太阳城集团

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三相电参数快速采集模块.pdf

摘要
申请专利号:

CN201310596873.9

申请日:

2013.11.22

公开号:

太阳城集团CN103630778A

公开日:

2014.03.12

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01R 31/00申请日:20131122|||公开
IPC分类号: G01R31/00; G01R1/30; H02M3/06; G08C19/00 主分类号: G01R31/00
申请人: 中国电子科技集团公司第三十八研究所
发明人: 余琳; 李臻; 李立; 潘玉静; 郭芝源; 黄双双
地址: 230001 安徽省合肥市淠河路88号
优先权:
专利代理机构: 安徽汇朴律师事务所 34116 代理人: 丁瑞瑞
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法律状态
申请(专利)号:

CN201310596873.9

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2016.01.20|||2014.04.09|||2014.03.12

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明提供一种三相电参数快速采集模块,包括电源电路、电参数输入电路、电参数处理电路、单片机工作电路、信号隔离电路及RS-485通信电路。电源电路分别与电参数输入电路、电参数处理电路、单片机工作电路、信号隔离电路、RS-485通信电路相连接;电参数处理电路与电参数输入电路、信号隔离电路相连接;单片机工作电路与信号隔离电路、RS-485通信电路相连接。本发明的优点在于:通过实时采集各相电的电流和电压,能够获得各相电的电流有效值、电压有效值、功率因数、有功功率、无功功率,以及三相电总的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能;上述电参数可通过RS-485接口向外传输,符合MODBUS通讯协议;该模块兼容三相三线或三相四线等接线方式。

权利要求书

权利要求书
1.  一种三相电参数快速采集模块,其特征在于:包括电源电路、电参数输入电路、电参数处理电路、单片机工作电路、信号隔离电路及RS-485通信电路,电源电路分别与电参数输入电路、电参数处理电路、单片机工作电路、信号隔离电路、RS-485通信电路相连接;电参数处理电路与电参数输入电路、信号隔离电路相连接;单片机工作电路与信号隔离电路、RS-485通信电路相连接。

2.  如权利要求1所述的三相电参数快速采集模块,其特征在于:所述的电参数输入电路包括电流传感器TA、TB、TC、电阻R3~R22、电容C10~C19、磁珠E1~E10、电压输入接口J2、J3;
电流传感器TA的1脚和2脚分别接+15V电源和-15V电源,TA的3脚通过电阻R4接地AGND1,并通过磁珠E1与电阻R5的一端相连接,R5的另一端通过电容C10接地AGND1,并与电参数处理电路的7脚相连接,磁珠E2的一端接地AGND1,另一端与电阻R6的一端相连接,R6的另一端通过电容C11接地AGND1,并与电参数处理电路的电量检测芯片U1的8脚相连接;
电流传感器TB的1脚和2脚分别接+15V电源和-15V电源,TB的3脚通过电阻R7接地AGND1,并通过磁珠E3与电阻R8的一端相连接,R8的另一端通过电容C12接地AGND1,并与电参数处理电路的电量检测芯片U1的9脚相连接,磁珠E4的一端接地AGND1,另一端与电阻R9的一端相连接,R9的另一端通过电容C13接地AGND1,并与电参数处理电路的电量检测芯片U1的12脚相连接;
电流传感器TC的1脚和2脚分别接+15V电源和-15V电源,TC 的3脚通过电阻R10接地AGND1,并通过磁珠E5与电阻R11的一端相连接,R11的另一端通过电容C14接地AGND1,并与电参数处理电路的电量检测芯片U1的13脚相连接,磁珠E6的一端接地AGND1,另一端与电阻R12的一端相连接,R12的另一端通过电容C15接地AGND1,并与电参数处理电路的电量检测芯片U1的14脚相连接;
电压输入接口J2的一端通过磁珠E7与电阻R13的一端相连接,R13的另一端通过电阻R14与电参数处理电路的电量检测芯片U1的23脚相连接,R15和C16并联,两者的一个公共端与电参数处理电路的23脚相连接,另一个公共端接地AGND1,电压输入接口J2的另一端通过磁珠E8接电阻R16的一端,R16的另一端通过电阻R17与电参数处理电路的电量检测芯片U1的22脚相连接,R18和C17并联,两者的一个公共端与电参数处理电路电量检测芯片U1的的22脚相连接,另一个公共端接地AGND1;
电压输入接口J3的一端通过磁珠E9与电阻R19的一端相连接,R19的另一端通过电阻R20与电参数处理电路的电量检测芯片U1的19脚相连接,R21和C18并联,两者的一个公共端与电参数处理电路的电量检测芯片U1的19脚相连接,另一个公共端接地AGND1,电压输入接口J3的另一端通过磁珠E10接电阻R22的一端,R22的另一端与电参数处理电路的电量检测芯片U1的18脚相连接,并通过电容C19接地AGND1。

