CN103197136A - 用于空芯互感器的电流表及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于空芯互感器的电流表及其控制方法。其特点是它包括有单片机、电源电路、按键模块，电源电路为单片机和按键模块提供电源，它还包括有采样电路和显示模块；采样电路是将采样的电流经过整流滤波然后输入到单片机的PA1脚，经过A/D转换完成得到数字量；显示模块是使用单排4位一体数码管进行显示。本发明把空芯互感器本身具有体积小、线形好、测量范围宽、质量轻、耗能耗材少、输入阻抗小等优点方便地与电流表相配合使用。使用者可以根据需要，自己修改待测电路绕在互感器线圈上的绕线匝数，仪表自动计算校准，永久保存显示变比，从而大大提高了空芯互感器的应用范围。全波整流放大电路在小安培数电流测量时也比较准确。

Description

用于空芯互感器的电流表及其控制方法

技术领域

本发明属于一种电流表，特别是涉及一种用于空芯互感器的电流表及其控制方法。

背景技术

目前空芯互感器与电流表使用存在很多问题。因为相对于实芯互感器而言，空芯互感器的优缺点：其优点是：空芯互感器本身体积小、线形好、测量范围宽、质量轻、功率小（节能）、耗材少、输入阻抗小。其缺点是：接入电路后，其位置稍微变动其显示的数值就不准了；一旦换用别的形状，互感器磁通的变化会很大，无法跟一个电流表长期配合使用，达不到可实际应用的价值。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可方便地用于空芯互感器绕组变化较大情况，并可准确测定待测电流值的用于空芯互感器的电流表及其控制方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题对用于空芯互感器的电流表所采取的技术方案是：它包括有单片机、电源电路、按键模块，所述的电源电路为所述的单片机和按键模块提供电源，它还包括有采样电路和显示模块；

所述的采样电路为：交流采样电流输入端IN1接第一电阻（R1）和第三电阻（R3）的一端；所述第一电阻（R1）另一端接第二电阻（R2）的一端和两路运算放大器（OP291）的2引脚；所述第三电阻（R3）另一端接所述两路运算放大器（OP291）的5引脚和第四二极管（D4）的负极；所述第二电阻（R2）的另一端接第二二极管（D2）的负极、第三二极管（D3）的负极和第四电阻（R4）以及单片机（ATmega16）的PA1引脚；所述第二二极管（D2）正极接所述两路运算放大器（OP291）的1引脚；所述第三二极管（D3）正极接所述两路运算放大器（OP291）的7引脚；所述第四电阻（R4）另一端接电容（C1）；所述电容（C1）另一端接所述电源电路5V和所述两路运算放大器（OP291）的8引脚；所述两路运算放大器（OP291）的3、4引脚接所述电源电路GND；所述第四二极管（D4）正极接所述电源电路的GND;第五电阻（R5）的一端接所述两路运算放大器（OP291）的8引脚；所述第五电阻（R5）的另一端接所述单片机（ATmega16）的PA1引脚；

所述的显示模块为：数码管（U7）的引脚1、4、5、7分别经过第九、十、十一、十二电阻（R9、R10、R11、R12)连接至所述单片机（ATmega16）的引脚PD4、PD7、PC0、PD2，所述数码管（U7）的2、3、6、8、9、10、11、12引脚分别接至所述单片机（ATmega16）的引脚PD5、PC1、PB1、PB3、PB4、PD6、PD3、PB2。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题对用于空芯互感器的电流表的控制方法所采取的技术方案是：其控制步骤如下：

第一步：仪表上电，程序进行初始化；读校准系数标志位置1；写校准系数标志位置0；调节位选择标志位置0；

第二步：判断读校准系数标志位是否为1；如果为1单片机从eeprom中读出已记忆的校准系数，读出完毕将读校准系数标志位置0，并执行下一步；如果为0，则不读出校准系数，使用当前程序中变量K_J的当前值，并执行下一步。程序整体做了一个全局循环和多个局部循环，返回执行点都是程序初始化以后；

第三步：电流采样；使用单片机A/D采样口PA1，采集仪表外经过空芯互感器变出的电流；

第四步：通过程序计算，如公式1；对采样电流进行运算，并显示出来。显示值即为待测电流值；

I_X=I_C×(0.9×K_J×N)+b=I_S        （1）

式中I_X为显示电流值；I_C为采样电流值；I_S为实际需检测电流；K_J为校准系数；N为互感器变比系数；b为仪表计算误差经验值；（仪表电流采样值为全波整流平均值，根据公式I_有效=0.9×I_平均，需要乘以系数0.9）

