CN103869188B - 单相电参数快速采集模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单相电参数快速采集模块，包括电源辅助电路、电参数采集电路、电参数计算电路、单片机工作电路、信号隔离电路及RS485通信隔离电路。电源辅助电路分别与电参数采集电路、电参数计算电路、单片机工作电路、信号隔离电路、RS485通信隔离电路相连接；电参数计算电路与电参数采集电路、信号隔离电路相连接；单片机工作电路与信号隔离电路、RS485通信隔离电路相连接。本发明的优点在于：通过实时采集单相电的电流和电压，能够获得单相电的电流有效值、电压有效值、功率因数、有功功率、无功功率，以及有功电能、无功电能。上述电参数可通过RS485接口向外传输，符合MODBUS通讯协议。

Description

单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，特别涉及一种单相电参数快速采集模块。

背景技术

当今世界正在进行一场能源产业革命，其发展的关键一是发展可再生能源，降低不可再生能源在能源消费中的占比；二是节能减排，在现有的能源基础上进行技术革新，提高能源的利用效率。电能是中国最广泛使用的能源。随着生活水平的提高和国民经济的发展，中国对电能的消耗越来越高，电能的使用效率却越来越低，究其原因，主要是能耗监督管理信息化水平不高，监管手段滞后，行业监管信息不能动态、准确、实时地采集，监管部门无法及时、完整、准确地掌握电力用户的用电信息，从而使主管部门在制定节能管理和宏观调控时缺乏科学有效的依据。只有对电能进行精确采集、计量与实时监控、分析，并对负荷进行管理，才能达到良好的节能减排效果，提高电能的利用效率。

另一方面，电力电子技术的蓬勃发展给电力系统自动化带来了很大的变革，但同时也给电力系统带来许多不稳定因素，致使电能质量日益恶化。由于电网中的自动调压、无功自动补偿装置的正确动作率不高等原因，造成用户端电压不稳定，用电高峰时电压过低，而在用电低谷时电压偏高，电网的频率有时也会受到电网负载过重的影响，而冲击性负载的接入则使得电压闪变的现象时常发生。以上这些现象对电网的安全、稳定运行极为不利，影响电力系统的正常运行，甚至还会对电能质量要求较高的电力用户造成严重的经济损失。若能对重要的电力设施、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。普通居民生活用电、低压商业用电、低压办公用电以及小型机械用电通常以单相电为主。目前市面上已有的单相电参数采集模块多是使用电流互感器采集电流。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

本发明的所要解决的技术问题在于提供一种单相电参数快速采集模块，利用该单相电参数快速采集模块能够实时采集单相电的电流有效值、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，采集到的数据可通过RS485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：一种单相电参数快速采集模块，包括电源辅助电路、电参数采集电路、电参数计算电路、信号隔离电路、单片机工作电路及RS485通信隔离电路，电源辅助电路分别与电参数采集电路、电参数计算电路、单片机工作电路、信号隔离电路、RS485通信隔离电路相连接；电参数计算电路与电参数采集电路、信号隔离电路相连接；单片机工作电路与信号隔离电路、RS485通信隔离电路相连接。

具体的，所述的电源辅助电路包括电源芯片V1、V3、电源模块V2、电感L1、L2、电容C1～C8、电阻R1～R6、发光二极管LED1、LED2、二极管D1～D4、电源输入接口J1、隔离变压器T1；

J1为24V电源输入接口，J1的24V电源正极输入端接双向二极管D1的一端和D2的正极，J1的24V电源负极输入端为单相电参数快速采集模块的一个地（GND2），该脚（GND2）与D1的另一端、电容C1的负极、电源芯片V1的3脚和5脚、二极管D3的正极、电容C2的负极、发光二极管LED1的负极相连接，二极管D2的负极与电容C1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D3的负极相连，并通过电感L1与电源芯片V1的4脚、电容C2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脚为第一组电源（5V-MCU）输出端；

电源模块V2的1脚与电容C1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C3的负极和电容C4的一端相连接，电源模块V2的4脚为单相电参数快速采集模块的第二个地（AGND1），该脚与电容C3的正极、电容C4的另一端、电容C5的负极、电容C6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C5的正极和电容C6的另一端相连接；