3.  如权利要求2所述的三相电参数快速采集模块,其特征在于: 所述的电参数处理电路包括电量检测芯片U1、电容C20~C31、电阻R23~R31、场效应管Q1~Q3、发光二极管LED3~LED5、晶振Y1;
电量检测芯片U1的5脚与电容C22的一端和电容C23的正极相连接,电容C22的另一端和电容C23的负极相连接后接地DGND1,电量检测芯片U1的24脚与电容C20的一端和电容C21的正极相连接,电容C20的另一端和电容C21的负极相连接后接地AGND1,电量检测芯片U1的26脚与电容C24的一端和电容C25的正极相连接,电容C24的另一端和电容C25的负极相连接后接地AGND1,电量检测芯片U1的17脚与电容C26的一端和电容C27的正极相连接,电容C26的另一端和电容C27的负极相连接后接地AGND1,电量检测芯片U1的28脚通过电容C28接地AGND1,电量检测芯片U1的27脚通过电容C29接地AGND1,并通过晶振Y1与电量检测芯片U1的28脚相连接,电量检测芯片U1的1脚、10脚、11脚、20脚、6脚均接地DGND1;电量检测芯片U1的26脚通过电阻R308与电源电路中电源芯片V3的4脚(第二组3.3V电源3.3-2)相连接;
电量检测芯片U1的15脚、16脚、21脚、30脚、31脚、40脚、41脚、25脚相连后均接地AGND1,U1的33脚与电阻R23的一端及场效应管Q1的1脚相连接,场效应管Q1的3脚通过电阻R26与发光二极管LED3的正极相连接,LED3的负极接地DGND1,U1的34脚与电阻R24的一端及场效应管Q2的1脚相连接,场效应管Q2的3脚通过电阻R27与发光二极管LED4的正极相连接,LED4的负极接地DGND1,U1的35脚与电阻R25的一端及场效应管Q3的1 脚相连接,场效应管Q3的3脚通过电阻R28与发光二极管LED5的正极相连接,LED5的负极接地DGND1,电阻R23的另一端、电阻R24的另一端、电阻R25的另一端、场效应管Q1的2脚、场效应管Q2的2脚、场效应管Q3的2脚、电容C31的正极、电容C30的一端相连接后与通过电阻R31与电源电路中电源芯片V3的4脚相连接,电容C31的负极、电容C30的另一端相连后接地DGND1,地DGND1通过电阻R29与地AGND1相连接;
电量检测芯片U1的3脚、4脚、29脚、32脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U4的5脚、6脚、3脚、4脚相连接,电量检测芯片U1的36脚、37脚、38脚、39脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的5脚、11脚、3脚、4脚相连接13脚、12脚、11脚、14脚相连接。

4.  如权利要求3所述的三相电参数快速采集模块,其特征在于:所述的单片机工作电路包括单片机U2、仿真器接口J4、晶振Y2、电阻R32、电容C32、C33;
单片机U2的32脚通过电阻R32与单片机U2的33脚相连接,单片机U2的32脚通过电容C32接地GND2,并与晶振Y2的3脚相连接,晶振Y2的1脚与单片机U2的33脚相连接,并通过电容C33接地GND2,晶振Y2的2脚、4脚接地GND2,单片机U2的22脚、25脚、34脚分别与仿真器接口J4的4脚、2脚、10脚相连接;
单片机U2的49~52脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的3~6脚相连接,单片机U2的1脚、2脚分别与RS-485通信电路中 RS-485芯片U5的1脚、4脚相连接,单片机U2的9脚与RS-485通信电路中RS-485芯片U5的2脚、3脚相连接。

5.  如权利要求4所述的三相电参数快速采集模块,其特征在于:所述的信号隔离电路包括数字隔离芯片U3、U4、电阻R33~R36、电容C34~C37;
数字隔离芯片U3的1脚通过电阻R33接U3的7脚,并与电源电路中电源芯片V1的4脚相连接,数字隔离芯片U3的2脚和8脚相连接后接地GND2,数字隔离芯片U3的9脚和15脚相连接后接地DGND1,数字隔离芯片U3的16脚通过电阻R34与U3的10脚相连接,并与电参数处理电路中电阻R31的一端(VDD2)相连接;
数字隔离芯片U4的1脚通过电阻R35接U4的7脚,并与电参数处理电路中电阻R31的一端(VDD2)相连接,数字隔离芯片U4的2脚和8脚相连接后接地DGND1,数字隔离芯片U4的9脚和15脚相连接后接地GND2,数字隔离芯片U4的16脚通过电阻R36与U4的10脚相连接,并与电源电路中电源芯片V1的4脚相连接;
电容C34和电容C35并联,其中一个公共端接数字隔离芯片U3的1脚,另一个公共端接地GND2,电容C36和电容C37并联,其中一个公共端接数字隔离芯片U3的16脚,另一个公共端接地DGND1。

6.  如权利要求5所述的三相电参数快速采集模块,其特征在于:所述的RS-485通信电路包括RS-485芯片U5、电阻R37~R42、双向二极管D4~D6、RS-485通信接口J5;
RS-485芯片U5的2脚、3脚相连接后通过电阻R41接地,RS-485芯片U5的8脚通过电阻R37与RS-485芯片U5的7脚相连接,RS-485芯片U5的5脚通过电阻R40与RS-485芯片U5的6脚相连接,RS-485芯片U5的6脚通过双向二极管D5接地GND2,并通过R39接RS-485通信接口J5的一端,通信接口J5的另一端通过电阻R38与RS-485芯片U5的7脚相连接,电阻R38通过电阻R42与电阻R39相连接,RS-485芯片U5的7脚通过双向二极管D4接地GND2,RS-485芯片U5的7脚通过双向二极管D6与RS-485芯片U5的6脚相连接,U5的8脚与电源电路中电源芯片V1的4脚相连接。