第五步：判断按键OK是否按下；如果按下则执行下一步设定模式；如果没有按下则返回继续采样显示；

第六步：进入设定模式；此模式是对校准基准值的输入，可输入带有小数点的数字作为基准值（范围在0.001～9999）；直接进入下一步；

第七步：基准值第一位编辑：屏幕显示数据第一位，通过后续操作可以对其进行改变大小与移位，后续程序如果数据需重新编辑，也是返回该步，重新对数字编辑；

第八步：显示调节；此部分为4位数字依次每位做调整过程中数字显示；在此过程中如果检测到按键按下，则执行以下步骤；

第九步：按键调节判断；如果上、下按键无按下，则显示当前调节的数值，不做改变。如果上键按下执行下一步数位加1；如果下键按下执行下一步数值加1；

第十步：数位移动与数位加1；调节过程中的4个数字合为一个数；数位移动：如果要进行某一位的编辑，则按上键，即可移到此位。数字加1：当屏上显示4个数字的其中1位时，按下键即可对当前数字加1；

第十一步：数值调整；此步为响应按键操作，程序执行运算进行数字改变和显示；

第十二步：判断位移命令是否溢出；即在数位加过程中，4位数字均调节完毕后，再次按上键，则数位加溢出，则执行下一步；如果没有调节完毕，数位加不会溢出，返回继续调节和单个位显示；

第十三步：显示4位基准值；此值即为要要输入程序的基准值；

第十四步：命令键判断；如果没有命令键按下，则一直显示4位系数值；如果OK键按下，则确定基准值，并执行下一步；如果Back键按下，则返回重新设定基准值；

第十五步：校准系数计算；取输入的基准值通过程序计算，由公式1：I_X=I_C×(0.9×K_J×N)+b=I_S，选I_S为基准值，采当前电流I_C，即可计算出K_J校准系数；程序计算完毕执行下一步；

第十六步：写入校准系数；把计算好的校准系数永久记录到eeprom中，执行下一步；

第十七步：读校准系数标志位置1；把读校准系数标志位置1后，程序返回执行时，即可读出当前最新的校准系数，此步执行完毕，返回继续电流的采样显示。

本发明具有的优点和积极效果是：它把空芯互感器本身体积小、线形好、测量范围宽、质量轻、功率小（节能）、耗材少、输入阻抗小；此电流表可以显示实时测量电流大小，可自行输入基准值对表进行校准。使用者可以根据需要，自己修改待测电路绕在互感器线圈上的绕线匝数，仪表自动计算校准，永久保存显示变比,因此互感器电流测量范围很大。解决了空芯互感器很难与电流表相结合使用的问题。大大提高了空芯互感器的应用范围。使用全波整流放大电路，在对小安培数电流测量时也比较准确。另外使用单排4位1体数码管，减小了显示功耗，其6个引脚信号即可完成4位一起显示数字，对单片机I/O口占用大幅减少。单片机可以直接带动显示。不需要增加三极管放大电流给数字仪表给数码管。

附图说明

图1是本发明的有关部分构成示意图；

图2是本发明的采样电路原理图；

图3是本发明的显示模块原理图；

图4是本发明的单片机示意图；

图5是本发明电源模块电路原理图；

图6是本发明按键模块电路原理图；

图7是本发明控制步骤流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本发明包括：按键控制模块、采样电流处理电路、设备电源模块、单片机（此处单片机使用ATmega16芯片）、数据显示模块及其附属电路；仪表外部包括待测电源和空芯互感器及其附属电路等。待测电源通过空芯互感器变出采样电流，单片机取采样电流，通过数据显示模块的数码管进行数据显示；设备电源模块给单片机提供+5V电源；按键控制模块输入基准值，使电流表以准确的数据显示待测电源电流大小。

如图2、4所示，交流采样电流输入端IN1接电阻R1和电阻R3的一端；电阻R1另一端接电阻R2的一端和两路运算放大器OP291的2引脚；电阻R3另一端接两路运算放大器OP291的5引脚和二极管D4的负极；电阻R2的另一端接二极管D2的负极、二极管D3的负极和电阻R4以及单片机ATmega16的PA1引脚；二极管D2正极接两路运算放大器OP291的1引脚；二极管D3正极接两路运算放大器OP291的7引脚；电阻R4另一端接电容C1；电容C1另一端接电源电路5V和两路运算放大器OP291的8引脚；两路运算放大器OP291的3、4引脚接电源电路GND；二极管D4正极接电源电路的GND;电阻R5的一端接两路运算放大器OP291的8引脚；电阻R5的另一端接单片机ATmega16的PA1引脚。

输入信号电压在2.56V以下，输入阻抗1～100K欧。输入经过滤波的电流输入到PA1脚，经过A/D转换完成得到数字量。

如图3、4所示，数码管U7的引脚1、4、5、7分别经过电阻R9、R10、R11、R12连接至单片机ATmega16的引脚PD4、PD7、PC0、PD2，数码管U7的2、3、6、8、9、10、11、12引脚分别接至单片机ATmega16的引脚PD5、PC1、PB1、PB3、PB4、PD6、PD3、PB2。