电源芯片V3的1脚和电容C7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（AGND1）、电容C7的负极、二极管D4的正极、电容C8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D4的负极相连，并通过电感L2与电源芯片V3的4脚、电容C8的正极、电阻R2的一端相连接，R2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3.3V电源输出端；

隔离变压器T1的1脚通过电阻R3连接电源5V-MCU、2脚与地GND2相连，3脚与电阻R4的一端相连、4脚为单相电参数快速采集模块第三个地（GND3），R4的另一端为第二组电源（5V-485）输出端、；

电源芯片V3的4脚（3.3V）分别与电阻R5的一端和电阻R6的一端相连，电阻R5的另一端为第三组电源（3.3V-ADE）输出端，电阻R6的另一端为第四组电源（3.3V-ADUM）输出端。

具体的，所述的电参数采集电路包括电流传感器TA、电阻R7～R13、电容C9～C12、磁珠E1～E4、电压输入接口J2；

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R7接地AGND1，并通过磁珠E1与电阻R8的一端相连接，R8的另一端通过电容C9接地AGND1，并与电参数计算电路U1的5脚相连接，磁珠E2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C10接地AGND1，并与电参数计算电路U1的6脚相连接；

电压输入接口J2的一端通过磁珠E3与电阻R10的一端相连接，R10的另一端通过电阻R11与电参数计算电路U1的12脚相连接，R12和C11并联，两者的一个公共端与电参数计算电路U1的12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E4接电阻R13的一端，R13的另一端与电参数计算电路U1的11脚相连接，并通过电容C12接地AGND1。

具体的，所述的电参数计算电路包括电量检测芯片U1、电容C13～C22、电阻R14～R17、发光二极管LED3～LED5、晶振Y1；

电量检测芯片U1的3脚与电容C19的正极和电容C20的一端相连接，电容C19的负极和电容C20的另一端相连接后接地DGND1，电量检测芯片U1的4脚接地DGND1，电量检测芯片U1的13脚与电容C15的正极和电容C16的一端相连接，电容C15的负极和电容C16的另一端相连接后接地AGND1，电量检测芯片U1的15脚与电容C17的正极和电容C18的一端相连接，电容C17的负极和电容C18的另一端相连接后接地AGND1，电量检测芯片U1的9脚、10脚、14脚、16脚、29脚接地AGND1，电量检测芯片U1的18脚通过电容C21接地AGND1，电量检测芯片U1的19脚通过电容C22接地AGND1，并通过晶振Y1与电量检测芯片U1的18脚相连接，电量检测芯片U1的17脚与电容C13的正极和电容C14的一端相连接，电容C13的负极的和电容C14的另一端相连接后接地AGND1，电量检测芯片U1的7脚、8脚、17脚接3.3V-ADE电源；

电量检测芯片U1的23脚通过电阻R14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24脚通过电阻R15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20脚通过电阻R16与发光二极管LED5的正极相连接，LED5的负极接地DGND1地DGND1通过电阻R17与地AGND1相连接；

电量检测芯片U1的1脚、2脚、21脚、22脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的3脚、6脚、4脚、5脚相连接，电量检测芯片U1的25脚、26脚、27脚、28脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U2的13脚、11脚、12脚、14脚相连接。

具体的，所述的信号隔离电路包括数字隔离芯片U2、U3、电阻R18～R21；

数字隔离芯片U2的1脚通过电阻R18接U2的7脚，并连接5V-MCU电源，数字隔离芯片U2的2脚和8脚相连接后接地GND2，数字隔离芯片U2的9脚和15脚相连接后接地DGND1，数字隔离芯片U2的16脚通过电阻R19与U2的10脚相连接，并连接3.3V-ADUM电源；

数字隔离芯片U3的1脚通过电阻R20接U3的7脚，并连接3.3V-ADUM电源，数字隔离芯片U3的2脚和8脚相连接后接地DGND1，数字隔离芯片U3的9脚和15脚相连接后接地GND2，数字隔离芯片U3的16脚通过电阻R21与U3的10脚相连接，并连接5V-MCU电源。

