基于Zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表的制作方法

本发明涉及一款基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表，主要应用于分布式风能发电系统、光伏发电系统、网络化数字仪表以及工业自动化控制领域。

背景技术：

将风能转换为电能的分布式风能发电系统，其运行方式多以用户端自发自用为主、剩余电量上网，且在配电网系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施。分布式发电系统通常要求发电量质保不低于25年，至于附件和逆变器，均要求质保5年，质保到期之后再通过延保至25年。

电流表是分布式风能发电系统的实时测量仪表。电流表有指针式电流表和lcd显示表，lcd显示器功耗小无辐射，不足之处是lcd显示器的核心部件是由液晶层与上下的两片偏振片以及背光组件组成，背光组件的主要部件是背光灯管和导光板两个部分，决定寿命的主要是背光灯管的寿命，在达到一定时间期限后，背光灯管自然会出现老化，亮度随之降低，当灯管亮度衰减到50%时的使用时间即定义为灯管寿命。lcd的标称使用寿命通常为2～3万小时,如果一天24小时开机，只可以使用833～1250天，只有不到3.5年的使用寿命，而且在使用过程中，lcd的亮度会逐渐减弱。

采用传统指针式直流电流表均采用磁电式原理驱动的毫安表头或微安表头，俗称模拟直流电流表。被测电流经过分流器后，即指针机构在载流线圈互相作用下产生安培力矩，该力矩克服游丝阻尼部件的扭转力矩后，推动指针偏转，扭转力矩的大小由通过表头线圈电流的大小决定，其指针的偏转角度特别容易受到材料、环境温度和湿度、制造工艺等综合因素的影响。

为了改善电磁模拟指针表与生俱来就存在的怕震动、故障率高、指示精度低的缺点，本发明采用了一个“基于zigbee无线局域网的数字指针驱动组件”技术，该组件将zigbee和仪用步进电机技术结合在一起，内置仪用步进电机本体、pcb电路板、arm芯片、微步距细分驱动芯片、无线信号接口芯片、信号路由器、协调器，外置2.4ghz天线，可以将测量后的串行数据或者通过zigbee无线传输方式采集到的信息直接转变成数字指针当前的角位移量，用以指示被测物的物理量。

尽管zigbee和仪用步进电机本来就属于两个风牛马不相及的技术和产品，但是将一种基于zigbee无线局域网的数字指针驱动组件应用于直流电流表是本发明一大创新，这意味着，基础性的直流电流测量仪器除了具有测量和指示功能之外，还可以通过无线组网、路由的方式向控制中心上传实时测量的电流数据，而且是自行搭建的zigbee无线局域网，免收入网费。特别要紧的是，为了满足电流表长寿命工作的要求，仪用步进电机中的传动齿轮组采用了耐磨的尼龙66材料。

除此之外，本发明内置的电流预处理模块是一个高性能的混合信号模块，它保证了所述的电流预处理模块可以直接将当前的电流测量值转化为数字指针驱动组件所需要的步进角串行数据，该串行数据送到基于zigbee无线局域网的数字指针驱动组件中后，即为带动指针转动轴所需的偏转量，同时将当前指示的电流数据通过zigbee无线局域网上传到云数据中心。

技术实现要素：

据此，本发明独辟蹊径，提出了一种完全不同于传统技术思路的基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表设计方案，为方便计，所述的“基于zigbee无线局域网的数字指针驱动组件”简称为“步进电机组件”，具体内容如下：

基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表，包括前框、中框、后盖、面板、步进电机组件、指针、电流预处理模块，其要点在于：所述的基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表，将步进电机组件、指针、电流预处理模块和面板封装在由前框、中框和后盖所包围的空间中；

所述前框的四角分别有一个支柱，所述中框的四角分别开有一个安装孔，所述后盖的四角分别开有后盖螺丝孔，安装时，螺丝分别穿过后盖螺丝孔、中框的安装孔与前框的支柱相连；

所述的面板上丝印有电流表的指示刻度；

所述的步进电机组件内置pcb电路板，pcb电路板的一面表贴焊接有arm芯片、微步距细分驱动芯片、无线信号接口芯片、信号路由器、协调器芯片；pcb电路板的另一面安装有铁芯体、励磁线包、传动齿轮组，所述的励磁线包的引脚焊接在pcb电路板上；

