专利名称：交直流二级隔离直流电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无人值守地震台监测仪器设备的供电电源技术领域，具体涉及一种交直流二级隔离直流电源装置。
背景技术：
随着防震减灾事业和电子技术的发展，地震数字化监测仪器设备对供电电源提出了越来越高的要求。对于传输不间断观测数据的地震台站来说，为了得到稳定可靠的观测数据，一般勘选在受外界影响因素小的偏僻环境。尤其是测震台站对基岩台基的严格规定， 往往建设的土层覆盖浅、接地条件不能完全满足避雷要求，造成台站遭受雷击破坏的机率增加。为免遭雷击，大都在电源的总入口处安装spd。sro是指浪涌保护器，又称电涌保护器、防雷器、避雷器，用于保护用电设备免遭雷电电磁脉冲或操作过电压破坏。其避雷效果主要取决于sro的性能指标。由于台站周围环境、条件复杂，所以合理地选用、配置、安装和严格进行sro施工，在实际工作中往往很难做到。对于偏远的无人值守地震台站来说，用人工拉闸的方式来避免仪器设备被雷击损坏是无法做到的。而这些精密仪器多为低电压、低功耗的昂贵设备，不论是仪器自带的电源还是传统的不间断电源，其避雷效果完全取决于SPD的状况，其隔离感应雷的级数不够而遭受雷击导致数据中断的损失和高额的修理费用时有发生。
发明内容
本发明的目的在于解决上述存在的技术问题，而提供一种能够有效避免雷击静电感应通过市电进入监测仪器设备的交直流二级隔离直流电源，从而避免雷击造成监测仪器设备损坏和数据中断。为了实现上述目的，本发明提供的交直流二级隔离直流电源装置，包括避雷器，所述避雷器的输入端与市电连接，所述避雷器的输出端连接充电模块的输入端，所述充电模块的输出端连接第二继电器的静触点，所述第二继电器的两个动触点分别连接第一电池组和第二电池组的输入端，所述第一电池组和第二电池组的输出端分别与第三继电器的两个动触点相连，第三继电器的静触点连接稳压电路的输入端；所述第一电池组和第二电池组的输出端连接电压比较器模块的输入端，所述电压比较器模块的输出端连接微控制器模块的输入端，所述微控制器模块的输出端连接继电器驱动模块，所述继电器驱动模块的三个输出端分别连接第一继电器、第二 继电器和第三继电器动作使能端，所述微控制器模块通过SPI接口连接以太网控制器，所述以太网控制器通过以太网连接远端上位机。进一步地，所述充电模块、第一电池组和第二电池组的输出端分别连接光电隔离模块的信号输入端，所述光电隔离模块的信号输出端连接微控制器模块。进一步地，所述第一继电器、第二继电器和第三继电器均为单线圈式磁保持继电器。进一步地，所述电压比较器模块包括芯片LM339，芯片LM339的引脚4通过串联连接的电位器R20和电阻Rll与第一电池组的正极连接，芯片LM339的引脚6串联连接的电位器R19和电阻RlO与第二电池组的正极连接，芯片LM339的引脚5和7通过电阻R14拉到高电平，此高电平由电容C5进行去耦。 进一步地，所述光电隔离模块包括光耦芯片TLP521-3和触发器⑶40106，所述光耦芯片TLP521-3的引脚I通过串联连接的电阻R2和二极管D7连接第一电池组的正极，光耦芯片TLP521-3的引脚2连接第一电池组的负极，光耦芯片TLP521-3的引脚3通过串联连接的电阻Rl和二极管D6连接第二电池组的正极，光耦芯片TLP521-3的引脚4连接第二电池组的负极，光耦芯片TLP521-3的引脚5通过电阻R3连接充电模块输出端的正极，光耦芯片TLP521-3的引脚6连接充电模块输出端的负极，光耦芯片TLP521-3的引脚7、引脚9 和引脚11均与大地连接，引脚8、引脚10和引脚12通过5. 6K的电阻拉到高电平，并分别与触发器⑶40106的引脚5、引脚I、引脚3连接。进一步地，所述继电器驱动模块包括双向驱动芯片ULN2003A，所述双向驱动芯片 ULN2003A的引脚14、引脚15、引脚16分别与第一继电器、第二继电器和第三继电器动作使能端连接，所述双向驱动芯片ULN2003A的引脚I、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5分别与触发器⑶40106的引脚2、引脚4、引脚6、引脚8、引脚10连接。进一步地，所述微控制器模块包括型号为STC12LE5A60S2的单片机，所述 STC12LE5A60S2单片机的引脚32、引脚33、引脚34分别与触发器CD40106的引脚2、引脚4、 引脚6连接，所述STC12LE5A60S2单片机的引脚12、引脚13分别与所述芯片LM339的引脚
