一种电流和电压采集设备的制作方法

本实用新型涉及智慧照明、智慧城市领域，尤其是一种电流和电压采集设备。

背景技术：

在道路照明领域，大部分的路灯灯具采用交流接触器进行回路开关控制，通过定时时控设备控制接触器给路灯回路供电实现路灯灯具的供电开关，该路灯控制方法即不能实现路灯的独立开关控制，也不能实现路灯的调光控制，同时对回路中的路灯出现灭灯故障也不能及时发现，使得路灯维护需要投入大量的人力物力。

在家居照明领域和工业园区、厂房照明领域，大部分灯具采用墙面开关、合闸按钮灯进行手动开关，在使用过程中经常出现人员离开后照明灯具依然处于亮灯状态，即浪费的电能，又减少照明灯具的寿命。

当前市场上有部分的厂商为了实现路灯的自动化开关控制，设计的单灯控制器虽然能够实现自动化的照明灯具的开关控制和灯具的故障检测，但是这些产品几乎都采用电能计量芯片检测照明灯具耗电功率，根据灯具耗电功率来判断灯具是否故障；这些电能计量芯片通常外围电路复杂，价格昂贵，导致控制器故障点多，容易损坏；同时对于电能计量的电流、电压、功率、电能等参数，生产时每个设备都需要进行单独的计量校正，且校正仪器价格昂贵，生产工艺流畅复杂，导致生产成本高昂；有的电能计量芯片外围电路采用隔离的电流互感器和电压互感器进行电能参数采样，但这种单灯控制器通常体积较大，且隔离电流互感器和电压互感器缺一不可；有的电能计量芯片外围电路采用非隔离分压电路进行电能参数采样，但这种单灯控制器由于没有采用隔离电路，很容易导致其自身被线路上的感应雷电击坏或者线路上的高压静电、浪涌脉冲群击坏，这类单灯控制器在使用时需要额外配置昂贵的防雷模块才能保证其安全可靠的工作。

当前市场上的照明灯具通常对单灯控制器并不需要那么复杂那么高精度的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、电能统计等参数的采样，通常仅仅需要开关控制和灭灯故障判断即可，即是对于大功率灯具也仅仅需要一个调光功能，从电路设计可靠性角度出发，单灯控制器电路越简单，其故障率越低。

当前路灯灯杆上挂载了众多用电设备如摄像头、4G、5G微站、交通雷达等，这些设备都借用路灯的电源供电，为了保证设备白天供电时，路灯灯泡处于关闭状态，通常需要改单独给用电设备铺设供电电缆，施工工程量巨大。上述提到的这些缺陷已经成为了急需解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题,本实用新型设计了一种电流和电压采集设备，能够为控制设备提供精准的电流和电压采集信号,以实现照明灯具的开关控制、灭灯故障的告警、大功率灯具调光，通过简单的电路设计即保证了设备的高可靠性、简化了生产工艺流程、又降低了设备器件成本和生产成本。

本实用新型采用了如下技术方案：

一种电流和电压采集设备，所述采集设备包括电流采样电路、电压采样电路以及采样基准源电路，其特征在于：

所述电压采样电路和所述电流采样电路分别连接所述采样基准源，所述采集设备中具有一路电压采样电路、两路电流采样电路以及一个负载采样基准源。

进一步的，所述电流采样电路采用匝比1000:1的电流互感器将负载大电流进行转换为小电流，然后将电流信号转换为电压信号。

进一步的，所述电压采样电路采用1:1的电压互感器，然后串联一个200K的电阻进行电压采样。

进一步的，所述采样基准源电路采用TL431芯片以产生一个2.495V的电压，然后通过电阻分压获得一个1V的基准电压Vref。

进一步的，所述采样电路中具有保护TVS管。

进一步的，所述电流采样电路在次级并联一个TVS管，做一级吸收，防止互感器次级产生尖峰电压对后端造成过压的危害，互感器采用电流互感器5A:5mA。

进一步的，所述电压采样电路在互感器的初级并一个MOV有效的保护的输入端在雷击通过的时候提供能量的泄放回路，同时在次级并联一个TVS管，做双重保护，吸收初级传到次级的剩余能量尖峰，避免对后端造成过压的危害，互感器采用电压互感器2mA:2mA。

本实用新型的有益效果是：能够为控制设备提供精准的电流和电压采集信号,以实现照明灯具的开关控制、灭灯故障的告警、大功率灯具调光，通过简单的电路设计即保证了设备的高可靠性、简化了生产工艺流程、又降低了设备器件成本和生产成本。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是采集设备的结构示意图；