所述的步进电机组件的天线安装台阶上外置一根2.4ghz天线，步进电机组件的输出轴从壳体的出轴台阶处伸出后，套接指针；

所述的步进电机组件组装时，pcb电路板搁放在步进电机组件外壳的圆弧台阶上，步进电机组件外壳内的铁芯体支柱插入铁芯体上的四个铁芯体安装孔中，六颗螺丝穿过步进电机组件的外壳、pcb电路板的安装圆孔后，与圆弧台阶相连；

所述的电流预处理模块与步进电机组件之间通过连接电缆实现电气连接，连接电缆为4芯结构，一根为电源正极，一根为电源负极，另外两根为串行数据输出线，从电流预处理模块伸出的连接电缆的另一端穿过天线安装台阶上的电缆孔后，焊接在pcb电路板上；

所述的电流预处理模块内置分流板和电流采样电路、开关电源电路、信号调理电路和工程量变换电路，焊接好元件和输入接线柱及连接电缆后再被灌封成为一个矩形体；

所述步进电机组件的天线安装台阶的底面有三个步进电机组件固定孔，螺丝穿过中框上的安装孔与步进电机组件固定孔相连；

所述的后盖上开有两个接线柱孔，所述的电流预处理模块上的两个输入接线柱，从后盖的两个接线柱孔处伸出。

进一步地，所述的前框、中框、后盖均采用耐热的工程塑料注塑而成。

进一步地，所述的步进电机组件的输出轴采用的是不锈钢针。

进一步地，所述的铁芯体采用坡莫合金材料。

附图说明

为了清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以举一反三，根据这些附图获得其它的类似附图。特别是，面板上的刻度范围只是一个实施例，改变刻度范围即可改变电流表的量程。

图1基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表外形图一；

图2基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表外形图二；

图3基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表外形图三；

图4基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表分解图一；

图5基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表分解图二；

图6基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表分解图三；

图7基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表分解图四；

图8基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表分解图五；

图9步进电机组件与电流预处理模块连接图一；

图10步进电机组件与电流预处理模块连接图二；

图11步进电机组件与电流预处理模块连接图三；

图12步进电机组件与电流预处理模块连接图四；

图13步进电机组件、电流预处理模块与中框、后盖连接图一；

图14步进电机组件、电流预处理模块与中框、后盖连接图二；

图15步进电机组件分解图一；

图16步进电机组件分解图二。

标号说明：

1前框

11支柱

2中框

21安装孔

3后盖

31接线柱孔

32后盖螺丝孔

4面板

41刻度

5步进电机组件

50电缆孔

51指针

522.4ghz天线

53步进电机组件固定孔

54pcb电路板

55圆弧台阶

56铁芯体支柱

57传动齿轮组

58铁芯体

59励磁线包

60铁芯体安装孔

6电流预处理模块

61输入接线柱

62连接电缆

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式：

所述的基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表，包括前框（1）、中框（2）、后盖（3）、面板（4）、步进电机组件（5）、指针（51）、电流预处理模块（6），其特征在于：

所述的基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表，将步进电机组件（5）、指针（51）、电流预处理模块（6）和面板（4）封装在由前框（1）、中框（2）和后盖（3）所包围的空间中；

所述前框（1）的四角分别有一个支柱（11），所述中框（2）的四角分别开有一个安装孔（21），所述后盖（3）的四角分别开有后盖螺丝孔（32），安装时，螺丝分别穿过后盖螺丝孔（32）、中框（2）的安装孔（21）与前框（1）的支柱（11）相连；

所述的面板（4）上丝印有电流表的指示刻度（41）；

所述的步进电机组件（5）内置pcb电路板（54），pcb电路板（54）的一面表贴焊接有arm芯片、微步距细分驱动芯片、无线信号接口芯片、信号路由器、协调器芯片；pcb电路板（50）的另一面安装有铁芯体（58）、励磁线包（59）、传动齿轮组（57），所述的励磁线包（59）的引脚焊接在pcb电路板（54）上；