7.  如权利要求1至6任一项所述的三相电参数快速采集模块,其特征在于:所述的电源电路包括电源芯片V1、V3、电源模块V2、电感L1、L2、电容C1~C9、电阻R1~R3、发光二极管LED1、LED2、二极管D1~D3、电源输入接口J1;
J1为24V电源输入接口,J1的24V电源正极输入端接D1的正极,J1的24V电源负极输入端为三相电参数快速采集模块的一个地脚GND2,该地脚GND2与电容C1的负极、电容C2的负极、电源芯片V1的3脚和5脚、二极管D2的正极、电容C3的负极、发光二极管LED1的负极相连接,二极管D1的负极与电容C1的正极、电容C2的正极、电源芯片V1的1脚相连接,电源芯片V1的2脚与二极管D2的负极相连,并通过电感L1与电源芯片V1的4脚、电容C3的正极、电阻R1的一端相连接,R1的另一端与发光二极管LED1的正极相连接,电源芯片V1的4脚为第一组 3.3V电源输出端;
电源模块V2的1脚通过电阻R2与电容C2的正极相连,电源模块V2的2脚接地GND2,电源模块V2的3脚为-15V电源输出端,该脚与电容C5的负极和电容C4的一端相连接,电源模块V2的4脚为三相电参数快速采集模块的另一个地脚AGND1,该地脚与电容C5的正极、电容C4的另一端、电容C6的负极、电容C7的一端相连接,电源模块V2的5脚为+15V电源输出端,该脚与电容C6的正极和电容C7的另一端相连接;
电源芯片V3的1脚和电容C8的正极相连后,与电源模块V2的5脚相连接,电源芯片V3的3脚和5脚相连后,与电源模块V2的4脚、电容C8的负极、二极管D3的正极、电容C9的负极、发光二极管LED2的负极相连,电源芯片V3的2脚与二极管D3的负极相连,并通过电感L2与电源芯片V3的4脚、电容C9的正极、电阻R3的一端相连接,R3的另一端与发光二极管LED2的正极相连接,电源芯片V3的4脚为第二组3.3V电源输出端;
电源芯片V1的4脚与单片机工作电路中单片机U2的3脚、13脚、30脚、48脚及仿真器接口J4的1脚相连接,电源芯片V1的4脚与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的1脚及数字隔离芯片U4的16脚相连接,电源芯片V1的4脚与信号隔离电路中电容C34、C35的一端相连接,电源芯片V1的4脚与RS-485通信电路中RS-485芯片U5的8脚及电阻R37的一端相连接。