具体的，所述的单片机工作电路包括单片机U4、仿真器接口J3、晶振Y2、电阻R22～R29、电容C23～C27、复位按键SW1、PNP型三极管Q1、蜂鸣器BP、发光二极管LED6～LED8；

单片机U4的3脚与仿真器接口J1的4脚、电阻R22的一端、复位按键SW1的一端连接，R22的另一端接电源5V-MCU、复位按键SW1的另一端接地GND2，单片机U4的21脚、45脚、55脚、59脚接地GND2，单片机U4的22脚接电源5V-MCU并通过电容C25接地GND2，单片机U4的44脚接电源5V-MCU并通过电容C24接地GND2，单片机U4的54脚接电源5V-MCU并通过电容C23接地GND2，单片机U4的56脚接仿真器接口J3的1脚，J3的2脚接地、6脚接电源5V-MCU，单片机U4的57脚通过电阻R23与晶振Y2的一端、电阻R25的一端、电容C26的一端相连，单片机U4的58脚通过电阻R24与晶振Y2的另一端、电阻R25的另一端、电容C27的一端相连，电容C26和C27的另一端接地GND2；

单片机U4的33脚通过电阻R29接三极管Q1的B极，Q1的E极接电源5V-MCU，Q1的C极接蜂鸣器BP的正极，BP的负极接地GND2，单片机U4的34脚通过电阻R26与发光二极管LED6的正极相连，LED6的负极接地GND2，单片机U4的35脚通过电阻R27与发光二极管LED7的正极相连，LED7的负极接地GND2，单片机U4的36脚通过电阻R28与发光二极管LED8的正极相连，LED8的负极接地GND2；

单片机U4的17～20脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U2的3脚、6脚、5脚、4脚相连接，单片机U4的29～32脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的11～14脚相连接。

具体的，所述的RS485通信隔离电路包括RS485芯片U5、电阻R30～R42、电容C28、双向二极管D5～D7、光耦OC1～OC3、三极管Q2、Q3、RS485通信接口J4；

RS485芯片U5的1脚通过电阻R33与三极管Q2的B极相连，Q2的C极接地GND3、E极与光耦OC1的2脚相连，OC1的1脚通过电阻R31接电源5V-485、3脚接地GND2、4脚接单片机工作电路U4的14脚并通过电阻R30接电源5V-MCU，RS485芯片U5的2脚、3脚相连接后与光耦OC2的3脚相连，OC2的3脚通过电阻R34接地GND3、4脚接电源5V-485、2脚接单片机工作电路U4的15脚、1脚通过电阻R32接电源5V-MCU，RS485芯片U5的4脚接光耦OC3的4脚，OC3的1脚通过电阻R35接电源5V-MCU、3脚接地GND3、4脚通过电阻R36接电源5V-485、2脚接三极管Q3的E极，Q3的C极接地GND2、B极通过电阻R37接单片机工作电路U4的13脚；

RS485芯片U5的8脚通过电阻R38与RS485芯片U5的7脚相连接，RS485芯片U5的5脚接地GND3，并通过电阻R39与RS485芯片U5的6脚相连，RS485芯片U5的6脚通过双向二极管D6接地GND3，并通过R40接RS485通信接口J4的一端，通信接口J4的另一端通过电阻R41与RS485芯片U5的7脚相连接，电阻R40通过电阻R42与电阻R41相连接，RS485芯片U5的7脚通过双向二极管D5接地GND3，RS485芯片U5的7脚通过双向二极管D7与RS485芯片U5的6脚相连接，U5的8脚接电源5V-485，并通过电容C28接地。

本发明的单相电参数采集模块具有的有益效果是：

1、快速采集单相电的电流有效值、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、采集到的所有数据可通过RS485总线进行传输，符合MODBUS通讯协议。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图。

图2是本发明的电源辅助电路图。

图3是本发明的电参数采集电路图。

图4是本发明的电参数计算电路。

图5是本发明的信号隔离电路。

图6是本发明的单片机工作电路。

图7是本发明的RS485通信隔离电路。

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，本发明的单相电参数采集模块包括电源辅助电路、电参数采集电路、电参数计算电路、信号隔离电路、单片机工作电路及RS485通信隔离电路。电源辅助电路分别与电参数采集电路、电参数计算电路、单片机工作电路、信号隔离电路、RS485通信隔离电路相连接；电参数计算电路与电参数采集电路、信号隔离电路相连接；单片机工作电路与信号隔离电路、RS485通信隔离电路相连接。