此模块使用单排4位一体数码管U7进行显示。

如图5所示，小电源转换模块U1的1、2两端接交流电源220V；小电源转换模块U1的3引脚12V输出接二极管D1负极；小电源转换模块U1的4引脚接GND；二极管D1接7805转换电路U2的输入1引脚；7805转换电路U2的输出3引脚接电容C1接和+5V输出；电容C1另一端接GND输出；7805转换电路U2接地2引脚接GND。

采用小型12V电源转换模块，将交流220V变出直流12V，通过转换电路变出+5V。5V主要用于：单片机驱动、数码管显示。

如图6所示，4个按键采用单片机ATmega16芯片的1路A/D采样口PA3拾取信号，通过不同按键按下，拾取到不同电阻R12、13、14、15的电压完成按键输入。

单片机除了使用ATmega16芯片以外，对于具有I/O输出功能、采样功能的单片机也均可使用。

如图7所示，本发明的控制步骤是：

第一步：仪表上电，程序进行初始化；读校准系数标志位置1；写校准系数标志位置0；调节位选择标志位置0；

第二步：判断读校准系数标志位是否为1；如果为1单片机从eeprom中读出已记忆的校准系数，读出完毕将读校准系数标志位置0，并执行下一步；如果为0，则不读出校准系数，使用当前程序中变量KJ的当前值，并执行下一步。程序整体做了一个全局循环和多个局部循环，返回执行点都是程序初始化以后；

第三步：电流采样；使用单片机A/D采样口PA1，采集仪表外经过空芯互感器变出的电流；

第四步：通过程序计算，如公式1；对采样电流进行运算，并显示出来。显示值即为待测电流值；

I_X=I_C×(0.9×K_J×N)+b=I_S        （1）

式中I_X为显示电流值；I_C为采样电流值；I_S为实际需检测电流；K_J为校准系数；N为互感器变比系数；b为仪表计算误差经验值；（仪表电流采样值为全波整流平均值，根据公式I_有效=0.9×I_平均，需要乘以系数0.9）

第五步：判断按键OK是否按下；如果按下则执行下一步设定模式；如果没有按下则返回继续采样显示；

第六步：进入设定模式；此模式是对校准基准值的输入，可输入带有小数点的数字作为基准值（范围在0.001～9999）；直接进入下一步；

第七步：基准值第一位编辑：屏幕显示数据第一位，通过后续操作可以对其进行改变大小与移位，后续程序如果数据需重新编辑，也是返回该步，重新对数字编辑；

第八步：显示调节；此部分为4位数字依次每位做调整过程中数字显示；在此过程中如果检测到按键按下，则执行以下步骤；

第九步：按键调节判断；如果上、下按键无按下，则显示当前调节的数值，不做改变。如果上键按下执行下一步数位加1；如果下键按下执行下一步数值加1；

第十步：数位移动与数位加1；调节过程中的4个数字合为一个数；数位移动：如果要进行某一位的编辑，则按上键，即可移到此位。数字加1：当屏上显示4个数字的其中1位时，按下键即可对当前数字加1；

第十一步：数值调整；此步为响应按键操作，程序执行运算进行数字改变和显示；

第十二步：判断位移命令是否溢出；即在数位加过程中，4位数字均调节完毕后，再次按上键，则数位加溢出，则执行下一步；如果没有调节完毕，数位加不会溢出，返回继续调节和单个位显示；

第十三步：显示4位基准值；此值即为要要输入程序的基准值；

第十四步：命令键判断；如果没有命令键按下，则一直显示4位系数值；如果OK键按下，则确定基准值，并执行下一步；如果Back键按下，则返回重新设定基准值；

第十五步：校准系数计算；取输入的基准值通过程序计算，由公式1：I_X=I_C×(0.9×K_J×N)+b=I_S，选I_S为基准值，采当前电流I_C，即可计算出K_J校准系数；程序计算完毕执行下一步；

第十六步：写入校准系数；把计算好的校准系数永久记录到eeprom中，执行下一步；

第十七步：读校准系数标志位置1；把读校准系数标志位置1后，程序返回执行时，即可读出当前最新的校准系数，此步执行完毕，返回继续电流的采样显示。

Claims (2)