说明书

说明书三相电参数快速采集模块
技术领域
本发明涉及一种采集模块,特别涉及一种三相电参数快速采集模块。
背景技术
中国是全球人均能源保有量最低的国家之一。人均能源消费量仅为世界平均水平的一半。但能源利用效率仅为30%左右,比发达国家约低10个百分点。产值能耗比世界平均水平高2倍多,是世界上产值能耗最高的国家之一。火力发电是中国电力的最主要来源(约占81%),发电原料是煤,但中国已由原来最大的煤炭生产国和消费国转变为进口国,电力成本将因此而不断上扬。随着城市建设的快速发展,特别是近年来大型公共建筑的迅速增长,建筑能耗的日益增长问题也越来越凸显。造成这一问题的一个重要原因就是目前建筑能耗的监督管理太阳城集团化水平不高,导致了监管手段的滞后,行业监管太阳城集团不能动态、准确、实时地采集,数据资源无法实现共享,从而致使主管部门在制定建筑节能管理和宏观调控时缺乏科学有效的依据。
另一方面,随着自动化及智能化技术的发展和推进,越来越多的大功率设备开始进入传统行业。与之相反,供电设施,如变压器、线缆、插座、继电器等的使用年限一般较长,更新速度较慢,尤其是在建设初期难以预测若干年后的负荷量,而供电设施的老化将进一步削 弱电力设施负荷能力,因此容易造成供电设施因过载而导致事故,如频繁跳闸甚至火灾。而若能对大功率设备和重要的电力设施、电力线的电压、电流或其它参数进行实时监测,并根据电力设施的工作参数设置预警值,当监测到的电参数达到其阈值时,进行实时报警,则可大大增加用电的安全性。
基于此以上两种情况,开发能快速监测电参数的采集模块是很有必要的。大功率设备、大功率开关、继电器等电力设备及设施通常以三相电为主,且三相电参数的监测难度要大于单相电。目前市面上已有的三相电参数采集模块种类较少,在现有产品中以电流互感器采集电流为主。电流互感器尽管价格较低,但是存在因相移导致的迟滞和饱和现象,导致测量时产生相位误差,影响测量精度;同时电流互感器的动态电流感应范围较小,不具备快速监测的特点。霍尔效应电流传感器响应速度快,检测精度高,动态电流感应范围广,非常适合在电参数的快速采集中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三相电参数快速采集模块,利用该三相电参数快速采集模块能够实时采集三相电中每相电的电流有效值、电压有效值、功率因数、有功功率、无功功率,以及三相电总的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能,采集到的数据可通过RS-485总线向外传输。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的:一种三相电参数 快速采集模块,包括电源电路、电参数输入电路、电参数处理电路、单片机工作电路、信号隔离电路及RS-485通信电路,电源电路分别与电参数输入电路、电参数处理电路、单片机工作电路、信号隔离电路、RS-485通信电路相连接;电参数处理电路与电参数输入电路、信号隔离电路相连接;单片机工作电路与信号隔离电路、RS-485通信电路相连接。
具体的,所述的电源电路包括电源芯片V1、V3、电源模块V2、电感L1、L2、电容C1~C9、电阻R1~R3、发光二极管LED1、LED2、二极管D1~D3、电源输入接口J1;
J1为24V电源输入接口,J1的24V电源正极输入端接D1的正极,J1的24V电源负极输入端为三相电参数快速采集模块的一个地(GND2),该脚(GND2)与电容C1的负极、电容C2的负极、电源芯片V1的3脚和5脚、二极管D2的正极、电容C3的负极、发光二极管LED1的负极相连接,二极管D1的负极与电容C1的正极、电容C2的正极、电源芯片V1的1脚相连接,电源芯片V1的2脚与二极管D2的负极相连,并通过电感L1与电源芯片V1的4脚、电容C3的正极、电阻R1的一端相连接,R1的另一端与发光二极管LED1的正极相连接,电源芯片V1的4脚为第一组3.3V电源(3.3-MCU)输出端;
电源模块V2的1脚通过电阻R2与电容C2的正极相连,电源模块V2的2脚接地GND2,电源模块V2的3脚为-15V电源输出端,该脚与电容C5的负极和电容C4的一端相连接,电源模块V2的4 脚为三相电参数快速采集模块的另一个地(AGND1),该脚与电容C5的正极、电容C4的另一端、电容C6的负极、电容C7的一端相连接,电源模块V2的5脚为+15V电源输出端,该脚与电容C6的正极和电容C7的另一端相连接;
电源芯片V3的1脚和电容C8的正极相连后,与电源模块V2的5脚相连接,电源芯片V3的3脚和5脚相连后,与电源模块V2的4脚、电容C8的负极、二极管D3的正极、电容C9的负极、发光二极管LED2的负极相连,电源芯片V3的2脚与二极管D3的负极相连,并通过电感L2与电源芯片V3的4脚、电容C9的正极、电阻R3的一端相连接,R3的另一端与发光二极管LED2的正极相连接,电源芯片V3的4脚为第二组3.3V电源(3.3-2)输出端;
电源芯片V1的4脚与单片机工作电路中单片机U2的3脚、13脚、30脚、48脚及仿真器接口J4的1脚相连接,电源芯片V1的4脚与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的1脚及数字隔离芯片U4的16脚相连接,电源芯片V1的4脚与信号隔离电路中电容C34、C35的一端相连接,电源芯片V1的4脚与RS-485通信电路中RS-485芯片U5的8脚及电阻R37的一端相连接。
具体的,所述的电参数输入电路包括电流传感器TA、TB、TC、电阻R3~R22、电容C10~C19、磁珠E1~E10、电压输入接口J2、J3;