图2是本发明的电源辅助电路图。J1为24V电源输入接口，J1的24V电源正极输入端接双向二极管D1的一端和D2的正极，J1的24V电源负极输入端为单相电参数快速采集模块的一个地（GND2），该地（GND2）与D1的另一端、电容C1的负极、电源芯片V1的3脚和5脚、二极管D3的正极、电容C2的负极、发光二极管LED1的负极相连接，二极管D2的负极与电容C1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D3的负极相连，并通过电感L1与电源芯片V1的4脚、电容C2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脚为第一组电源（5V-MCU）输出端。

电源模块V2的1脚与电容C1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C3的负极和电容C4的一端相连接，电源模块V2的4脚为单相电参数快速采集模块的第二个地（AGND1），该脚与电容C3的正极、电容C4的另一端、电容C5的负极、电容C6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C5的正极和电容C6的另一端相连接。

电源芯片V3的1脚和电容C7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（AGND1）、电容C7的负极、二极管D4的正极、电容C8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D4的负极相连，并通过电感L2与电源芯片V3的4脚、电容C8的正极、电阻R2的一端相连接，R2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3.3V电源输出端。

隔离变压器T1的1脚通过电阻R3连接电源5V-MCU、2脚与地GND2相连，3脚与电阻R4的一端相连、4脚为单相电参数快速采集模块第三个地（GND3），R4的另一端为第二组电源（5V-485）输出端。

电源芯片V3的4脚（3.3V）分别与电阻R5的一端和电阻R6的一端相连，电阻R5的另一端为第三组电源（3.3V-ADE）输出端，电阻R6的另一端为第四组电源（3.3V-ADUM）输出端。

在一个示例中，电源芯片V1是LM2575-5、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是本发明的电参数采集电路图。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R7接地AGND1，并通过磁珠E1与电阻R8的一端相连接，R8的另一端通过电容C9接地AGND1，并与电参数计算电路U1的5脚相连接，磁珠E2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C10接地AGND1，并与电参数计算电路U1的6脚相连接。

电压输入接口J2的一端通过磁珠E3与电阻R10的一端相连接，R10的另一端通过电阻R11与电参数计算电路U1的12脚相连接，R12和C11并联，两者的一个公共端与电参数计算电路U1的12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E4接电阻R13的一端，R13的另一端与电参数计算电路U1的11脚相连接，并通过电容C12接地AGND1。

在一个示例中，TA是LA125-P。

图4是本发明的电参数计算电路。电量检测芯片U1的3脚与电容C19的正极和电容C20的一端相连接，电容C19的负极和电容C20的另一端相连接后接地DGND1，电量检测芯片U1的4脚接地DGND1，电量检测芯片U1的13脚与电容C15的正极和电容C16的一端相连接，电容C15的负极和电容C16的另一端相连接后接地AGND1，电量检测芯片U1的15脚与电容C17的正极和电容C18的一端相连接，电容C17的负极和电容C18的另一端相连接后接地AGND1，电量检测芯片U1的9脚、10脚、14脚、16脚、29脚接地AGND1，电量检测芯片U1的18脚通过电容C21接地AGND1，电量检测芯片U1的19脚通过电容C22接地AGND1，并通过晶振Y1与电量检测芯片U1的18脚相连接，电量检测芯片U1的17脚与电容C13的正极和电容C14的一端相连接，电容C13负极的和电容C14的另一端相连接后接地AGND1，电量检测芯片U1的7脚、8脚、17脚接3.3V-ADE电源；。

电量检测芯片U1的23脚通过电阻R14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24脚通过电阻R15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20脚通过电阻R16与发光二极管LED5的正极相连接，LED5的负极接地DGND1地DGND1通过电阻R17与地AGND1相连接。

