩展控制可以从几十米到上千米乃至更远，扩展更方便，使用更灵活。
本发明创造在仪表功能方面由于采用了智能扩展模块电路和数字显示技术，不仅能实现各种开关量控制，而且能实现各种模拟量控制与显示，如各种电压、电流，各种温度、压力、物位、流量、位移、重量、气敏、辐射等，还可以实现各种数字量控制与显示，变更扩展功能一般只要修改软件程序和更换相应的传感器即可，其硬件结构一般不必变更或修改，具有MSSP和USART串行通讯端口，PSP并行从动端口，便于与上位计算机联接，便于组成DDC计算机直接控制系统和DCS计算机集散控制系统。
本发明的集成式仪表、电器综合控制装置还具有吸合力矩大，运行噪声低、近乎没有线圈温升，安全可靠，寿命长，高效节电的特点，控制接线简单，使用方便灵活，保护功能齐全、控制功能丰富，体积小，用途广，同时取代较多现有的低压电器元件及众多仪表，可节省盘柜空间，缩小盘柜体积，铁芯可按短时制工作设计，大幅节约原材料和制造成本。
集成式仪表、电器综合控制装置已经构成完整的控制系统，应用集成式仪表、电器综合控制装置可同时替代多种电器元件和仪表，能极大地简化电气自动化系统设计，简化自动化仪表系统设计，在绘制电气自动化系统图时可创立新的电气图标，可以用符号、字符或文字标明所选定的功能(参见图4)，使复杂繁琐的制图工作变得极其简单、明快，本发明非常适宜做成整体的系统装置来配合老产品升级或更新改造，各种不同仪表功能其硬件构成基本相同，各种传感元件输入信号只要修改不同的软件即可匹配，由于智能扩展电路已做成模块形式，可以插在电子控制电路的系统电路板上，也可将智能扩展模块电路连同它的显示屏一起安装在相应的仪表或电气控制箱面板上，真正实现了电器、仪表的一体化、集成化。
集成式仪表、电器综合控制装置不配置智能扩展模块电路亦能正常工作，但不具备模拟仪表显示、控制功能，而光电隔离的I/O接口功能不变。
图1集成式仪表、电器综合控制装置的一种壳结体构示意2电子控制电路原理3智能扩展模块电路原理4集成式仪表、电器综合控制装置的使用接线5集成式仪表、电器综合控制装置系统框6～14智能扩展模块程序流程图及子程序流程图由图5可以看出该装置是一个完整的单元式自动化控制系统，它的执行部分是一个具有完善保护的大功率三相开关，通过电子控制电路实现多种保护和控制的电器功能，各种故障保护均有相应的LED发光故障显示，各种保护、控制功能由电子控制电路实现，电子控制电路有与智能扩展模块电路连接的模拟信号输出口和双向交换信息的光电隔离I/O口及电源接口，通过I/O扩展接口把电子控制电路与智能扩展模块电路紧密联系起来智能扩展模块电路是实现各种仪表显示、控制的核心，由高性能的单片机IC4、数字显示屏及简单的键盘电路构成。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明创造的集成式仪表、电器综合控制装置的实施例作进一步叙述按照图1所示的壳结体构示意图；将弹簧(41)、铁芯(42)、线圈M、装有动触头(44)的支架(45)依次装入带有故障显示窗口和故障显示标识的主体壳体(40)，再将静触桥一侧带有电流传感器的静触头组件(46)安装好，静触头组件(46)是以静触桥为一次绕组和绕有二次绕组的传感器线圈及传感器铁芯构成，静触头组件(46)安装好后将带有故障显示的电子控制电路板装入壳体侧面，并令故障显示发光二极管D01～D06分别从外壳(40)的故障显示窗口露出，连接好接线端子。
电子控制电路的IC2a～IC2f及IC3集成为一片专用集成电路，以提高可靠性、降低成本、缩小体积，带有数码显示部件的智能扩展模块电路做成单元部件，通过连接电缆和插头插在电子控制电路板的插座上，智能扩展模块电路单元部件可安装在集成式仪表、电器综合控制装置的壳体上或安装在控制柜、仪表盘的面板上。
集成式仪表、电器综合控制装置的使用接线见附图4，它的A1、A2分别接控制电源，PN接设备外壳或保护接地端子，A4接保护地线，主回路两端的三相电源端子分别连接三相电源和负载。