电流传感器TA的1脚和2脚分别接+15V电源和-15V电源,TA的3脚通过电阻R4接地AGND1,并通过磁珠E1与电阻R5的一端相连接,R5的另一端通过电容C10接地AGND1,并与电参数处理 电路的7脚相连接,磁珠E2的一端接地AGND1,另一端与电阻R6的一端相连接,R6的另一端通过电容C11接地AGND1,并与电参数处理电路的8脚相连接;
电流传感器TB的1脚和2脚分别接+15V电源和-15V电源,TB的3脚通过电阻R7接地AGND1,并通过磁珠E3与电阻R8的一端相连接,R8的另一端通过电容C12接地AGND1,并与电参数处理电路的9脚相连接,磁珠E4的一端接地AGND1,另一端与电阻R9的一端相连接,R9的另一端通过电容C13接地AGND1,并与电参数处理电路的12脚相连接;
电流传感器TC的1脚和2脚分别接+15V电源和-15V电源,TC的3脚通过电阻R10接地AGND1,并通过磁珠E5与电阻R11的一端相连接,R11的另一端通过电容C14接地AGND1,并与电参数处理电路的13脚相连接,磁珠E6的一端接地AGND1,另一端与电阻R12的一端相连接,R12的另一端通过电容C15接地AGND1,并与电参数处理电路的14脚相连接;
电压输入接口J2的一端通过磁珠E7与电阻R13的一端相连接,R13的另一端通过电阻R14与电参数处理电路的23脚相连接,R15和C16并联,两者的一个公共端与电参数处理电路的23脚相连接,另一个公共端接地AGND1,电压输入接口J2的另一端通过磁珠E8接电阻R16的一端,R16的另一端通过电阻R17与电参数处理电路的22脚相连接,R18和C17并联,两者的一个公共端与电参数处理电路的22脚相连接,另一个公共端接地AGND1;
电压输入接口J3的一端通过磁珠E9与电阻R19的一端相连接,R19的另一端通过电阻R20与电参数处理电路的19脚相连接,R21和C18并联,两者的一个公共端与电参数处理电路的19脚相连接,另一个公共端接地AGND1,电压输入接口J3的另一端通过磁珠E10接电阻R22的一端,R22的另一端与电参数处理电路的18脚相连接,并通过电容C19接地AGND1。
具体的,所述的电参数处理电路包括电量检测芯片U1、电容C20~C31、电阻R23~R31、场效应管Q1~Q3、发光二极管LED3~LED5、晶振Y1;
电量检测芯片U1的5脚与电容C22的一端和电容C23的正极相连接,电容C22的另一端和电容C23的负极相连接后接地DGND1,电量检测芯片U1的24脚与电容C20的一端和电容C21的正极相连接,电容C20的另一端和电容C21的负极相连接后接地AGND1,电量检测芯片U1的26脚与电容C24的一端和电容C25的正极相连接,电容C24的另一端和电容C25的负极相连接后接地AGND1,电量检测芯片U1的17脚与电容C26的一端和电容C27的正极相连接,电容C26的另一端和电容C27的负极相连接后接地AGND1,电量检测芯片U1的28脚通过电容C28接地AGND1,电量检测芯片U1的27脚通过电容C29接地AGND1,并通过晶振Y1与电量检测芯片U1的28脚相连接,电量检测芯片U1的1脚、10脚、11脚、20脚、6脚均接地DGND1;电量检测芯片U1的26脚通过电阻R308与电源电路中电源芯片V3的4脚(第二组3.3V电源3.3-2)相连接;
电量检测芯片U1的21脚、30脚、31脚、40脚、41脚、25脚相连后均接地AGND1,U1的33脚与电阻R23的一端及场效应管Q1的1脚相连接,场效应管Q1的3脚通过电阻R26与发光二极管LED3的正极相连接,LED3的负极接地DGND1,电量检测芯片U1的21脚、30脚、31脚、40脚、41脚、25脚相连后均接地AGND1,U1的34脚与电阻R24的一端及场效应管Q2的1脚相连接,场效应管Q2的3脚通过电阻R27与发光二极管LED4的正极相连接,LED4的负极接地DGND1,电量检测芯片U1的15脚、16脚、21脚、30脚、31脚、40脚、41脚、25脚相连后均接地AGND1,U1的35脚与电阻R25的一端及场效应管Q3的1脚相连接,场效应管Q3的3脚通过电阻R28与发光二极管LED5的正极相连接,LED5的负极接地DGND1,电阻R23的另一端、电阻R24的另一端、电阻R25的另一端、场效应管Q1的2脚、场效应管Q2的2脚、场效应管Q3的2脚、电容C31的正极、电容C30的一端相连接后与通过电阻R31与电源电路中电源芯片V3的4脚(第二组3.3V电源3.3-2)相连接,电容C31的负极、电容C30的另一端相连后接地DGND1,地DGND1通过电阻R29与地AGND1相连接;
电量检测芯片U1的3脚、4脚、29脚、32脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U4的5脚、6脚、3脚、4脚相连接,电量检测芯片U1的36脚、37脚、38脚、39脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的5脚、11脚、3脚、4脚相连接13脚、12脚、11脚、14脚相连接。
具体的,所述的单片机工作电路包括单片机U2、仿真器接口J4、晶振Y2、电阻R32、电容C32、C33;
单片机U2的32脚通过电阻R32与单片机U2的33脚相连接,单片机U2的32脚通过电容C32接地GND2,并与晶振Y2的3脚相连接,晶振Y2的1脚与单片机U2的33脚相连接,并通过电容C33接地GND2,晶振Y2的2脚、4脚接地GND2,单片机U2的22脚、25脚、34脚分别与仿真器接口J4的4脚、2脚、10脚相连接;