电量检测芯片U1的1脚、2脚、21脚、22脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的3脚、6脚、4脚、5脚相连接，电量检测芯片U1的25脚、26脚、27脚、28脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U2的13脚、11脚、12脚、14脚相连接。

在一个示例中U1是ADE7953ACPZ。

图5是本发明的信号隔离电路。数字隔离芯片U2的1脚通过电阻R18接U2的7脚，并连接5V-MCU电源，数字隔离芯片U2的2脚和8脚相连接后接地GND2，数字隔离芯片U2的9脚和15脚相连接后接地DGND1，数字隔离芯片U2的16脚通过电阻R19与U2的10脚相连接，并连接3.3V-ADUM电源；

数字隔离芯片U3的1脚通过电阻R20接U3的7脚，并连接3.3V-ADUM电源，数字隔离芯片U3的2脚和8脚相连接后接地DGND1，数字隔离芯片U3的9脚和15脚相连接后接地GND2，数字隔离芯片U3的16脚通过电阻R21与U3的10脚相连接，并连接5V-MCU电源。

在一个示例中，U2、U3是ADUM1401BRWZ。

图6是本发明的单片机工作电路。单片机U4的3脚与仿真器接口J1的4脚、电阻R22的一端、复位按键SW1的一端连接，电阻R22的另一端接电源5V-MCU、复位按键SW1的另一端接地GND2，单片机U4的21脚、45脚、55脚、59脚接地GND2，单片机U4的22脚接电源5V-MCU并通过电容C25接地GND2，单片机U4的44脚接电源5V-MCU并通过电容C24接地GND2，单片机U4的54脚接电源5V-MCU并通过电容C23接地GND2，单片机U4的56脚接仿真器接口J3的1脚，J3的2脚接地、6脚接电源5V-MCU，单片机U4的57脚通过电阻R23与晶振Y2的一端、电阻R25的一端、电容C26的一端相连，单片机U4的58脚通过电阻R24与晶振Y2的另一端、电阻R25的另一端、电容C27的一端相连，电容C26和C27的另一端接地GND2。

单片机U4的33脚通过电阻R29接三极管Q1的B极，Q1的E极接电源5V-MCU，Q1的C极接蜂鸣器BP的正极，BP的负极接地GND2，单片机U4的34脚通过电阻R26与发光二极管LED6的正极相连，LED6的负极接地GND2，单片机U4的35脚通过电阻R27与发光二极管LED7的正极相连，LED7的负极接地GND2，单片机U4的36脚通过电阻R28与发光二极管LED8的正极相连，LED8的负极接地GND2。

单片机U4的17～20脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U2的3脚、6脚、5脚、4脚相连接，单片机U4的29～32脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的11～14脚相连接。

在一个示例中，U4是MC9S08AC60。

图7是本发明的RS485通信隔离电路。RS485芯片U5的1脚通过电阻R33与三极管Q2的B极相连，Q2的C极接地GND3、E极与光耦OC1的2脚相连，OC1的1脚通过电阻R31接电源5V-485、3脚接地GND2、4脚接单片机工作电路U4的14脚并通过电阻R30接电源5V-MCU，RS485芯片U5的2脚、3脚相连接后与光耦OC2的3脚相连，OC2的3脚通过电阻R34接地GND3、4脚接电源5V-485、2脚接单片机工作电路U4的15脚、1脚通过电阻R32接电源5V-MCU，RS485芯片U5的4脚接光耦OC3的4脚，OC3的1脚通过电阻R35接电源5V-MCU、3脚接地GND3、4脚通过电阻R36接电源5V-485、2脚接三极管Q3的E极，Q3的C极接地GND2、B极通过电阻R37接单片机工作电路U4的13脚。

RS485芯片U5的8脚通过电阻R38与RS485芯片U5的7脚相连接，RS485芯片U5的5脚接地GND3，并通过电阻R39与RS485芯片U5的6脚相连，RS485芯片U5的6脚通过双向二极管D6接地GND3，并通过R40接RS485通信接口J4的一端，通信接口J4的另一端通过电阻R41与RS485芯片U5的7脚相连接，电阻R40通过电阻R42与电阻R41相连接，RS485芯片U5的7脚通过双向二极管D5接地GND3，RS485芯片U5的7脚通过双向二极管D7与RS485芯片U5的6脚相连接，U5的8脚接电源5V-485，并通过电容C28接地。