电子控制电路原理见图2所示控制电源输入端A1与电子控制电路的二极管D1的阳极和电源变压器T1的初级N0连接，控制电源参考端A2与电源变压器T1初级N0的另一端连接，电源变压器T1的次级N1接整流桥D8的两个端，D8的负端接地、正端接滤波电容C2和三端稳压器U1的输入端，在电容C2上取得非稳压直流输出V12，三端稳压器U1的输出端连接三端稳压器U2的输入端和电容C3，在电容C3上取得直流稳压输出Vcc，在三端稳压器U2的输出端取得直流稳压输出Vdd，三端稳压器U1、U2的接地端和电容C2、C3的另一端接地。电源变压器T1次级N2的一端及D2的阳极接参考端A2，另一端接电容C5，C5的另一端接二极管D3阳极和D2阴极，在二极管D3的阴极取得维持电源VB，由电容C5、二极管D2、D3组成倍压整流电路，以充分利用N2的电源。维持电源VB接线圈M，为维持铁芯闭合的提供维持电流。二极管D1的阴极与电容C1和电阻R1、R2、R3连接，在滤波电容C1上取得高压驱动电源B+，电容C1的另一端接参考端A2，电阻R1另一端连接功率开关管Q1的阳极，由驱动电源B+通过电阻R1、开关管Q1为线圈M提供驱动电流，电阻R2另一端接三极管Q2的集电极和开关管Q1的控制极为开关管Q1的控制极提供偏置，电阻R3的另一端与电阻R4和电容C4连接，电阻R4的另一端接三极管Q2的基极，B+电源通过电阻R3、R4为三极管Q2提供偏置，三极管Q2的发射极和电容C4另一端及开关管Q1的阴极一同连接在线圈M上，也既与维持电源VB连接在一起，由电阻R1、R2、R3、R4、电容C4和三极管Q2、开关管Q1组成瞬时导通、自动关闭的电子开关。
电磁线圈M的电流由两路供给，一路由驱动电源B+通过电阻R1、开关管Q1供给，另一路由维持电源VB供给，线圈M的另一端接功率开关管Q3的阳极，并经过功率开关管Q3的阴极接参考端A2，控制电源A1得电初始由于电容C4两端电压不能突变，使开关管Q1上电后即刻导通，随着电容C4充电结束，开关管Q1自动关闭，线圈M则转而由VB供电，使线圈M的电流由较大的初始启动电流在开关管Q1关闭后自动转为较小的维持电流，由此获得线圈M的二段电流节电运行方式，获得较高节电效果，在线圈M两端并联有续流二极管D5，以降低线圈M产生的高压脉冲对功率开关管Q3的冲击和降低电磁噪声。
由图2可知电磁线圈M始终受控于功率开关管Q3，功率开关管Q3的控制极和光电耦合器U3的集电极经电阻R6接驱动电源B+，由驱动电源B+为开关管Q3提供偏置，光电耦合器U3的发射极接参考端A2，光电耦合器U3的发光二极管阳极经电阻R7接电源Vcc，光电耦合器U3的发光二极管阴极与光电耦合器U4的发光二极管阳极串联，U4的发光二极管阴极与三极管Q4集电极和光电耦合器U5的集电极连接，也就是光电耦合器U3、U4的发光二极管串联后接在Q4集电极和U5的集电极上，Q4基极经电阻R14接IC3与非门输出端，由与非门IC3控制功率开关管Q3的开关状态，U5的发射极和Q4发射极接地，功率开关管Q3完全由光电耦合器U3隔离控制，光电耦合器U4的集电极经电阻R27接在连接插座J1(CZ)的第7脚，是本装置的输出端口，光电耦合器U5的发光二极管阳极经电阻R29接在连接插座J1(CZ)的第6脚，是本装置的输入端口，由光电耦合器U5、U4构成了本发明的双向光电隔离I/O扩展端口，连接插座J1(CZ)的第3、4、5脚分别连接比较器IC2b反相端的主回路电流信号、同相端的设定电流信号和电阻R37、R38分压的电源电压信号，由J1(CZ)的第3、4、5脚构成模拟信号输出端口，第1、2、12脚分别接直流电源Vcc、Vdd和地，第8～11脚留作他用。
集成式仪表、电器综合控制装置的三个电流传感器分别安装在同一侧三相静触点至接线端子间的静触桥上，并与静触桥组合成一体，构成静触头传感组件，三个电流传感器的一次原边绕组即为三相静触桥，三个二次副边绕组L1、L2、L3的末端按星形接法连接，星点经电流互感器L4的一次原边接地，由L4的副边二次绕组取出缺相信号，并经二极管D7、电容C10整流、滤波后接比较器IC2a反相端，没有电源或负载缺相时星点电位为零，L4副边二次绕组没有信号输出，电源或负载有缺相时，L4的副边二次绕组有缺相信号输出，当IC2a反相端信号大于IC2a同相端基准信号时，比较器IC2a输出低电平，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，整个集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动发光二极管D01发光，指示出现缺相故障，因此，此电路不仅可用于检测三相电源或负载的缺相，而且还可用于检测三相电流的不平蘅，实现缺相保护和三相不平衡保护，比较器IC2a的同相端的缺相基准电平由Vcc电源经电阻R9、R10分压得到。电流传感器所用铁芯宜用高磁导率的材料制造，磁路用铁皮屏蔽。