单片机U2的49~52脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的3~6脚相连接,单片机U2的1脚、2脚分别与RS-485通信电路中RS-485芯片U5的1脚、4脚相连接,单片机U2的9脚与RS-485通信电路中RS-485芯片U5的2脚、3脚相连接。
具体的,所述的信号隔离电路包括数字隔离芯片U3、U4、电阻R33~R36、电容C34~C37;
数字隔离芯片U3的1脚通过电阻R33接U3的7脚,并与电源电路中电源芯片V1的4脚(3.3-MCU)相连接,数字隔离芯片U3的2脚和8脚相连接后接地GND2,数字隔离芯片U3的9脚和15脚相连接后接地DGND1,数字隔离芯片U3的16脚通过电阻R34与U3的10脚相连接,并与电参数处理电路中电阻R31的一端(VDD2)相连接;
数字隔离芯片U4的1脚通过电阻R35接U4的7脚,并与电参数处理电路中电阻R31的一端(VDD2)相连接,数字隔离芯片U4的2脚和8脚相连接后接地DGND1,数字隔离芯片U4的9脚和15 脚相连接后接地GND2,数字隔离芯片U4的16脚通过电阻R36与U4的10脚相连接,并与电源电路中电源芯片V1的4脚(3.3-MCU)相连接;
电容C34和电容C35并联,其中一个公共端接数字隔离芯片U3的1脚,另一个公共端接地GND2,电容C36和电容C37并联,其中一个公共端接数字隔离芯片U3的16脚,另一个公共端接地DGND1。
具体的,所述的RS-485通信电路包括RS-485芯片U5、电阻R37~R42、双向二极管D4~D6、RS-485通信接口J5;
RS-485芯片U5的2脚、3脚相连接后通过电阻R41接地,RS-485芯片U5的8脚通过电阻R37与RS-485芯片U5的7脚相连接,RS-485芯片U5的5脚通过电阻R40与RS-485芯片U5的6脚相连接,RS-485芯片U5的6脚通过双向二极管D5接地GND2,并通过R39接RS-485通信接口J5的一端,通信接口J5的另一端通过电阻R38与RS-485芯片U5的7脚相连接,电阻R38通过电阻R42与电阻R39相连接,RS-485芯片U5的7脚通过双向二极管D4接地GND2,RS-485芯片U5的7脚通过双向二极管D6与RS-485芯片U5的6脚相连接,U5的8脚与电源电路中电源芯片V1的4脚(3.3-MCU)相连接。
本发明的三相电参数采集模块具有的有益效果是:
1、快速采集每相电的电流有效值、电压有效值、功率因数、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能;
2、快速采集三相电的总的有功功率、无功功率、有功电能、无 功电能;
3、采集到的所有数据可通过RS-485总线进行传输,符合MODBUS通讯协议;
4、兼容三相三线或三相四线等接线方式。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图。
图2是本发明的电源电路图。
图3是本发明的电参数输入电路图。
图4是本发明的电参数处理电路。
图5是本发明的单片机工作电路。
图6是本发明的信号隔离电路。
图7是本发明的RS-485通信电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
图1是本发明总体结构框图。本发明三相电参数快速采集模块包括电源电路、电参数输入电路、电参数处理电路、单片机工作电路、信号隔离电路及RS-485通信电路。电源电路分别与电参数输入电路、电参数处理电路、单片机工作电路、信号隔离电路、RS-485通信电 路相连接;电参数处理电路与电参数输入电路、信号隔离电路依序连接;单片机工作电路与信号隔离电路、RS-485通信电路相连接。
图2是本发明的电源电路图,并请同时参阅图3至图7。J1为24V电源输入接口,J1的24V电源正极输入端接二极管D1的正极,J1的24V电源负极输入端为三相电参数快速采集模块的一个地脚(GND2),该地脚(GND2)与电容C1的负极、电容C2的负极、电源芯片V1的3脚和5脚、二极管D2的正极、电容C3的负极、发光二极管LED1的负极相连接,二极管D1的负极与电容C1的正极、电容C2的正极、电源芯片V1的1脚相连接,电源芯片V1的2脚与二极管D2的负极相连,并通过电感L1与电源芯片V1的4脚、电容C3的正极、电阻R1的一端相连接,R1的另一端与发光二极管LED1的正极相连接,电源芯片V1的4脚为第一组3.3V电源(3.3-MCU)输出端;
电源模块V2的1脚通过电阻R2与电容C2的正极相连,电源模块V2的2脚接地GND2,电源模块V2的3脚为-15V电源输出端,该脚与电容C5的负极和电容C4的一端相连接,电源模块V2的4脚为三相电参数快速采集模块的另一个地脚(AGND1),该地脚与电容C5的正极、电容C4的另一端、电容C6的负极、电容C7的一端相连接,电源模块V2的5脚为+15V电源输出端,该脚与电容C6的正极和电容C7的另一端相连接;
电源芯片V3的1脚和电容C8的正极相连后,与电源模块V2的5脚相连接,电源芯片V3的3脚和5脚相连后,与电源模块V2 的4脚、电容C8的负极、二极管D3的正极、电容C9的负极、发光二极管LED2的负极相连,电源芯片V3的2脚与二极管D3的负极相连,并通过电感L2与电源芯片V3的4脚、电容C9的正极、电阻R3的一端相连接,R3的另一端与发光二极管LED2的正极相连接,电源芯片V3的4脚为第二组3.3V电源(3.3-2)输出端;
电源芯片V1的4脚与单片机工作电路中单片机U2的3脚、13脚、30脚、48脚及仿真器接口J4的1脚相连接,电源芯片V1的4脚与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的1脚及数字隔离芯片U4的16脚相连接,电源芯片V1的4脚与信号隔离电路中电容C34、C35的一端相连接,电源芯片V1的4脚与RS-485通信电路中RS-485芯片U5的8脚及电阻R37的一端相连接。