在一个示例中，U5是MAX485ESA，D4～D6是P6KE6.8CA，OC1～OC3是PS2501，Q2和Q3是3906。

本发明的单相电参数采集模块工作过程如下：电源辅助电路为单相电参数快速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电源和两组不共地的5V电源。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R7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R8、电容C9组成转折频率约为5kHz的抗混叠网络，以提高采样精度；电阻R8和电容C9的公共端（IAP）、电阻R9和电容C10的公共端（IAN）将单相电流信号输入到电量检测芯片U1。单相电电压由电压输入接口J2的一端（VP_IN）输入，磁珠E3用于滤去线路上的高频噪声，电阻R10～R12组成采样分压网络，经分压后的交流电由电阻R11、R12的公共端（VP）输入电量检测芯片U1，C11为旁路电容，滤去高频噪声，电压输入接口J2的另一端（VN_IN）为零线电压输入端，磁珠E4、电阻R13、电容C12组成滤波电路，零线经滤波电路滤波后，由电阻R13、电容C12的公共端输入电量检测芯片U1。

电流、电压信号输入到电参数计算电路，由电量检测芯片U1进行计算，得到单相电的电流有效值、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。发光二极管LED3～LED5由电量检测芯片U1的23、24、20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，因此采用了模拟地（AGND1）和数字地（DGND1）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R17接至一处。电量检测芯片U1的25～28脚为SPI通信脚，需与单片机U4进行通信，从而通过单片机U4对电量检测芯片U1进行配置以及数据读取。但是由于电量检测芯片U1的地（DGND1和AGND1）与单相电的零线在同一电位上，因此为了保护单片机U4及后续传输电路，在单片机U4与电量检测芯片U1之间增加了数字隔离芯片U2、U3，从而实现电量检测芯片U1和单片机U4的通信隔离。

单片机U4通过SPI通信从电量检测芯片U1获取电参数，并在内部进行暂存，在用户需要的时候通过RS485总线将数据传输出去。蜂鸣器BP、发光二极管LED6～LED8由单片机U4的33～36脚控制，同样是用于现场调试的指示，以及根据用户需要设定闪烁报警。为了避免RS485总线通信对单片机工作电路的影响，采用光耦隔离的方式进行RS485通信接口的设计，光耦OC1～OC3就是为了实现这一目的，三极管Q2、Q3用于提高光耦的驱动电流以满足高速数据传输，电阻R31、R32、R37对光耦起限流作用，电阻R30、R34、R36为光耦的偏置电阻，通过它们可以设置光耦输出电平的电压范围。双向二极管D5～D7用于保护RS485芯片U5不被线路上的过压损坏，上拉电阻R38、下拉电阻R39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R40、R41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。

Claims (6)

1.一种单相电参数快速采集模块，其特征在于：包括电源辅助电路、电参数采集电路、电参数计算电路、单片机工作电路、信号隔离电路及RS485通信隔离电路，电源辅助电路分别与电参数采集电路、电参数计算电路、单片机工作电路、信号隔离电路、RS485通信隔离电路相连接；电参数计算电路与电参数采集电路、信号隔离电路相连接；单片机工作电路与信号隔离电路、RS485通信隔离电路相连接；所述的电源辅助电路包括电源芯片V1、V3、电源模块V2、电感L1、L2、电容C1～C8、电阻R1～R6、发光二极管LED1、LED2、二极管D1～D4、电源输入接口J1、隔离变压器T1；

J1为24V电源输入接口，J1的24V电源正极输入端接双向二极管D1的一端和二极管D2的正极，J1的24V电源负极输入端为单相电参数快速采集模块的一个地GND2，该地GND2与二极管D1的另一端、电容C1的负极、电源芯片V1的3脚和5脚、二极管D3的正极、电容C2的负极、发光二极管LED1的负极相连接，二极管D2的负极与电容C1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D3的负极相连，并通过电感L1与电源芯片V1的4脚、电容C2的正极、电阻R1的一端相连接，电阻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脚为第一组电源输出端；