1.一种用于空芯互感器的电流表，它包括有单片机、电源电路、按键模块，所述的电源电路为所述的单片机和按键模块提供电源，其特征是：它还包括有采样电路和显示模块；

所述的采样电路为：交流采样电流输入端IN1接第一电阻（R1）和第三电阻（R3）的一端；所述第一电阻（R1）另一端接第二电阻（R2）的一端和两路运算放大器（OP291）的2引脚；所述第三电阻（R3）另一端接所述两路运算放大器（OP291）的5引脚和第四二极管（D4）的负极；所述第二电阻（R2）的另一端接第二二极管（D2）的负极、第三二极管（D3）的负极和第四电阻（R4）以及单片机（ATmega16）的PA1引脚；所述第二二极管（D2）正极接所述两路运算放大器（OP291）的1引脚；所述第三二极管（D3）正极接所述两路运算放大器（OP291）的7引脚；所述第四电阻（R4）另一端接电容（C1）；所述电容（C1）另一端接所述电源电路5V和所述两路运算放大器（OP291）的8引脚；所述两路运算放大器（OP291）的3、4引脚接所述电源电路GND；所述第四二极管（D4）正极接所述电源电路的GND;第五电阻（R5）的一端接所述两路运算放大器（OP291）的8引脚；所述第五电阻（R5）的另一端接所述单片机（ATmega16）的PA1引脚；

所述的显示模块为：数码管（U7）的引脚1、4、5、7分别经过第九、十、十一、十二电阻（R9、R10、R11、R12)连接至所述单片机（ATmega16）的引脚PD4、PD7、PC0、PD2，所述数码管（U7）的2、3、6、8、9、10、11、12引脚分别接至所述单片机（ATmega16）的引脚PD5、PC1、PB1、PB3、PB4、PD6、PD3、PB2。

2.一种根据权利要求1所述的用于空芯互感器的电流表的控制方法，其特征在于：其控制步骤如下：

第一步：仪表上电，程序进行初始化；读校准系数标志位置1；写校准系数标志位置0；调节位选择标志位置0；

第二步：判断读校准系数标志位是否为1；如果为1单片机从eeprom中读出已记忆的校准系数，读出完毕将读校准系数标志位置0，并执行下一步；如果为0，则不读出校准系数，使用当前程序中变量K_J的当前值，并执行下一步。程序整体做了一个全局循环和多个局部循环，返回执行点都是程序初始化以后；

第三步：电流采样；使用单片机A/D采样口PA1，采集仪表外经过空芯互感器变出的电流；

第四步：通过程序计算，如公式1；对采样电流进行运算，并显示出来。显示值即为待测电流值；

I_X=I_C×(0.9×K_J×N)+b=I_S        （1）

式中I_X为显示电流值；I_C为采样电流值；I_S为实际需检测电流；K_J为校准系数；N为互感器变比系数；b为仪表计算误差经验值；（仪表电流采样值为全波整流平均值，根据公式I_有效=0.9×I_平均，需要乘以系数0.9）

第五步：判断按键OK是否按下；如果按下则执行下一步设定模式；如果没有按下则返回继续采样显示；

第六步：进入设定模式；此模式是对校准基准值的输入，可输入带有小数点的数字作为基准值（范围在0.001～9999）；直接进入下一步；

第七步：基准值第一位编辑：屏幕显示数据第一位，通过后续操作可以对其进行改变大小与移位，后续程序如果数据需重新编辑，也是返回该步，重新对数字编辑；

第八步：显示调节；此部分为4位数字依次每位做调整过程中数字显示；在此过程中如果检测到按键按下，则执行以下步骤；

第九步：按键调节判断；如果上、下按键无按下，则显示当前调节的数值，不做改变。如果上键按下执行下一步数位加1；如果下键按下执行下一步数值加1；

第十步：数位移动与数位加1；调节过程中的4个数字合为一个数；数位移动：如果要进行某一位的编辑，则按上键，即可移到此位。数字加1：当屏上显示4个数字的其中1位时，按下键即可对当前数字加1；

第十一步：数值调整；此步为响应按键操作，程序执行运算进行数字改变和显示；

第十二步：判断位移命令是否溢出；即在数位加过程中，4位数字均调节完毕后，再次按上键，则数位加溢出，则执行下一步；如果没有调节完毕，数位加不会溢出，返回继续调节和单个位显示；

第十三步：显示4位基准值；此值即为要要输入程序的基准值；

第十四步：命令键判断；如果没有命令键按下，则一直显示4位系数值；如果OK键按下，则确定基准值，并执行下一步；如果Back键按下，则返回重新设定基准值；

第十五步：校准系数计算；取输入的基准值通过程序计算，由公式1：I_X=I_C×(0.9×K_J×N)+b=I_S，选I_S为基准值，采当前电流I_C，即可计算出K_J校准系数；程序计算完毕执行下一步；

第十六步：写入校准系数；把计算好的校准系数永久记录到eeprom中，执行下一步；

第十七步：读校准系数标志位置1；把读校准系数标志位置1后，程序返回执行时，即可读出当前最新的校准系数，此步执行完毕，返回继续电流的采样显示。

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