在一个示例中,电源芯片V1、V3是LM2575-3.3,电源模块V2是输入端和输出端相互隔离的电源模块,在一个示例中为WRD24D15-10W。
图3是本发明的电参数输入电路图,并请同时参阅图4。电流传感器TA的1脚和2脚分别接+15V电源和-15V电源,TA的3脚通过电阻R4接地AGND1,并通过磁珠E1与电阻R5的一端相连接,R5的另一端通过电容C10接地AGND1,并与电参数处理电路的7脚相连接,磁珠E2的一端接地AGND1,另一端与电阻R6的一端相连接,R6的另一端通过电容C11接地AGND1,并与电参数处理电路的8脚相连接;
电流传感器TB的1脚和2脚分别接+15V电源和-15V电源,TB 的3脚通过电阻R7接地AGND1,并通过磁珠E3与电阻R8的一端相连接,R8的另一端通过电容C12接地AGND1,并与电参数处理电路的9脚相连接,磁珠E4的一端接地AGND1,另一端与电阻R9的一端相连接,R9的另一端通过电容C13接地AGND1,并与电参数处理电路的12脚相连接;
电流传感器TC的1脚和2脚分别接+15V电源和-15V电源,TC的3脚通过电阻R10接地AGND1,并通过磁珠E5与电阻R11的一端相连接,R11的另一端通过电容C14接地AGND1,并与电参数处理电路的13脚相连接,磁珠E6的一端接地AGND1,另一端与电阻R12的一端相连接,R12的另一端通过电容C15接地AGND1,并与电参数处理电路的14脚相连接;
电压输入接口J2的一端通过磁珠E7与电阻R13的一端相连接,R13的另一端通过电阻R14与电参数处理电路的23脚相连接,R15和C16并联,两者的一个公共端与电参数处理电路的23脚相连接,另一个公共端接地AGND1,电压输入接口J2的另一端通过磁珠E8接电阻R16的一端,R16的另一端通过电阻R17与电参数处理电路的22脚相连接,R18和C17并联,两者的一个公共端与电参数处理电路的22脚相连接,另一个公共端接地AGND1;
电压输入接口J3的一端通过磁珠E9与电阻R19的一端相连接,R19的另一端通过电阻R20与电参数处理电路的19脚相连接,R21和C18并联,两者的一个公共端与电参数处理电路的19脚相连接,另一个公共端接地AGND1,电压输入接口J3的另一端通过磁珠E10 接电阻R22的一端,R22的另一端与电参数处理电路的18脚相连接,并通过电容C19接地AGND1。
在一个示例中,TA、TB、TC是LA125-P。
图4是本发明的电参数处理电路。电量检测芯片U1的5脚与电容C22的一端和电容C23的正极相连接,电容C22的另一端和电容C23的负极相连接后接地DGND1,电量检测芯片U1的24脚与电容C20的一端和电容C21的正极相连接,电容C20的另一端和电容C21的负极相连接后接地AGND1,电量检测芯片U1的26脚与电容C24的一端和电容C25的正极相连接,电容C24的另一端和电容C25的负极相连接后接地AGND1,电量检测芯片U1的17脚与电容C26的一端和电容C27的正极相连接,电容C26的另一端和电容C27的负极相连接后接地AGND1,电量检测芯片U1的28脚通过电容C28接地AGND1,电量检测芯片U1的27脚通过电容C29接地AGND1,并通过晶振Y1与电量检测芯片U1的28脚相连接,电量检测芯片U1的1脚、10脚、11脚、20脚、6脚均接地DGND1;电量检测芯片U1的26脚通过电阻R30与电源电路中电源芯片V3的4脚(第二组3.3V电源3.3-2)相连接。
电量检测芯片U1的15脚、16脚、21脚、30脚、31脚、40脚、41脚、25脚相连后均接地AGND1,U1的33脚与电阻R23的一端及场效应管Q1的1脚相连接,场效应管Q1的3脚通过电阻R26与发光二极管LED3的正极相连接,LED3的负极接地DGND1,U1的34脚与电阻R24的一端及场效应管Q2的1脚相连接,场效应管Q2 的3脚通过电阻R27与发光二极管LED4的正极相连接,LED4的负极接地DGND1,U1的35脚与电阻R25的一端及场效应管Q3的1脚相连接,场效应管Q3的3脚通过电阻R28与发光二极管LED5的正极相连接,LED5的负极接地DGND1,电阻R23的另一端、电阻R24的另一端、电阻R25的另一端、场效应管Q1的2脚、场效应管Q2的2脚、场效应管Q3的2脚、电容C31的正极、电容C30的一端相连接后通过电阻R31与电源电路中电源芯片V3的4脚(第二组3.3V电源3.3-2)相连接,电容C31的负极、电容C30的另一端相连后接地DGND1,地DGND1通过电阻R29与地AGND1相连接;
同时参阅图6,电量检测芯片U1的3脚、4脚、29脚、32脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U4的5脚、6脚、3脚、4脚相连接,电量检测芯片U1的36脚、37脚、38脚、39脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的5脚、11脚、3脚、4脚相连接13脚、12脚、11脚、14脚相连接。
在一个示例中U1是ADE7878ACPZ。
图5是本发明的单片机工作电路。单片机U2的32脚通过电阻R32与单片机U2的33脚相连接,单片机U2的32脚通过电容C32接地GND2,并与晶振Y2的3脚相连接,晶振Y2的1脚与单片机U2的33脚相连接,并通过电容C33接地GND2,晶振Y2的2脚、4脚接地GND2,单片机U2的22脚、25脚、34脚分别与仿真器接口J4的4脚、2脚、10脚相连接;