电源模块V2的1脚与电容C1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C3的负极和电容C4的一端相连接，电源模块V2的4脚为单相电参数快速采集模块的第二个地AGND1，该地AGND1与电容C3的正极、电容C4的另一端、电容C5的负极、电容C6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C5的正极和电容C6的另一端相连接；

电源芯片V3的1脚和电容C7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AGND1、电容C7的负极、二极管D4的正极、电容C8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D4的负极相连，并通过电感L2与电源芯片V3的4脚、电容C8的正极、电阻R2的一端相连接，R2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3.3V电源输出端；

隔离变压器T1的1脚通过电阻R3连接第一组电源、2脚与地GND2相连，3脚与电阻R4的一端相连、4脚为单相电参数快速采集模块第三个地GND3，R4的另一端为第二组电源输出端；

电源芯片V3的4脚分别与电阻R5的一端和电阻R6的一端相连，电阻R5的另一端为第三组电源输出端，电阻R6的另一端为第四组电源输出端。

2.如权利要求1所述的单相电参数快速采集模块，其特征在于：所述的电参数采集电路包括电流传感器TA、电阻R7～R13、电容C9～C12、磁珠E1～E4、电压输入接口J2；

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R7接地AGND1，并通过磁珠E1与电阻R8的一端相连接，电阻R8的另一端通过电容C9接地AGND1，并与电参数计算电路U1的5脚相连接，磁珠E2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C10接地AGND1，并与电参数计算电路U1的6脚相连接；

电压输入接口J2的一端通过磁珠E3与电阻R10的一端相连接，电阻R10的另一端通过电阻R11与电参数计算电路U1的12脚相连接，电阻R12和电容C11并联，两者的一个公共端与电参数计算电路U1的12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E4接电阻R13的一端，电阻R13的另一端与电参数计算电路U1的11脚相连接，并通过电容C12接地AGND1。

3.如权利要求2所述的单相电参数快速采集模块，其特征在于：所述的电参数计算电路包括电量检测芯片U1、电容C13～C22、电阻R14～R17、发光二极管LED3～LED5、晶振Y1；

电量检测芯片U1的3脚与电容C19的正极和电容C20的一端相连接，电容C19的负极和电容C20的另一端相连接后接地DGND1，电量检测芯片U1的4脚接地DGND1，电量检测芯片U1的13脚与电容C15的正极和电容C16的一端相连接，电容C15的负极和电容C16的另一端相连接后接地AGND1，电量检测芯片U1的15脚与电容C17的正极和电容C18的一端相连接，电容C17的负极和电容C18的另一端相连接后接地AGND1，电量检测芯片U1的9脚、10脚、14脚、16脚、29脚接地AGND1，电量检测芯片U1的18脚通过电容C21接地AGND1，电量检测芯片U1的19脚通过电容C22接地AGND1，并通过晶振Y1与电量检测芯片U1的18脚相连接，电量检测芯片U1的17脚与电容C13的正极和电容C14的一端相连接，电容C13的负极的和电容C14的另一端相连接后接地AGND1，电量检测芯片U1的7脚、8脚、17脚接第三组电源；

电量检测芯片U1的23脚通过电阻R14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24脚通过电阻R15与发光二极管LED4的正极相连接，发光二极管LED4的负极接地DGND1，电量检测芯片U1的20脚通过电阻R16与发光二极管LED5的正极相连接，发光二极管LED5的负极接地DGND1，地DGND1通过电阻R17与地AGND1相连接；

电量检测芯片U1的1脚、2脚、21脚、22脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的3脚、6脚、4脚、5脚相连接，电量检测芯片U1的25脚、26脚、27脚、28脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U2的13脚、11脚、12脚、14脚相连接。

4.如权利要求3所述的单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U2、U3、电阻R18～R21；

数字隔离芯片U2的1脚通过电阻R18接U2的7脚，并连接第一组电源，数字隔离芯片U2的2脚和8脚相连接后接地GND2，数字隔离芯片U2的9脚和15脚相连接后接地DGND1，数字隔离芯片U2的16脚通过电阻R19与数字隔离芯片U2的10脚相连接，并连接第四组电源；