电流传感器L1、L2、L3的三个副边二次绕组的始端分别接三个二极管D11、D12、D13的阳极组成三相半波整流电路，三个二极管的阴极接滤波电容C8，经三个二极管整流、电容C8滤波后的电流信号一路经电阻R28接比较器IC2b的反相端和开关K，并经过开关K接积分电容C9，由电阻R28和电容C9组成积分电路，并获得过载保护所需要的反时限特性，Vcc电源经电阻R21接电位器R24的始端，R24的末端经电阻R22接地，R24的中点接比较器IC2b的同相端，通过调整电位器R24的中点位置可以改变比较器IC2b的基准电平，也即整定了过载或过流的范围，当IC2b的反相端的传感信号电平大于设定基准电平时，比较器IC2b输出低电平，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时驱动发光二极管D02发光显示，指示出现过流或过载故障，开关K闭合时为过载保护，并具有反时限特性，用于保护电动机之类的负载，开关K打开时为过流保护，具有快速保护特性，用于保护可控硅整流设备之类的要求快速保护的设备或装置。
经电容C8滤波后的信号还经电阻R25、R26分压，分压后的信号作为比较器IC2c短路保护信号，当IC2c的反相端的信号电平大于基准电平时，IC2c输出低电平，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时驱动发光二极管D03发光显示，指示出现短路故障。
三个电流传感器的始端还分别接D14、D15、D16三个二极管的阴极，三个二极管的阳极连接电容C11、电阻R23，电容C11和电阻R23另一端接地，选取电容C11和电阻R23使它们的阻抗等于D11、D12、D13三个二极管整流后的负载阻抗，以提供电流传感器L1、L2、L3的负半周电流信号通路。
电阻R15、R17直接与非稳压直流输出端V12连接，由电阻R15、R16分压取得过压信号接比较器IC2d的反向端，由电阻R17、R18分压取得欠压信号接比较器IC2e的同相端，分别与IC2d同向端和IC2e反相端的基准电平比较以完成过压、欠压检测，当电源电压过高，使比较器IC2d的反向端电平大于同相端基准电平时，比较器IC2d输出低电平，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动发光二极管D04发光显示，指示出现过压故障。当电源电压过低，使比较器IC2e的同相端电平小于反相端基准电平，则比较器IC2e输出低电平，经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，同时，驱动发光二极管D05发光显示，指示出现欠压故障。比较器IC2c、IC2d同相端和IC2e反相端共用一个基准电平，由Vcc电源经电阻R11限流、稳压管D10稳压取得。
集成式仪表、电器综合控制装置的保护端子PN和地线端子A4分别与电流互感器L5原边绕组两端连接，利用串接在中性地线中的电流互感器L5取得漏电信号，L5的二次副边绕组一端接地，另一端接二极管D20阳极，D20阴极接电容C12和比较器IC2f的反相端，由二极管D20、电容C12组成整流、滤波电路，当比较器IC2f的反相端信号大于同相端电平时，比较器IC2f输出低电平，驱动发光二极管D06，指示出漏电故障，同时经与非门IC3使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，Vcc电源由电阻R19、R20分压后接比较器IC2f的同相端作为基准电平。
IC2a～IC2f六个比较器均为开漏门输出，分别连接D01～D06六个LED发光二极管的阴极，六个LED发光二极管的阳极分别经电阻R31～R36连接在Vcc电源上，由外壳显示窗口上的字符辅助指示故障原因，IC2a～IC2f六个比较器的输出端还分别与六输入与非门IC3的输入端连接，与非门IC3的输出端经电阻R14接三极管Q4基极，并由三极管Q4推动光电耦合器U3控制功率开关管Q3的通断，从而控制集成式仪表、电器综合控制装置工作。
智能扩展模块电路由内部带有A/D转换器的单片机IC4(PIC16F877)为核心构成，电原理图如图3所示它的一个并行口(D口)及另一并行口(B口)的低四位RB.0～RB.3设为输出口，通过电阻R51～R59和R41～R44分别与LED数码显示器的各段码端及经三极管Q6～Q9驱动的四个数码管的位选端连接，构成集成式仪表、电器综合控制装置的数码显示硬件电路，以显示主回路电流、过流/过载设定电流及其它参数。