图2是电压和电流采样设备的电路示意图；

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

图1是采集设备的结构示意图。

采集设备中包括电流采样电路、电压采样电路以及采样基准源电路，电压采样电路和电流采样电路分别连接采样基准源。

其中，电流采样电路采用匝比1000:1的电流互感器将负载大电流进行转换为小电流，然后将电流信号转换为电压信号，因交流电为正弦波信号转换出的电压信号有正有负，通过第一级运算放大电路进行偏置加法调整，将负电压调整到正电压，随后通过第二级运算放大电路进行1:1跟随放大，用于做阻抗调整，然后将输出的1.7V-3V正弦波电压输入给处理器的AD接口进行高速ADC采样。

本实用新型的电压采样电路，采用1:1的电压互感器，然后串联一个200K的电阻进行电压采样，同负载电流采样原理相同，通过第一级运算放大电路进行偏置加法调整，将负电压调整到正电压，随后通过第二级运算放大电路进行1:1跟随放大，用于做阻抗调整，然后输出1.7V-3V正弦波电压信号输入给处理器的AD接口进行高速ADC采样。

本实用新型为了提高对电流和电压的ADC采样精度，避免运算放大器放大过程中生产的误差，采样设备中包括了采样基准源电路，该采样基准源电路由一个TL431芯片产生一个2.495V的电压，然后通过电阻分压获得一个1V的基准电压Vref来保证运算放大器的稳定工作，保证了电流和电压的采样精度。并且通过由处理器对采样基准源Vref进行ADC采样，可以验证采样基准源的误差，由软件进行误差校正，保证了本实用新型进行电流和电压可以达到1%的采样精度。

本实用新型的电流采样电路和电压采样电路都采用了互感器进行负载电流电压的采样，因互感器具有较高的绝缘性能，且采样电路中具有保护TVS管，保证了在有雷击和浪涌电流出现时，不会损坏设备的负载电流和电压采样电路和处理器。本实用新型仅仅需要对AC/DC供电模块做好防雷击和防浪涌的防护处理即可。

本实用新型为了适应各种不同的路灯灯具的应用，电压和电流采样设备中具有一路电压采样电路、两路电流采样电路以及一个负载采样基准源。

图2是电压和电流采样设备的电路示意图。电压和电流采样设备中包括电流采样电路、电压采样电路以及采样基准源电路。具体如下：

电流采样电路，在次级并联一个TVS管，做一级吸收，防止互感器次级产生尖峰电压对后端造成过压的危害，互感器采用电流互感器5A:5mA，也就是匝比1000:1，即如果一次侧电流为i1为1A，则二次侧i2=1/1000=1mA，R602两端电压为ui2=i2*R602=1V（有效值）,幅值为1.414V，ui2max=1.414V，ui2min=-1.414V，由于采样的电流为交流信号所以有正负电压，运放第一次为偏置放大电路，将负电压全变换成正电压，

输入输出关系式如下：

uo1=ui1-R603/R601（ui2-ui1）

其中，正向输入端电压为ui1即Vref，反向输入端电压ui2,即R602两端电压。

ui2=R602*i1/1000

当ui2= ui2min=- 1.414 *R602*i1/1000时，CURRENT_ADC_1采样得到峰值电压uo1p，可以通过上述公式计算出一次侧电流有效值。

C12作有源滤波，滤除高频干扰，第二级运放做跟随电路做阻抗变换，提高采样精度。初级输入电流为1A，计算理论采样幅值电压为1.789V。

电压采样电路，在互感器的初级并一个MOV有效的保护的输入端在雷击通过的时候提供能量的泄放回路，同时在次级并联一个TVS管，做双重保护，吸收初级传到次级的剩余能量尖峰，避免对后端造成过压的危害，互感器采用电压互感器2mA:2mA，也就是匝比2000:2000，在一次测串联一个200K电阻，即如果一次侧电压为220V，一次侧电流i1=220/200000=1.1mA，二次侧也是i2=1.1mA，R703两端电压为ui2=i2*1000=1.1V（有效值）,最大值为1.555V，最小值为-1.555V，由于采样的电流为交流信号所以有正负电压，运放第一次为偏置放大电路，将负电压全变换成正电压。

输入输出关系式如下：

uo1=ui1-R704/R702（ui2-ui1）

其中，正向输入端电压为ui1即Vref，反向输入端电压ui2,即R703两端电压。

ui2=R703*i1/1000

当ui2= ui2min=- 1.414 * R703*Vin/R701时，VOLTAGE_ADC_3采样得到峰值电压uo1p，

通过关系式ui2=R703*Vin/R701可以计算出一次输入电压Vin。

C12作有源滤波，滤除高频干扰，第二级运放做跟随电路做阻抗变换，提高采样精度。输入电压为220V时，计算理论采样幅值电压为2.275V。

采样基准源电路，将高精度TL431参考极和阴极短接，做高精度稳压管用，参考级稳定输出2.495V，波动实测10-15mV，通过R502,R503分压取R503两端电压为1V基准电压Vref，为了提高更高的精度可以在R503两端做AD电压采样，在软件里校正基准源，提高电流采样精度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本实用新型实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线或无线方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，光介质、或者半导体介质等。