单片机U2的49~52脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3 的3~6脚相连接,单片机U2的1脚、2脚分别与RS-485通信电路中RS-485芯片U5的1脚、4脚相连接,单片机U2的9脚与RS-485通信电路中RS-485芯片U5的2脚、3脚相连接。
在一个示例中,U2是MKL25Z128VLH4。
图6是本发明的信号隔离电路。数字隔离芯片U3的1脚通过电阻R33接U3的7脚,并与电源电路中电源芯片V1的4脚(3.3-MCU)相连接,数字隔离芯片U3的2脚和8脚相连接后接地GND2,数字隔离芯片U3的9脚和15脚相连接后接地DGND1,数字隔离芯片U3的16脚通过电阻R34与U3的10脚相连接,并与电参数处理电路中电阻R31的一端(VDD2)相连接;
数字隔离芯片U4的1脚通过电阻R35接U4的7脚,并与电参数处理电路中电阻R31的一端(VDD2)相连接,数字隔离芯片U4的2脚和8脚相连接后接地DGND1,数字隔离芯片U4的9脚和15脚相连接后接地GND2,数字隔离芯片U4的16脚通过电阻R36与U4的10脚相连接,并与电源电路中电源芯片V1的4脚(3.3-MCU)相连接;
电容C34和电容C35并联,其中一个公共端接数字隔离芯片U3的1脚,另一个公共端接地GND2,电容C36和电容C37并联,其中一个公共端接数字隔离芯片U3的16脚,另一个公共端接地DGND1。
在一个示例中,U3、U4是ADUM1401BRWZ。
图7是本发明的RS-485通信电路。RS-485芯片U5的2脚、3 脚相连接后通过电阻R41接地,RS-485芯片U5的8脚通过电阻R37与RS-485芯片U5的7脚相连接,RS-485芯片U5的5脚通过电阻R40与RS-485芯片U5的6脚相连接,RS-485芯片U5的6脚通过双向二极管D5接地GND2,并通过R39接RS-485通信接口J5的一端,通信接口J5的另一端通过电阻R38与RS-485芯片U5的7脚相连接,电阻R38通过电阻R42与电阻R39相连接,RS-485芯片U5的7脚通过双向二极管D4接地GND2,RS-485芯片U5的7脚通过双向二极管D6与RS-485芯片U5的6脚相连接,U5的8脚与电源电路中电源芯片V1的4脚(3.3-MCU)相连接。
在一个示例中,U5是MAX3485ESA,D4~D6是P6KE6.8CA。
本发明的三相电参数采集模块工作过程如下:电源电路为三相电参数采集模块提供各个采集电路工作所需要的电源,分别是±15V电源及两组不共地的3.3V电源。该三相电参数采集模块可同时采集三相电的电流值,各相采集原理一致,以A相采样电路进行说明。电力线由电流传感器TA的监测孔中穿过,TA的3脚为检测电流输出端,其输出电流为电力线电流的1/2000;电阻R4将检测到的电流转换为电压信号;磁珠E1、E2用于滤去线路上的高频干扰;电阻R5、电容C10组成转折频率约为5kHz的抗混叠网络,以提高采样精度;电阻R5和电容C10的公共端(IAP)、电阻R6、电容C11的公共端(IAN)为将A相电流信号输入到电量检测芯片U1。该三相电参数采集模块可同时采集三相电的电压值,各相采集原理一致,以A相电压采用电路进行说明。A相电由电压输入接口J2的一端(VAP_IN) 输入,磁珠E3用于滤去线路上的高频噪声,电阻R13~R15组成采样分压网络,经分压后的交流电由电阻R14、R15的公共端(VAP)输入电量检测芯片U1,C17为旁路电容,滤去高频噪声。电压输入接口J3的一端(VN_IN)为零线电压输入端,磁珠E10、电阻R22、电容C19组成滤波电路,零线经滤波电路滤波后,由电阻R22、电容C19的公共端输入电量检测芯片U1,从而为各相电压提供参考电位。
各相电流、电压信号输入到电参数处理电路,由电量检测芯片U1进行运算,得到各相电的电流有效值、电压有效值、功率因数、有功功率、无功功率,以及三相电总的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能。发光二极管LED3~LED5由电量检测芯片U1的33~35脚控制,可用于现场调试的指示,以及根据用户需要设定闪烁报警。电量检测芯片U1的输入和输出分别为模拟信号和数字信号,因此采用了数字地(DGND1)和模拟地(AGND1)分开的接法,数字地(DGND1)和模拟地(AGND1)最终将通过1个0欧的电阻R29接至一处。电量检测芯片U1的36~39脚为SPI通信脚,需与单片机U2进行通信,从而通过单片机U2对电路检测芯片U1进行配置以及数据读取。但是为了由于电量检测芯片U1的地(DGND1和AGND1)与三相电的零线在同一电位上,因此为了保护单片机U2及后续传输电路,在于单片机U2与电量检测芯片U1之间增加了数字隔离芯片U3、U4,从而实现电量检测芯片U1和单片机U2的通信隔离。
单片机U2将通过SPI通信由电量检测芯片U1获取电参数,并 在内部进行暂存,在用户需要的时候通过RS-485总线将数据传输出去。双向二极管D4~D6用于保护RS485芯片U5不被线路上的过压所损坏,上拉电阻R37、下拉电阻R40保证RS485芯片U5处于总线空闲状态时,防止接收器输出未定义状态。电阻R38、R39为限流电阻,作用是在接收器被击穿后,能够保护总线,防止影响其他芯片的通信。下拉电阻R41保证单片机U2处于上电状态时,RS485芯片U5处于接收状态,防止其输出随机数,破坏总线通信。

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