专利名称：多功能数字检相测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机床电气测量与控制技术领域，主要提出一种多功能数字检相测 量仪，它以微处理器技术为核心，运用电压互感器、电流互感器、多路模拟开关和模数转换 器组成的集成电路，辅之以专业应用软件，实现工业用三相50HZ交流电的相序识别、相位 测量，电压与电流值实时测量，单相过压、欠压、缺相、过流、短路状态的数字控制，以取代传 统相位测量电路、电压与电流测量电路分开的电气方案，通过简便的电路设计实现相位测 量电路与电压、电流幅度测量与保护电路的统一，达到仪器的多功能使用。
背景技术：
目前，公知的工业用三相电测量设备一般采用相序识别电路、相位测量电路、幅 度测量电路分开的电气方案，其中相位测量电路采用模拟方法如相位差脉冲积分电路，或 采用数字方法如相位差脉冲计数电路来实现，而幅度测量常采用模拟整流或数字电路来实 现，但是上述测量电路主要存在以下缺点1)没有将相序识别、相位与幅度测量电路有机 统一起来；2)集成电路设计相对复杂；幻幅度测量有功率损耗；4)不能使现有设备资源得 到充分利用。因此怎样以微处理器作为控制系统，设计简单集成电路，克服上述缺点，既使 相序、相位与幅度测量电路统一实现，又能够实现单相过压、欠压、缺相、过流、短路状态的 数字检测，是本实用新型的出发点。
发明内容本实用新型的目的即是提出一种多功能数字检相测量仪，它以微处理器作为控制 系统，配之以普通的电压互感器、电流互感器、多路模拟开关与模数转换器，实现相位、电压 与电流幅度测量电路的集成，并实现单相过压、欠压、缺相、过流、短路状态的数字检测。本实用新型的技术解决方案是一种多功能数字检相测量仪，主要包括微处理器 部分、检测电路部分、模数转换电路部分、相序输出电路部分、显示输出电路部分，原理图如 图1所示。其中a、微处理器部分由一片微处理器构成，微处理器发出控制信号对模数转换器电路 输入信号的选择、转换时刻的确定、转换结果的读取进行控制，内部基于相位测量的程序对 模数转换结果进行处理，得出三相电路的相序、相位及电压与电流实时值；b、检测电路部分别由与三相电对应的三个电压互感器和三个电流互感器组成，该 三个电压互感器和三个电流互感器分别与多路模拟开关的输入端相连，检测电路部分对三 相电进行变比处理，使获得的模拟信号符合模数转换器的模拟输入范围；C、模数转换电路部分由一个8路模拟开关和一个模数转换器构成，8路模拟开关 接收来自检测电路的6路模拟信号，模拟开关的输出端与模数转换器的输入端相连，模数 转换器的输出端与微处理器的PO 口连接，模数转换电路的控制信号由微处理器PO 口发出， PO 口又连接一个三态锁存器，锁存器的输出分别连接8路模拟开关和模数转换器的控制 端，8路模拟开关按微处理器的要求对各路模拟输入进行选择，模数转换器按微处理器的要求将模拟输入转换数字信号，并按照控制信号的要求传送12位数据至微处理器；d、相序输出电路部分由三态门驱动电路和相序转换线圈，根据微处理器内程序分 析的结果，发出信号调整三相电路相序；e、显示输出电路部分由显示驱动电路和显示器构成，显示驱动电路与微处理器部 分的PO 口连接，根据程序分析的结果，通过PO 口的数据，显示三相电当前的状态。由于显 示输出电路不属于本实用新型的核心内容，故采用通用的LED显示电路即可，在本实用新 型的原理电路图中也未予显示。本实用新型的技术解决方案中还可以包括外部输入电路部分，主要用来处理外部 按键输入。本实用新型的技术解决方案中还可以包括通讯接口部分，该通讯接口部分由微处 理器连接串行总线，与外部主机进行数据交换构成，接口电路完成与上位机设备的通讯。本实用新型以微处理器作为控制系统，用普通的电压互感器、电流互感器组成检 测电路，将其通过8路模拟开关选择后作为模数转换器的输入；模数转换器对三相电的检 测信号进行数字转换与采样，再交由微处理器程序进行相位计算与补偿分析，从而确定三 相电的相序、相位；根据相位测量结果对电压、电流再进行实时测量，对带负载的三相电路 进行单相过压、欠压、缺相、过流、短路的数字检测。本实用新型提出的多功能数字检相测量仪，集成电路硬件设计相对简单，易于集 成，软件基于相位测量与补偿算法设计，因此测量精度高，执行效率高；具有电路多种状态 适时检测功能，可以及时发出信息，保护电路负载；拥有RS-232、RS-485标准通讯接口，利 于实现现场控制的自动化、集成化。由于该多功能数字检相测量仪采用简便的集成电路设 计，辅之以软件分析，以软件弥补硬件的部分缺点，能够充分发挥硬件的功效，以达到多功 能精确测量的目的，因而具有重要的使用价值。本实用新型主要用于三相交流电路相序、相位、电压与电流值的测量，可控硅导通 角的控制。