所述的步进电机组件（5）的天线安装台阶上外置一根2.4ghz天线（52），步进电机组件（5）的输出轴从壳体的出轴台阶处伸出后，套接指针（51）；

所述的步进电机组件（5）组装时，pcb电路板（54）搁放在步进电机组件（5）外壳的圆弧台阶（55）上，步进电机组件（5）外壳内的铁芯体支柱（56）插入铁芯体（58）上的四个铁芯体安装孔（60）中，六颗螺丝穿过步进电机组件（5）的外壳、pcb电路板（54）的安装圆孔后，与圆弧台阶（55）相连；

所述的电流预处理模块（6）与步进电机组件（5）之间通过连接电缆（62）实现电气连接，连接电缆（62）为4芯结构，一根为电源正极，一根为电源负极，另外两根为串行数据输出线，从电流预处理模块（6）伸出的连接电缆（62）的另一端穿过天线安装台阶上的电缆孔（50）后，焊接在pcb电路板（54）上；

所述的电流预处理模块（6）内置分流板和电流采样电路、开关电源电路、信号调理电路和工程量变换电路，焊接好元件和输入接线柱及连接电缆（62）后再被灌封成为一个矩形体；

所述步进电机组件的天线安装台阶的底面有三个步进电机组件固定孔（53），螺丝穿过中框（2）上的安装孔（21）与步进电机组件固定孔（53）相连；

所述的后盖（3）上开有两个接线柱孔（31），所述的电流预处理模块（6）上的两个输入接线柱（61），从后盖（3）的两个接线柱孔（31）处伸出。

所述的前框（1）、中框（2）、后盖（3）均采用耐热的工程塑料注塑而成。

所述的步进电机组件（5）的输出轴采用的是不锈钢针。

所述的铁芯体（58）采用坡莫合金材料，因为坡莫合金材料在较弱磁场下有较高磁导率。

本发明所述的步进电机组件采用5v工作电压，固有步距角0.3333°，经细分驱动后步距角可降低至0.0833°，可使轴上的指针平滑移动，静态输出转矩实测为4mnm。

应指出的是，所述的基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表是这样开始工作的：内置的电流预处理模块直接将当前的电流测量值通过工程量变换后，转化为步进电机组件所需要的步进角串行数据；然后，步进电机组件再将该串行数据转换为带动指针转动轴的偏转数据，同时，步进电机组件将当前指示的电流数据通过zigbee无线局域网上传到当地的云数据管理中心，完成分布数据的集中管理。

本发明具有如下有益效果：

1．本发明是一款基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表，采用了系统工程的设计思想，通过组件和模块化设计，巧妙地将数据采集和数据显示分隔开来，相互间的电磁干扰最小，一举改变了数字指针电流表传统的电路驱动模式和老套路，结构上趋向扁平化，装配简单，从而提供了一种低成本、可大规模生产和便于维护的基于zigbee无线局域网的风电场数字指针式电流表的解决方案。

2.为了满足步进电机组件长寿命的要求，传动齿轮组采用了耐磨的尼龙66材料。

3.本发明实质性的进步包括三个部分，一是内置的电流预处理模块可以直接将电流测量值转化为步进电机组件所需要的步进角串行数据，使其数据的接口处理变得十分简单，做到系统省、整体优；二是内置的步进电机组件可以将该串行数据转换为带动指针转动轴所需的偏转量；三是步进电机组件还可以将当前指示的电流数据通过zigbee无线局域网上传到云数据中心，特别适合分布式风电、光伏发电系统和局域物联网的集中巡查管理，其意想不到的效果是填补了网络化数字电流表的空白，特别适合网络仪表及风电高端仪表的数字化指示，其应用前景相当广阔。

上述为本发明的优选实施方案。本说明书中，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，仅用于帮助理解本发明核心思想，而不应理解为对本发明的限制。所属领域的技术人员都明白，在不脱离所附权利说明书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。