数字隔离芯片U3的1脚通过电阻R20接数字隔离芯片U3的7脚，并连接第四组电源，数字隔离芯片U3的2脚和8脚相连接后接地DGND1，数字隔离芯片U3的9脚和15脚相连接后接地GND2，数字隔离芯片U3的16脚通过电阻R21与U3的10脚相连接，并连接第一组电源。

5.如权利要求4所述的单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U4、仿真器接口J3、晶振Y2、电阻R22～R29、电容C23～C27、复位按键SW1、PNP型三极管Q1、蜂鸣器BP、发光二极管LED6～LED8；

单片机U4的3脚与仿真器接口J1的4脚、电阻R22的一端、复位按键SW1的一端连接，R22的另一端接第一组电源、复位按键SW1的另一端接地GND2，单片机U4的21脚、45脚、55脚、59脚接地GND2，单片机U4的22脚接第一组电源并通过电容C25接地GND2，单片机U4的44脚接第一组电源并通过电容C24接地GND2，单片机U4的54脚接第一组电源并通过电容C23接地GND2，单片机U4的56脚接仿真器接口J3的1脚，仿真器接口J3的2脚接地、6脚接第一组电源，单片机U4的57脚通过电阻R23与晶振Y2的一端、电阻R25的一端、电容C26的一端相连，单片机U4的58脚通过电阻R24与晶振Y2的另一端、电阻R25的另一端、电容C27的一端相连，电容C26和C27的另一端接地GND2；

单片机U4的33脚通过电阻R29接三极管Q1的B极，三极管Q1的E极接第一组电源，三极管Q1的C极接蜂鸣器BP的正极，蜂鸣器BP的负极接地GND2，单片机U4的34脚通过电阻R26与发光二极管LED6的正极相连，发光二极管LED6的负极接地GND2，单片机U4的35脚通过电阻R27与发光二极管LED7的正极相连，发光二极管LED7的负极接地GND2，单片机U4的36脚通过电阻R28与发光二极管LED8的正极相连，发光二极管LED8的负极接地GND2；

单片机U4的17～20脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U2的3脚、6脚、5脚、4脚相连接，单片机U4的29～32脚分别与信号隔离电路中数字隔离芯片U3的11～14脚相连接。

6.如权利要求5所述的单相电参数快速采集模块，其特征在于：所述的RS485通信隔离电路包括RS485芯片U5、电阻R30～R42、电容C28、双向二极管D5～D7、光耦OC1～OC3、三极管Q2、Q3、RS485通信接口J4；

RS485芯片U5的1脚通过电阻R33与三极管Q2的B极相连，三极管Q2的C极接地GND3、E极与光耦OC1的2脚相连，光耦OC1的1脚通过电阻R31接第二组电源、3脚接地GND2、4脚接单片机工作电路U4的14脚并通过电阻R30接第一组电源，RS485芯片U5的2脚、3脚相连接后与光耦OC2的3脚相连，光耦OC2的3脚通过电阻R34接地GND3、4脚接第二组电源、2脚接单片机工作电路U4的15脚、1脚通过电阻R32接第一组电源，RS485芯片U5的4脚接光耦OC3的4脚，光耦OC3的1脚通过电阻R35接第一组电源、3脚接地GND3、4脚通过电阻R36接第二组电源、2脚接三极管Q3的E极，三极管Q3的C极接地GND2、B极通过电阻R37接单片机工作电路U4的13脚；

RS485芯片U5的8脚通过电阻R38与RS485芯片U5的7脚相连接，RS485芯片U5的5脚接地GND3，并通过电阻R39与RS485芯片U5的6脚相连，RS485芯片U5的6脚通过双向二极管D6接地GND3，并通过电阻R40接RS485通信接口J4的一端，通信接口J4的另一端通过电阻R41与RS485芯片U5的7脚相连接，电阻R40通过电阻R42与电阻R41相连接，RS485芯片U5的7脚通过双向二极管D5接地GND3，RS485芯片U5的7脚通过双向二极管D7与RS485芯片U5的6脚相连接，U5的8脚接第二组电源，并通过电容C28接地。