CN104569570A

CN104569570A - 一种用电参数传感器及其实现方法

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Publication number: CN104569570A
Application number: CN201510049062.6A
Authority: CN
Inventors: 郭军炎; 杨建国; 易致富
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2015-04-29

Abstract

本发明公开了一种用电参数传感器及其实现方法，其包括：外壳、固定在外壳内的SOC计量芯片，电流采样模块采集电流值，电压采样模块采集电压值，SOC计量芯片对电压值和电流值进行测算得出用电参数，并将用电参数转换成数字信号并通过UART输出接口和单IO输出接口输出；发明将电压、电流采样模块和A/D以及微处理器进行了一体化的整合，形成一个集成化的能够独立使用标准器件，用户不用再关心电气参数的测量原理，可直接从UART口或单IO口调取数据，使用十分方便；由于高度集成，传感器的体积可做成19×13×6mm，能够很方便的嵌入各类电器内部，为智能电器实时准确的提供电气参数。

Description

一种用电参数传感器及其实现方法

技术领域

本发明涉及供电检测设备，尤其涉及一种对电器用电情况实时测量的用电参数传感器及其实现方法。

背景技术

随着物联网及智能、节能产品以及大数据产业的发展，越来越多的数据分析给用户带来了非常多的便利；诸如：温度、湿度、PM2.5 有害气体、二氧化碳、风力风向等等；在检测用电参数方面一直以来都是以计量芯片为核心，用户需要使用自己的微处理器，自己编程，自己校准。由于计量芯片的使用专业性强，仪器设备投入大，造成了开发周期慢、资金投入大、生产成本高等不利因素，严重制约了EMC（合同能源管理）分相能源管理以及利用大数据对电器故障和亚健康分析等行业的发展。

发明内容

本发明是要解决现有技术器件多，开发时间长，测量数据需要专业设备进行校准等上述问题，提出一种将电压、电流采样模块和A/D以及微处理器集成在一起、并且测量数据已经经过校准的用电参数传感器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是设计一种用电参数传感器，其包括：外壳、固定在外壳内的SOC计量芯片、向SOC计量芯片提供基准频率的晶振模块、电流采样模块、电压采样模块、用以送出用电参数的UART输出接口和单IO输出接口、用以向SOC计量芯片提供直流电源的电源管理模块，其中电流采样模块包含锰铜分流器，锰铜分流器串接在用电设备电流回路中，采集到的电流值耦合连接SOC计量芯片；电压采样模块并接在用电设备火线与零线之间，采集到的电压值送SOC计量芯片；SOC计量芯片对电压值和电流值进行测算得出所述用电参数并发送给所述UART输出接口和单IO输出接口。

所述SOC计量芯片包括连接电流采样模块的第一数字放大模块、连接第一数字放大电路的第一模/数转换模块；连接电压采样模块的第二数字放大模块、连接第二数字放大电路的第二模/数转换模块；连接第一模/数转换模块和第二模/数转换模块用于计算和通讯的微处理器，以及UART输出接口和单IO输出接口通讯模块。

所述第一和第二数字放大电路皆采用可编程增益放大器。

所述第一和第二模/数转换模块皆采用Σ-Δ ADC转换器。

所述晶振模块包括晶振、串接在晶振两端的第五电容和第六电容，第五电容和第六电容的连接点接地。

所述电压采样模块包括依次串联在电压输入端与地之间的第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第十电阻，第十电阻两端连接第八电容，第六电阻和第十电阻的连接点接所述SOC计量芯片。

所述电流采样模块包括锰铜分流器，锰铜分流器输入端与地之间串接第八电阻和第三电容，第八电阻和第三电容的连接点接所述计量模块；锰铜分流器输出端与地之间串接第七电阻和第二电容，第七电阻和第二电容的连接点接SOC计量芯片。

本发明还提出一种用电参数传感器的实现方法：通过电压采样模块采集用电设备的电压值，通过电流采样模块采集用电设备的电流值, 将电压值和电流值送至SOC计量芯片，SOC计量芯片内置电能算法和补偿系数对电压值和电流值进行计算得出用电参数，用电参数包括电压、电流等效值、有功功率瞬时值，电压频率、用电量，用电参数最后由UART输出接口和单IO输出接口输出。

所述计量模块包括串联的第一数字放大模块和第一模/数转换模块、串联的第二数字放大模块和第二模/数转换模块、微处理器、通讯模块；用第一数字放大模块放大采集到的电流值，用第一模/数转换模块将放大的电流值转换成数字形的电流值；用第二数字放大模块放大采集到的电压值，用第二模/数转换模块将放大的电压值转换成数字形的电压值；所述微处理器内置电能算法对数字形的电流值和数字形的电压值进行计算得出所述用电参数，由通讯模块将所述用电参数转由UART输出接口和单IO输出接口输出。

与现有技术相比，本发明将电压、电流采样模块和A/D以及微处理器进行了一体化的整合，并使用内置电能算法对输出数据进行了校准，形成一个集成化的能够独立使用的标准器件，用户不用再关心电气参数的测量原理，减少物联网及智能、节能产品的开发周期，减少物联网及智能、节能产品的生产成本，可直接从UART口或单IO口调取数据，电器能耗一目了然，电器如有故障能迅速报警，使用十分方便；由于高度集成，传感器的体积可做成19×13×6mm，能够很方便的嵌入各类电器内部，为物联网及相关设备提供用电器实时准确的参数。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的原理框图；