I、引脚2连接。进一步地，所述以太网控制器为ENC28J60以太网控制器。本发明电源从供电的角度来消除雷电波影响，通过一套能与市电隔离二级的不间断直流电源，以避开雷击静电感应通过市电进入监测仪器设备，从而有效保护仪器设备，最大限度避免雷击破坏。本发明设置两个电池组，第一电池组充电备用，第二电池组给仪器设备供电。当第二电池组放电完毕则转为充电，由第一电池组给设备供电，此切换过程由电压比较器模块和第二继电器和第三继电器的开关实现。由此便实现了一级雷电电磁脉冲的隔离保护。其中第一电池组和第二电池组通过第一继电器连接市电，由市电给第一电池组和第二电池组充电，在有雷电达到时，通过远程上位机切断第一继电器，隔断充电模块与市电的连接，这样就又多了一道承受电磁脉冲的隔离防护，实现了二级隔离。本发明设计了双组电池切换供电，即使在雷雨时期也能提供可靠的供电；通过微控制器模数转换端口实时监测输出的电压、电流信号，并反馈到上位机来掌握电源供电的信息，保证了仪器负载可靠工作；通过微控制器连接具有Ethernet网通信端口的以太网控制器，可以实时访问数据，系统支持10M/100M，支持互联网远程访问。有效地解决了无人值守台站专业设备的供电安全问题(隔离雷电对监测仪器设备的冲击)、实现台网中心对台站电源的远程监测和控制，为数字地震观测系统的正常运行提供了强有力的保障。
图I为本发明结构框图；图2是本发明电压比较器模块电路图3是光电隔离模块电路图；图4是继电器驱动模块电路图；图5是微控制器模块和以太网控制器电路图；图中1、避雷器；2、充电模块；3、第一电池组；4、第二电池组；5、稳压电路；6、电压比较器模块；7、微控制器模块；8、继电器驱动模块；9、以太网控制器；10、上位机；11、光电隔离模块；K1、第一继电器；Κ2、第二继电器；Κ3、第三继电器。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。如图I所示，交直流二级隔离直流电源装置包括避雷器1，避雷器I的输入端与市电连接，避雷器I的输出端通过连接充电电路2的输入端，充电电路2的输出端连接第二继电器Κ2的静触点，第二继电器Κ2的两个动触点分别连接第一电池组3和第二电池组4的输入端，第一电池组3和第二电池组4的输出端分别与第三继电器Κ3的两个动触点相连， 第三继电器Κ3的静触点连接稳压电路5的输入端；第一电池组3和第二电池组4的输出端连接电压比较器模块6的输入端，电压比较器模块6的输出端连接微控制器模块7的输入端，微控制器模块7的输出端连接继电器驱动模块8，继电器驱动模块8的三个输出端分别连接第一继电器Κ1、第二继电器Κ2和第三继电器Κ3动作使能端，微控制器模块7通过SPI 接口连接以太网控制器9，以太网控制器9通过以太网连接远端上位机10。充电电路2、第一电池组3和第二电池组4的输出端分别连接光电隔离模块11的信号输入端，光电隔离模块11的信号输出端连接微控制器模块7。第一继电器Κ1、第二继电器Κ2和第三继电器Κ3均为单线圈式磁保持继电器，继电器断开后触点的间距很大，能够有效地避免雷电波浪涌及杂波对负载设备的侵害，在蓄电池切换过程中能够保持稳定的电平输出，没有瞬间断电现象，省电、性能稳定、体积小、承载能力大的优点。电压比较器模块6包括芯片LM339，如图2所示，芯片LM339的引脚4通过串联连接的电位器R20和电阻Rll与第一电池组3的正极连接，芯片LM339的引脚6串联连接的电位器R19和电阻RlO与第二电池组4的正极连接，芯片LM339的引脚5通过串联连接的电阻R14和电容C5与大地连接，电阻R14和电容C5均与电路供电电压VCC连接，电位器 R19和电位器R20均与大地连接。电压比较器模块6的工作原理为，当供电的电池(市电或第一电池组3或第二电池组4)的正极低于设定的下限电平(INl+端电位)时，电压比较器 LM339的引脚I或引脚2输出高电平信号，微控制器模块7检测到此高电平后，由微控制器模块7的I/O 口输出低电平到继电器驱动模块8控制继电器动作，并将第二继电器Κ2和第三继电器Κ3的连接状态互换，实现自动充电与供电。当交流停电时，先由第一电池组3或第二电池组4中的一组电池供电，放电完毕后由另一组供电。若两组蓄电池均放电完毕或者在更换蓄电池期间则，启用旁路模式，由充电电路直接给监测仪器设备供电。