图1是本实用新型的电路原理图。图2是本实用新型模数转换器的转换示意图。图3是本实用新型微处理器内进行程序处理的原理框图。
具体实施方式
结合附图对本实用新型实施例加以说明。本实用新型的电路原理图如图1所示。本实用新型主要由微处理器部分、检测电 路部分、模数转换电路部分、相序输出电路部分、显示输出电路部分、外部输入电路部分和 通讯接口部分组成。微处理器部分由89C52微处理器构成。模数转换电路部分由一个8路 模拟开关和一个A/D转换器构成。检测电路部分由与三相电对应的三个电压互感器TV1、 TV2、TV3和三个电流互感器TA1、TA2、TA3组成，该三个电压互感器TV1、TV2、TV3分别经电 阻Rl、R2、R3与8路模拟开关相应的输入端连接，三个电流互感器TA1、TA2、TA3分别与8 路模拟开关的输入端连接；8路模拟开关的输出端与A/D转换器的输入端相连。相序输出电路部分由三态门驱动电路和相序转换线圈KM1、KM2构成。显示输出电路部分由显示驱动 电路和显示器构成，显示驱动电路与微处理器部分的PO 口连接。由于显示输出电路不属于 本实用新型的核心内容，故采用通用的LED显示电路即可，在本实用新型的原理电路图中 也未予显示。通讯接口部分由微处理器P3. 2 口通过中断方式连接串行总线，与外部主机进 行数据交换构成。外部输入电路部分，由微处理器P3. 3 口通过中断方式构成。本实用新型所提出检测与测量的工作过程为加电后，微处理器首先进行自检； 然后对模数转换电路发出控制信号，依次选择6路模拟输入进行模数转换，完成后，由微处 理器内程序对一个电压周期内采样的数据进行相位分析与补偿计算，确定三相电的相序和 相位，然后采取单相峰值采样配以特殊角度采样的方法来测量三相电的实时电压值和电流 值，分析电路运行是否存在单相过压、欠压、缺相、过流、短路的状况，如有则报警。本实用新型的核心电路主要功能如下微处理器是本系统硬件的核心，拟采用 89C52，工频为12MHz，其内置8K闪存，不用添加外置存贮器。微处理器的PO 口作为模数转 换结果的读取口，显示设备数据的输出口，也是多路模数转换器和模拟开关控制口 ；微处理 器输出的模数转换电路控制信号也由PO 口发出，先通过74LS373锁存器，低四位分别作为
模数转换器片选端δ!、高8位与
低4位选择端Α、转换与读选择端R/δ、12或8位输出端12/§的控制信号，高四位作为多路
模拟开关的三个选择端AO、Al、A2与一个使能端面〒的控制信号，用以选通6路模拟输入 信号；微处理器的P2. 0、P2. 1为相序转换线圈KMl和KM2的控制位，通过三态门输出，P2. 2 控制三态门的使能端；P2. 3连接模数转换器的STS端，用查询的方式确定模数转换是否结 束；P2.4 — P2.7 口，Pl 口保留；P3.0、P3. 1作为读写控制端控制模数转换器的CE端；内部 Tl与T2分别作为程序定时器用。微处理器的专业软件部分对系统硬件进行统一管理，并 对模数转换数据进行分析。检测电路由三个电压互感器TV1、TV2、TV3和三个电流互感器 TAU TA2、TA3组成，其中连接在电压互感器上各有一电阻，以起限电流的作用，6路模拟信 号通过8路模拟开关CC4051，选择其中一路连接至模数转换器的输入口 ；选用不同变比的 电流互感器、电压互感器，可以完成对不同三相电路的测量。模数转换电路先通过8路模拟 开关CC4051，根据微处理器PO 口高4位信号的控制，选择一路模拟量作为输入，由模数转换 器AD574进行转换，数字输出按要求传递给微处理器，作进一步程序分析处理；不同转换速 度的模数转换器得出不同的相位测量精度，如选用中速25 μ s的转换器件，测量误差小于 0.2°，选用高速2μ s的转换器件，测量误差小于0.04°。