单片机IC4的B口的RB.4～RB.7设为电平输入端口，其中RB.4通过连接插头J1(CT)的第7脚连接电子控制电路的光电隔离I/O接口的输出端，以便接收来自电子控制电路的状态信息及故障报警信号，RB.5～RB.7分别连接控制键S3、S4、S5，中断处理程序通过响应按键S3、S4、S5的键盘中断信号选择A/D转换为设定值、电压值或智能扩展模块电路的外部模拟量传感信号，单片机IC4的C口的RC.0、RC.1设为位控端口，其中RC.0通过连接插头J1(CT)的第6脚连接电子控制电路的光电隔离I/O接口的输入端，以便把智能扩展模块电路的控制信息传送到电子控制电路，位控端口RC.1为报警信号输出，其输出信号接LED发光二极管D07阳极，D07阴极接三极管Q10的基极偏置电阻R48、R49，电阻R48的另一端接Q10的基极，三极管Q10的发射极接地、集电极经负载(LSI报警器)接Vdd电源。
时钟的振荡定时元件由电容C14、C15和晶振Y1组成，电容C14、C15一端接地，另一端分别接单片机IC4的时钟端OSC1、OSC2及晶振Y1两端。由按键开关S2、电容C16、电阻R44、R45组成单片机IC4的复位电路，单片机IC4的复位端(MCLR)经电阻R45连接按键开关S2、电容C16和电阻R44，电阻R44的另一端接Vdd电源，按键开关S2和电容C16的另一端接地。
由电阻R62、R63、R64和按键开关S3、S4、S5组成选择键的键盘电路，电阻R62、R63、R64一端接Vdd电源，另一端接按键开关S3、S4、S5及单片机IC4的B口的RB.5、RB.6、RB.7，S3、S4、S5的另一端接地。
连接插头J1(CT)的第7脚，是电子控制电路的输出端口，连接智能扩展模块电路单片机IC4的RB.4，连接插头J1(CT)的第7脚，是电子控制电路的输入端口，连接智能扩展模块电路单片机IC4的RC.0，连接插头J1(CT)的第3、4、5脚分别连接智能扩展模块电路单片机IC4的AN.0、AN.1、AN.2，连接插头J1(CT)的第1、2、12脚分别从电子控制电路的获取直流电源Vcc、Vdd和地，第8～11脚留作他用。温度传感由热敏电阻R60和电阻R61串联构成，热敏电阻R60另一端接Vdd电源，电阻R61另一端接地，热敏电阻R60和电阻R61的分压点接单片机IC4的A口的AN.3，以便进行A/D转换并完成模拟量采集。单片机IC4内部已有并行从动端口、串行通信端口、脉宽调制PWM等资源可以使用，其串行通信端口也可以做成RS485远程通讯端口使用。
单片机IC4内部FLASH程序存储器中存放有可供自动运行的智能扩展模块电路的执行程序(见图6～图14)，常数和除数系数放在IC4片内的EEPROM数据存储器中，执行程序主要由主程序、中断服务处理程序、键盘显示子程序和设定值子程序、电压处理子程序、I/O口处理子程序、除法子程序、二-十进制转换子程序、外部模拟量(温度)处理子程序等组成。图6至图14说明图3所示的智能扩展模块电路的存储程序运行的流程图，程序运行是在单片机IC4内微处理器中响应预先存入其内部FLASH程序存储器中的指令序列完成的，其程序执行步骤如下在图6的主程序开始步骤100后，首先执行步骤101，初始化单片机IC4的端口，选A口的AN.0～AN.3为A/D转换的模拟量输入，用以采集主电路的电流值、设定值、电源电压值和扩展电路的模拟量参数，选B口的RB.4为位控输入，用以连接主电路光隔离的I/O控制信息，选RB.5～RB.7为电平输入，直接作为控制键输入端口使用，选B口的低四位RB.0～RB.3为输出口，作为数码显示器的位选线，选D口为输出端口，直接连接数字显示器的段码。端口设置完后，执行步骤102，初始化工作寄存器、数据缓冲单元，显示缓冲单元和A/D转换器，然后，执行步骤103，置A/D通道为AN.0，置通道计数器初值，置电流除数系数，执行步骤104，选RB.4～RB.7位电平中断允许，开总中断。
执行步骤105，查中断标志，如果没有中断信号，执行步骤110，关闭中断。再执行步骤111，取A/D通道号，启动A/D转换器进行模数转换，转换完成后执行步骤114，将结果存入相应的数据单元，然后执行步骤115，调用除法子程序将采集的电流信号除以电流系数，再执行步骤116，调用二至十进制转换子程序，再执行步骤117，将十进制的主回路电流值送到更新显示子程序进行数字显示，显示完后回到步骤104，重开中断。