光电隔离模块11包括光耦芯片TLP521-3和触发器⑶40106，如图3所示，光耦芯片TLP521-3的引脚I通过串联连接的电阻R2和二极管D7连接第一电池组3的正极，光耦芯片TLP521-3的引脚2连接第一电池组3的负极，光耦芯片TLP521-3的引脚3通过串联连接的电阻Rl和二极管D6连接第二电池组4的正极，光耦芯片TLP521-3的引脚4连接第二电池组4的负极，光耦芯片TLP521-3的引脚5通过电阻R3连接充电电路2输出端的正极，光耦芯片TLP521-3的引脚6连接充电电路2输出端的负极，光耦芯片TLP521-3的引脚 12通过电阻R4与电路供电电压VCC连接，光耦芯片TLP521-3的引脚11、引脚9和引脚7均与大地连接，引脚10通过电阻R6与电路供电电压VCC连接、引脚8通过电阻R5与电路供电电压VCC连接，光耦芯片TLP521-3的引脚12、引脚10、引脚8分别与触发器⑶40106的引脚3、引脚I、引脚5连接。光电隔离模块11的工作原理为，第一电池组3、第二电池组4 和充电电路2经过3k的电阻限流，进入光耦芯片TLP521-3，当第一电池组3、第二电池组4 和充电电路2接入时，通电的一路使发光二极管开通，对应的三极管导通，从而将集电极拉倒低电平，经过CD40106施密特触发器反向后变为高电平输入到微控制器模块7，微控制器模块7将第一电池组3、第二电池组4和充电电路2的供电状态反馈到上位机中，实时监测地震台仪器设备供电状态。
如图4所示的继电器驱动模块8，包括双向驱动芯片ULN2003A，双向驱动芯片 ULN2003A的引脚14、引脚15、引脚16分别与第一继电器K1、第二继电器K2和第三继电器 K3动作使能端连接，双向驱动芯片ULN2003A的引脚I、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5分别与触发器⑶40106的引脚2、引脚4、引脚6、引脚8、引脚10连接。继电器驱动模块8的工作原理为，双向驱动芯片ULN2003A内部有消线圈反电动势的二极管，输出端允许通过IC 电流200mA，输出电流大，具有高电压输出特性，根据微控制器模块7的命令，双向驱动芯片 ULN2003A直接驱动第一继电器Kl、第二继电器K2、第三继电器K3的导通或断开。微控制器模块7包括型号为STC12LE5A60S2的单片机，如图5所示， STC12LE5A60S2的引脚32、引脚33、引脚34分别与触发器CD40106的引脚2、引脚4、引脚6 连接，STC12LE5A60S2单片机的引脚12、引脚13分别与所述芯片LM339的引脚I、引脚2连接。本发明选用STC12LE5A60S2的单片机，具有待机功耗低、高速、高可靠、强抗静电和强抗干扰能力的优点。以太网控制器9为ENC28J60以太网控制器，外设SPI接口，ENC28J60与微控制器STC12LE5A60S2通过SPI接口连接，支持10Mbps。微控制器STC12LE5A60S2通过 SPI接口发送命令，访问ENC28J60的寄存器或读写接收/发送缓冲区。ENC28J60的复位也通过SPI接口由内部固化的软件实现，软件复位不影响SYS_RST引脚的状态。ENC28J60有两个中断输出，分别用于事件中断触发和网络唤醒主机。软件采用宏定义实现SPI 口读写操作。SOSPDR为SPI数据寄存器，该双向寄存器存储数据，为SPI提供发送和接收的数据。 发送数据通过写该寄存器提供，SPI接收的数据从该寄存器读出。SOSPSR为SPI状态寄存器，在对SPI接口进行操作之前对其初始化。本发明的工作过程为I、当电压比较器模块6检测出第一电池组3电压低时，微控制器模块7控制继电器驱动模块8，驱动第一继电器Kl使其导通、第二继电器K2与第一电池组吸合、第三继电器 K3与第二电池组吸合，使第一电池组3进入充电模式，第二电池组4进入供电模式。2、当电压比较器模块6检测出第二电池组4电压低时，微控制器模块7控制继电器驱动模块8，驱动第一继电器Kl使其导通、第二继电器K2与第二电池组吸合、第三继电器K3与第一电池组吸合，使第一电池组3进入供电模式，第二电池组4进入充电模式。此过程的隔离由K3实现，称为直流隔离。3、工作过程I和2交替进行，循环往复，实现不间断供电。当雷雨天气到来时，台网中心工作人员可以操作上位机10通过以太网来远程控制第一继电器Kl断开实现交流隔离，防止雷击静电感应通过交流市电进入监测仪器设备。
本说明书中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。
权利要求