本实用新型的辅助电路主要功能如下相序输出电路由两个三态门和相序转换线 圈ΚΜ1、ΚΜ2组成，用来输出微处理器程序分析的相序结果，KMU ΚΜ2由+ 24V电源供电， 分别由Ρ2. 0、Ρ2. 1控制，Ρ2. 2为两个三态门的控制信号。电压、电流、过压、欠压、缺相、过 流、短路等状态数据通过PO 口输出送通用LED屏显示(在图中没有画出)。本实用新型微处 理器89C52、模数转换器AD574、多路模拟开关CC4051工作电压为+ 5V，AD574参考电压为 士 15V，继电器线圈电压为+ 24V.通讯接口电路为接口端子。本实用新型中，P3. 2为RS-232、RS_485通讯接口的串行中断口，方便其作为丛机 运行时能够适时与主控机进行通讯，通过上位机，可以实时的将从机的数据进行集中处理。 P3. 3作为外部键盘输入的串行中断输入接口。[0024]模数转换器的转换示意图如图2所示。其原理是根据转换结果确定幅度的最大 值，同时得出90°相位所在时刻。微处理器内进行程序处理的原理框图如图3所示，测量相位时，由于电路电感、电 容的存在，要进行必要的相位补偿，以此为基础，对实时电压、电流值进行计算，并分析单相 过压、欠压、缺相、过流、短路的状况。
权利要求1.一种多功能数字检相测量仪，其特征是主要包括微处理器部分、检测电路部分、模 数转换电路部分、相序输出电路部分和显示输出电路部分，其中a、微处理器部分由微处理器构成，由微处理器发出控制信号对模数转换器部分输入信 号的选择、转换时刻的确定、转换结果的读取进行控制，内部基于相位测量的程序对模数转 换结果进行处理，得出三相电路的相序、相位及电压与电流实时值；b、检测电路部分由与三相电对应的三个电压互感器(TVl、TV2、TV3)和三个电流互感 器(TA1、TA2、TA3)组成，该三个电压互感器(TVl、TV2、TV3)和三个电流互感器(TAl、TA2、 TA3)分别与模数转换电路部分相应的输入端连接，检测电路部分对三相电进行变比处理， 使获得的模拟信号符合模数转换器的模拟输入范围；c、模数转换电路部分由一个8路模拟开关和一个模数转换器构成，8路模拟开关的输 入端连接与三相电对应的电压互感器和电流互感器，输出端连接模数转换器，模数转换器 的输出端与微处理器的PO 口连接，8路模拟开关和模数转换器的控制端由PO 口发出的信号 经锁存器后相连接，按微处理器的要求对各路输入进行转换，转换好后结果传递给微处理 器；d、相序输出电路部分由三态门驱动电路和相序转换线圈(KM1、KM2)构成，根据程序分 析的结果，发出信号使驱动电路调整三相电路相序；e、显示输出电路部分由显示驱动电路和显示器构成或者由LED显示电路构成，显示驱 动电路或者LED显示电路与微处理器的PO 口连接，根据程序分析的结果，通过PO 口的数 据，显示三相电当前的状态。
2.根据权利要求1所述的多功能数字检相测量仪，其特征是还包括通讯接口部分，该 通讯接口部分由微处理器中断0 (P3.2) 口连接串行总线，与外部主机进行数据交换构成， 接口电路完成与上位机设备的通讯。
3.根据权利要求1或2所述的多功能数字检相测量仪，其特征是还包括外部输入电 路部分，该部分处理外部键盘输入，由微处理器中断1 口(P3. 3)通过中断方式处理。
专利摘要本实用新型多功能数字检相测量仪。属于机床电气测量与控制技术领域。它主要是解决现有相序识别、相位测量、幅度测量需不同设备才能实现的问题。它的主要特征是包括微处理器部分、检测电路部分、模数转换电路部分、相序输出电路部分和显示输出电路部分，其中，检测电路部分由与三相电对应的三个电压互感器和三个电流互感器组成，模数转换电路部分由一个8路模拟开关和一个模数转换器构成，相序输出电路部分由三态门驱动电路和相序转换线圈构成。本实用新型集成电路设计简便、集成度高、测量思路新颖，能够实时监测与控制电路，主要用于工业用50Hz三相交流电路相序、相位、电压与电流值的检测与测量，可控硅导通角的控制。
文档编号G01R31/02GK201845054SQ20102052922
公开日2011年5月25日 申请日期2010年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者马万超 申请人:马万超