如果有中断请求，则执行步骤106，执行中断服务程序，然后执行步骤107，结束。中断服务程序执行步骤如下(参见图7)开始步骤200，然后执行步骤201、202，保护现场、关中断，然后执行步骤203，查询中断标志的中断源，如果是I/O端口中断，则执行步骤211转I/O处理子程序，否则，执行步骤204，查询中断标志是否为设定键中断，如果是设定键中断，则执行步骤212，转设定值处理子程序，否则，执行步骤205，查询中断标志是否为电压键中断，如果是电压键中断，则执行步骤213，转电压处理子程序，否则，执行步骤206，查询中断标志是否为模拟量中断，如果是模拟量中断，则执行步骤214，转模拟量处理子程序，否则，执行步骤208，恢复现场、清除中断标志，然后执行步骤209，重开中断，再执行步骤210，返回。
I/O口处理子程序(参见图8)执行步骤如下步骤300，起始入口，执行步骤301，关中断，执行步骤302，置位端口RB.4为输入，C口的RC.0为输出；关闭功率开关管Q3及分断主触头，然后执行步骤303，选RC.1为位控输出，执行步骤304，启动软件报警信号发生器产生声光报警信号，再执行步骤305，由RC.1输出报警信号，执行下一步骤306，驱动声光报警器报警。
设定值处理子程序(参见图9)起始入口执行步骤400，然后，执行步骤401，保护现场，再执行步骤402，关闭中断，然后执行步骤403，修改路号寄存器的值为AN.1(即A/D转换器的通道1设定值通道)，再执行步骤404，将设定值系数送除数单元，然后，执行步骤405，路号标志S送显存最高位，再执行步骤406，返回。
电压处理子程序(参见图10)起始入口执行步骤500，然后，执行步骤501，保护现场，再执行步骤502，关闭中断，然后再执行步骤503，修改路号寄存器的值为AN.2(即A/D转换器的通道2电压值通道)，再执行步骤504，将设定值系数送除数单元，然后执行步骤505，路号标志V送显存最高位，再执行步骤506，返回。
模拟信号(温度)处理子程序(参见图11)，起始入口执行步骤600，然后，执行步骤601，保护现场，再执行步骤602，关闭中断，然后执行步骤603，选模拟量控制为温度参数，再执行步骤604，修改路号寄存器的值为AN.3(即A/D转换器的通道3模拟量通道)，再执行步骤605，将温度系数送除数单元，然后执行步骤606，路号标志W送显存最高位，再执行步骤607，选B口的RB.4为位控(控制整个装置的启动/停止)，然后执行步骤608，返回。
如果用户选择压力、液位、流量、光电、瓦斯、位移及其它各种控制，只要更换不同的传感器、变送器等传感元件即可，而本程序执行步骤不变，只需要按照传感器、变送器等传感元件的不同，修改除法子程序的除数系数和路号标志即可，除法子程序的除数系数和路号标志可以存放在单片机IC4内部的EEPROM存储器中，这样修改、变更控制对象非常方便。
在I/O口处理子程序中如果中断是由电子控制控电路产生的，它标志着电子控制电路已经驱动线圈M动作，并向智能扩展模块电路发送电子控制电路的状态信息，通过智能扩展电路I/O口处理子程序可以关闭电子控制电路的功率三极管Q3，从而分断主触头，并启动声光报警(参见图8)，也可以将状态信息发送给联锁电路或DCS计算机集散控制系统。如果中断是由控制键S3、S4、S5产生的，则中断服务程序自动转移至设定值、电压或模拟量处理子程序，修改相应的A/D转换路号和相应的除数系数，再把相应的路号标志送显存最高位(参见图9、10、11)。
图12至图14的显示子程序、除法子程序和二-十进制转换子程序在各种公开的相关文献中均有记载，这里不再叙述。
权利要求