1.一种交直流二级隔离直流电源装置，包括避雷器(I)，所述避雷器(I)的输入端与市电连接，其特征在于所述避雷器(I)的输出端连接充电模块(2)的输入端，所述充电模块 (2)的输出端连接第二继电器(K2)的静触点，所述第二继电器(K2)的两个动触点分别连接第一电池组(3)和第二电池组(4)的输入端，所述第一电池组(3)和第二电池组(4)的输出端分别与第三继电器(K3)的两个动触点相连接，第三继电器(K3)的静触点连接稳压电路(5)的输入端；所述第一电池组(3)和第二电池组(4)的输出端连接电压比较器模块(6)的输入端，所述电压比较器模块(6)的输出端连接微控制器模块(7)的输入端，所述微控制器模块⑵的输出端连接继电器驱动模块(8)，所述继电器驱动模块⑶的三个输出端分别连接第一继电器(Kl)、第二继电器(K2)和第三继电器(K3)动作使能端，所述微控制器模块(7)通过SPI接口连接以太网控制器(9)，所述以太网控制器(9)通过以太网连接上位机(10)。
2.根据权利要求I所述的交直流二级隔离直流电源装置，其特征在于所述充电模块(2)、第一电池组(3)和第二电池组⑷的输出端分别连接光电隔离模块(11)的信号输入端，所述光电隔离模块(11)的信号输出端连接微控制器模块(7)。
3.根据权利要求I或2所述的交直流二级隔离直流电源装置，其特征在于所述第一继电器(Kl)、第二继电器(K2)和第三继电器(K3)均为单线圈式磁保持继电器。
4.根据权利要求I所述的交直流二级隔离直流电源装置，其特征在于所述电压比较器模块(6)包括芯片11039，芯片11039的引脚4通过串联连接的电位器1 20和电阻1 11与第一电池组(3)的正极连接，芯片LM339的引脚6串联连接的电位器R19和电阻RlO与第二电池组⑷的正极连接，芯片LM339的引脚5和7通过电阻R14拉到高电平，此高电平由电容C5进行去耦。
5.根据权利要求3所述的交直流二级隔离直流电源装置，其特征在于所述光电隔离模块(11)包括光耦芯片TLP521-3和触发器⑶40106，所述光耦芯片TLP521-3的引脚I通过串联连接的电阻R2和二极管D7连接第一电池组(3)的正极，光耦芯片TLP521-3的引脚 2连接第一电池组(3)的负极，光耦芯片TLP521-3的引脚3通过串联连接的电阻Rl和二极管D6连接第二电池组(4)的正极，光耦芯片TLP521-3的引脚4连接第二电池组(4)的负极，光耦芯片TLP521-3的引脚5通过电阻R3连接充电模块(2)输出端的正极，光耦芯片 TLP521-3的引脚6连接充电模块(2)输出端的负极，光耦芯片TLP521-3的引脚7、引脚9 和引脚11均与大地连接，引脚8、引脚10和引脚12通过5. 6K的电阻拉到高电平，并分别与触发器⑶40106的引脚5、引脚I、引脚3连接。
6.根据权利要求5所述的交直流二级隔离直流电源装置，其特征在于所述继电器驱动模块(8)包括双向驱动芯片ULN2003A，所述双向驱动芯片ULN2003A的引脚14、引脚15、 引脚16分别与第一继电器(Kl)、第二继电器(K2)和第三继电器(K3)动作使能端连接，所述双向驱动芯片ULN2003A的引脚I、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5分别与触发器⑶40106 的引脚2、引脚4、引脚6、引脚8、引脚10连接。
7.根据权利要求5所述的交直流二级隔离直流电源装置，其特征在于所述微控制器模块(7)包括STC12LE5A60S2单片机，所述STC12LE5A60S2单片机的引脚32、引脚33、引脚 34分别与触发器CD40106的引脚2、引脚4、引脚6连接，所述STC12LE5A60S2单片机的引脚、12、引脚13分别与所述芯片LM339的引脚I、引脚2连接。
8.根据权利要求5所述的交直流二级隔离直流电源装置，其特征在于所述以太网控制器(9)为ENC28J60以太网控制器。
全文摘要
本发明涉及交直流二级隔离直流电源装置，包括避雷器，其输入端与市电连接，其输出端连接充电模块的输入端，充电模块的输出端连接第二继电器，第二继电器连接第一电池组和第二电池组的输入端，其输出端分别与第三继电器相连，第三继电器连接稳压电路的输入端；第一电池组和第二电池组的输出端连接电压比较器模块的输入端，电压比较器模块的输出端连接微控制器模块的输入端，微控制器模块的输出端连接继电器驱动模块，继电器驱动模块输出端分别连接三个继电器，微控制器模块通过SPI接口连接以太网控制器，以太网控制器通过以太网连接远端上位机。本发明装置有效地避开了雷击静电感应通过市电进入监测仪器设备，大大降低了地震监测仪器设备遭雷击破坏的概率。
文档编号H02J7/00GK102624064SQ20121011619
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者彭宏伟 申请人:彭宏伟