1.一种集成式仪表、电器综合控制装置，主要由静触桥一侧带有电流传感器的动、静触头组件(44)、(46)，带故障显示窗口和标识的外壳(40)，铁芯(42)、线圈M、弹簧(41)、触头支架(45)等电磁组件，电子控制电路，智能扩展模块电路及电源变换组件等组成，该装置有两个控制电源端子A1、A2和漏电保护端子PN、中性地线A4，控制电源为220V时A1为电源相线，A2为参考端接中性线，控制电源为380V时，A2接另～相电源，漏电保护端子PN接被保护设备外壳或设备保护接地端子，A4接三相电源的中性地线，其特征在于a、集成式仪表、电器综合控制装置的控制电源A1分成二路，一路经二极管D1整流、电容C1滤波后作为直流高压驱动电源B+，另一路接电源变压器T1的初级N0，T1的次级N2一端接参考端A2，另一端经电容C5连接二极管D3阳极和D2阴极，D2阳极接参考端A2，在二极管D3阴极取得维持电源VB并连接线圈M，线圈M的另一端连接在功率开关管Q3的阳极，由功率开关管Q3控制线圈M的电流通路，电子控制电路的输出负载即为电磁线圈M，电源变压器T1的初级N0的另一端接参考端A2，T1的次级N1的两端接整流元件D8的交流端，经整流元件D8整流、电容C2滤波后取得电源V12，再经三端稳压器U1、U2稳压后，分别获得电子控制电路的工作电源Vcc和智能扩展模块电路的工作电源Vdd；b、电子控制电路的六个比较器IC2a～IC2f输出均为开漏门结构，六个比较器IC2a～IC2f输出端直接连接故障显示发光二极管的阴极，故障显示发光二极管的阳极分别经相应的限流电阻R31～R36接Vcc电源，故障显示发光二极管分别显示缺相、过流/过载、短路、过压、欠压、漏电故障，六个比较器输出还经与非门IC3、三极管Q4推动，然后由光电耦合器U3隔离后控制功率开关管Q3的开关状态；c、集成式仪表、电器综合控制装置的过压、欠压信号取自经电源变压器T1的次级N1降压、整流后的电源V12，V12经电阻R15、R16分压后接比较器IC2d反相端与同相端的基准电平比较完成过压检测，V12经电阻R17、R18分压后接比较器IC2e同相端与反相端的基准电平比较完成欠压检测，当电源电压过高，使比较器IC2d输出低电平，经与非门IC3、三极管Q4使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的故障显示发光二极管，当电源电压过低，使比较器IC2e输出低电平，经与非门IC3、三极管Q4亦使Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的故障显示发光二极管，过压、欠压和短路保护共用一个基准电平，由Vcc电源经稳压管D10稳压后提供，R11是稳压管D10的限流电阻；d、过流、过载、短路信号由镶嵌在集成式仪表、电器综合控制装置的三相静触桥上的三个电流传感器取得，三相静触桥既为传感器的一次绕组，三个电流传感器的二次绕组末端按星形连接在一起，星点经零序电流互感器L4的一次绕组接地，由三个电流传感器二次绕组始端取得过流、过载、短路信号，缺相信号由零序电流互感器L4的二次绕组取得，电流传感器L1、L2、L3的三个二次绕组的始端分别接三个二极管D11、D12、D13的阳极，三个二极管的阴极接电阻R28、R25和滤波电容C8，电阻R28的另一端接比较器IC2b的反相端和开关K，开关K的另一端经电容C9接地，由电阻R28和电容C9组成过载保护的积分电路，以获得过载保护所需要的反时限特性，比较器IC2b的同相端由电位器W的中点提供基准电平，Vcc电源经电阻R21接电位器W的始端，W的末端经电阻R22接地，通过调整电位器W的中点位置可以改变比较器IC2b的基准电平，也即整定了过载或过流的范围，当IC2b的反相端信号电平大于设定基准时，比较器IC2b输出低电平，经与非门IC3、三极管Q4使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的故障显示发光二极管，开关K闭合时为过载保护，并具有反时限特性，开关K打开时为过流保护，具有快速保护特性，经D11、D12、D13三个二极管整流后的信号还经电阻R25、R26分压，分压后的信号作为比较器IC2c的短路保护信号接IC2c的反相端，当短路保护信号大于IC2c同相端基准电平时，IC2c输出低电平，经与非门IC3、三极管Q4使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的故障显示发光二极管显示短路故障；e、零序电流互感器L4的副边二次绕组一端接地，另一端经二极管D7整流、电容C10滤波接比较器IC2a反相端，不缺相时，星点在三相平衡的条件下对地电流为零，当缺相或三相不平衡时，L4副边二次有缺相信号输出，当IC2a反相端信号大于其同相端基准电平时，比较器IC2a输出低电平，经与非门IC3、三极管Q4使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的故障显示发光二极管显示缺相故障，因此，本电路不仅可用于检测三相电源或负载的缺相，而且还可用于检测三相电流的不平蘅，Vcc电源经电阻R9、R10分压后接比较器IC2a的同相端作为缺相基准电平，L1、L2、L3三个电流传感器的始端还分别连接D14、D15、D16三个二极管的阴极，三个二极管的阳极接由电容C11和电阻R23并联构成的负载阻抗，由这部分电路提供电流传感器L1、L2、L3的负半周电流信号通路；f、漏电保护是利用串接在输入的主回路三相交流电源的中性地线的电流互感器L5取得漏电信号，集成式仪表、电器综合控制装置的漏电保护端子PN和中性地线A4分别与电流互感器L5的一次原边绕组两端连接，电流互感器L5做成升压式，它的二次副边绕组一端接地，另一端经二极管D20整流、电容C12滤波后接比较器IC2f的反相端，并与IC2f同相端的基准电平比较，IC2f同相端的漏电基准电平由电阻R19、R20分压提供，当通过L5一次绕组的中性地线有电流时，表明该负载设备有漏电电流，当其电流使比较器IC2f输出低电平时，经与非门IC3、三极管Q4使功率开关管Q3关断，集成式仪表、电器综合控制装置释放，并点亮相应的发光二极管显示出现漏电故障；g、由二极管D1整流、电容C1滤波后的驱动电源B+还连接电阻R1、R2、R3、R6，由电阻R1、R2、R3、R4、电容C4、三极管Q2和功率开关管Q1组成瞬态导通的电子开关；电阻R1的另一端接功率开关管Q1的阳极，Q1的阴极接电磁线圈M，并为线圈M提供驱动电源，驱动电源B+经电阻R2接三极管Q2的集电极和开关管Q1的控制极，电阻R3的另一端接电阻R4和电容C4，电阻R4的另一端接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极和电容C4另一端接Q1的阴极，使Q1上电即刻导通，随着电容C4充电结束，开关管Q1自动关闭，电磁线圈M由开关管Q1提供上电导通电流，它的维持电流由电源变压器T1的二次绕组N2经整流元件整流后提供，整流元件的参考端接A2，输出端接电磁线圈M，电磁线圈M的另一端接在功率开关管Q3的阳极上，功率开关管Q3的阴极接参考端A2，即启动后由开关管Q3控制线圈M的电流通路，从而控制集成式仪表、电器综合控制装置的状态，并以较低的功耗维持触头闭合。
2.如权利要求1所述的集成式仪表、电器综合控制装置，其特征还在于高压电源回路、电磁线圈M的驱动电路与电子控制电路的信号回路是由两个参考电位A2和A4地构成，相互之间的控制信号联系由光电耦合器U3隔离完成，使高压驱动电源与低压电子控制信号严格隔离，确保用户的人身安全，高压驱动电源B+经电阻R6接Q3的控制极和光电耦合器U3的集电极，为功率开关管Q3提供偏置，光电耦合器U3的发射极接A2，光电耦合器U3的发光二极管阳极经电阻R7接电源Vcc，U3的发光二极管阴极与光电耦合器U4的发光二极管阳极串联，U4的发光二极管阴极与三极管Q4集电极、光电耦合器U5的集电极连接，三极管Q4的基极经电阻R14接与非门IC3的输出端，光电耦合器U5的发射极、三极管Q4发射极接地，光电耦合器U4的三极管集电极作为集成式仪表、电器综合控制装置的状态输出端口，通过电阻R27接在连接插座J1(CZ)的第7脚，光电耦合器U5的发光二极管阳极作为集成式仪表、电器综合控制装置的外部控制输入端口，通过电阻R29接在连接插座J1(CZ)的第6脚，连接插座J1(CZ)的第3、4、5脚分别连接电子控制电路的主回路电流信号，电流设定信号，电源电压信号，第1、2、12脚分别接直流电源Vcc、Vdd和地，第8～11脚留作他用，由光电耦合器U5、U4构成了本发明的集成式仪表、电器综合控制装置的光电隔离I/O扩展端口，由J1的第3、4、5脚构成模拟信号输出端口，并把主回路电流信号、电流设定值信号和电源电压信号传送到智能扩展模块电路进行处理和显示。
3.如权利要求1、2所述的集成式仪表、电器综合控制装置，其特征还在于该装置有能扩展很多仪表或自动控制功能的智能扩展模块电路，智能扩展模块电路以单片机IC4为核心，配以必要的复位电路、键盘电路、连接插头J1(CT)及数码显示器构成，IC4内部包括有MUX处理器，FLASH程序存储器，RAM数据存储器组成的寄存器阵列，EEPROM可改写、非易失性数据存储器，A、B、C、D、E五个复用I/O端口，3个定时/计数器，2个捕捉/比较/脉冲调制PWM控制器，MSSP和USART串行通讯端口，PSP并行通讯端口，8输入A/D转换器等资源，智能扩展模块电路可以插在电子控制电路的电路板上，也可与数字显示屏组成一个单独部件安装在仪表或电气控制箱(柜)的面板上，该装置不插智能扩展模块电路亦可正常工作，仍有光电隔离的I/O端口，但不具备模拟信号显示和模拟仪表功能，单片机IC4的一个并行口D用作数据输出与数码显示器的各个段码端相连接，另一端口B的低四位经Q6～Q9分别与数码管的位选端相连接，该端口的第五位设为位控输入，经J1(CT)连接插头连接电子控制电路光电隔离I/O接口的第7脚输出端，IC4的另一端口C的RC.0位设为位控输出端口，经J1(CT)连接插头连接电子控制电路光电隔离I/O接口的第6脚输入端，由光电耦合器U4、U5构成光电隔离I/O接口，实现基于单片机IC4的智能化功能扩展，IC4的A/D转换器输入端AN.0、AN.1、AN.2经J1(CT)连接插头的3、4、5脚分别连接电子控制电路的IC2c反向端、IC2c同向端和电阻R37、R38的分压点进行采样，获得主回路电流信号、电流设定值信号和电源电压信号，单片机IC4的B口RB.5、RB.6、RB.7位直接作为S3、S4、S5的键输入端，以选择A/D转换器的采集路号，选C口的RC.1为位控报警输出，直接经正向连接的发光二极管D07推动三极管Q10，由Q10驱动LS1报警器工作，单片机IC4的OSC1、OSC2引脚分别连接电容C14、C15和晶体Y1两端，以产生稳定的时钟信号，单片机IC4的复位端(MCLR)经电阻R45连接按键开关S2、电容C16和电阻R44，电阻R44的另一端接Vdd电源，按键开关S2和电容C16的另一端接地，单片机IC4内A/D转换器输入端AN.3连接扩展的模拟量信号(本例为温度传感器)，连接插头J1(CT)的1、2、12脚分别从电子控制电路获取直流电源Vcc、Vdd和地(A4)，单片机IC4内的MSSP和USART用于串行通信或组成RS485远程通讯接口，IC4内的定时/计数模块通过编程实现时间程序控制或生产过程的计数控制，IC4内部的EEPROM电可擦除/改写的数据存储器用于存放和修改常数和变量，为用户提供现场修正系数的可能。
4.如权利要求3所述的智能扩展模块电路，其特征还在于该智能扩展模块电路IC4单片机FLASH程序存储器内存放有智能扩展模块电路的控制程序，控制程序主要由含有A/D转换程序的主程序、中断程序、除法子程序、二至十进制代码转换子程序、更新显示子程序及各个端口驱动程序，该控制程序至少启动一路A/D转换处理或I/O口处理及报警子程序，在主程序中主要由初始化程序，A/D转换程序，电流采集处理程序，并调用除法子程序、二-十进制代码转换子程序、更新显示子程序等，在中断处理程序中主要由键盘中断处理程序，I/O口处理及报警子程序，设定值子程序，电压处理子程序，外部模拟量仪表子程序组成。
5.如权利要求4所述的智能扩展模块控制程序，其特征还在于控制程序的主程序在没有中断请求的情况下，将把电子控制电路的主回路电流信号经过A/D转换、除法运算和代码转换后送到数码显示器上进行显示，在中断的情况下，首先查询中断源，再转到相应的中断处理程序，除I/O口处理及报警子程序外，其他中断处理子程序主要按对象不同修改A/D转换的路号和标志、相应的除数系数，然后返回主程序。
6.如权利要求4所述的智能扩展模块控制程序，其特征还在于外部模拟量仪表子程序将根据各种传感器、变送器的不同编制相应的软件控制程序，如温度、压力、液位、流量，0～10mA、4～20mA电流或1～5V电压等程序。
全文摘要
本发明属低压电器与自动化仪表领域，本发明由带故障显示窗口和标识的外壳，电子控制电路，智能扩展模块电路，静触桥一侧带有电流传感器的动、静触头组件，铁芯、线圈、弹簧等组成。通过电子控制电路实现多种保护和故障显示，并具有高效节电功能，其高压驱动与低压信号电路采用光电隔离技术，并采用光电隔离的I/O扩展接口和智能扩展模块电路，从而实现了丰富的仪表显示、控制功能，变换仪表功能一般通过软件实现，具有工作电流、设定值电流、电源电压和仪表功能的数字显示，可接受各种传感器的模拟信号或数字信号，把控制电器、保护电器、显示仪表和控制仪表融为一体，独立地自成体系和系统。
文档编号H02H3/10GK1825729SQ20061005674
公开日2006年8月30日 申请日期2006年3月7日 优先权日2006年3月7日
发明者张世兴 申请人:张世兴