图2为本发明较佳实施例计量模块的原理框图；

图3为本发明较佳实施例的电路图。

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，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明揭示了一种用电参数传感器，其包括：外壳、固定在外壳内的SOC计量芯片、向SOC计量芯片提供基准频率的晶振模块、电流采样模块、电压采样模块、连接智能设备的用以输送用电参数的UART输出接口和单IO输出接口、用以向SOC计量芯片提供直流电源的电源管理模块，其中电流采样模块包含锰铜分流器，锰铜分流器串接在用电设备电流回路中，采集到的电流值通过用电参数传感器外壳上的电流输入口和电流输出口耦合连接计量模块；电压采样模块并联在用电设备火线与零线之间，采集到的电压值通过用电参数传感器外壳上的电压输入端送SOC计量芯片；SOC计量芯片对电压值和电流值进行测算得出所述用电参数并发送给所述UART输出接口和单IO输出接口。UART输出接口和单IO输出接口将用电参数发到智能设备，用户可通过物联网异地监控用电设备的用电情况。

参看图2示出的计量模块的原理框图，所述SOC计量芯片包括连接电流采样模块的第一数字放大模块PGA、连接第一数字放大电路的第一模/数转换模块ADC；连接电压采样模块的第二数字放大模块PGA、连接第二数字放大电路的第二模/数转换模块ADC；连接第一模/数转换模块和第二模/数转换模块用于计算和通讯的微处理器DSP，以及UART输出接口和单IO输出接口通讯模块。

在较佳实施例中，所述第一和第二数字放大电路PGA皆采用可编程增益放大器。

在较佳实施例中，所述第一和第二模/数转换模块ADC皆采用Σ-Δ ADC转换器。

参看图3示出的较佳实施例的电路图，晶振模块包括晶振XA1、串接在晶振两端的第五电容C5和第六电容C6，第五电容和第六电容的连接点接地。

所述电压采样模块为电阻分压结构，包括依次串联在电压输入端与地之间的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第十电阻R10，第十电阻两端连接第八电容C8，第六电阻和第十电阻的连接点接所述计量模块（U4的V3P脚, V3N脚通过并联的第九电阻R9和第四电容C4接地，V3P和V3N作为第一数字放大模块PGA的两个输入脚）。

所述电流采样模块包括锰铜分流器，锰铜分流器输入端与地之间串接第八电阻R8和第三电容C3，第八电阻和第三电容的连接点接所述计量模块（U4的V1P脚）；锰铜分流器输出端与地之间串接第七电阻R7和第二电容C2，第七电阻和第二电容的连接点接计量模块（U4的V1N脚，V1P和V1N作为第二数字放大模块PGA的两个输入脚），图3中R100为锰铜分流器。

综上所述，在较佳实施例中被测用电设备的电压经过电压输入端和电压采样模块进入第二数字放大模块进行增益放大，此时的电压信号为模拟信号，所以需要经过用第二模/数转换模块将模拟信号转换成数字信号，最后送至微处理器。锰铜分流器串接在被测用电设备的火线里面，电流信号（实际上是一个毫伏级的电压数值）送至第二数字放大模块，经过增益放大后送第二模/数转换模块，转换成数字信号后送微处理器。微处理器用固化在其内部的电能算法以及储存在存储器内的非线性补偿参数对所述电压值和电流值进行运算和补偿，得出用电参数，由通讯模块将用电参数转换成物联网信号再由UART输出接口和单IO输出接口输出到智能设备上，供远端的使用者查看。图3中右侧的Header 6是所述UART端口，通过此端口输出电压、电流等效值、有功功率瞬时值，电压频率及用电量等信息；当Header 6端口的RXD口接地时，TXD口处于主动发送状态，每秒钟发送一次电参数信息。

本发明将电压、电流采样模块和A/D以及微处理器进行了一体化的整合，紧凑的电压、电流采样方案设计，将体积控制在19×13×6mm，基于工业级的SOC芯片设计，将电能参数的准确度控制在了国家0.5S级的标准（远远高于家用电表的2级），与智能电器的通讯方式为UART+单IO。

第一数字放大模块和第一模/数转换模块，第二数字放大模块和第二模/数转换模块形成两路完全独立的Σ-ΔADC以及数字信号处理部分，两路ADC完成电流信号和电压信号的采样，微处理器完成有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、电压有效值、电流有效值及频率计算等计量功能。通过SFR寄存器和中断的方式，可以对微处理器进行校表参数配置和计量参数读取；计量的结果还通过PF/QF引脚输出，也即校表脉冲输出，可以直接接到标准表进行误差对比。femu为EMU单元的时钟，ADC的采样时钟fadc为femu/6。如果femu=5.505024MHz，那么fadc=917KHz。

以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims

1.一种用电参数传感器，其特征在于包括：外壳、固定在外壳内的向SOC计量芯片提供基准频率的晶振模块、提供电流大小的电流采样模块、提供电压高低的电压采样模块、用于计算的SOC计量芯片、输出电气参数的UART输出接口和单IO输出接口、用以向模块提供直流电源的电源管理模块，其中电流采样模块包含锰铜分流器，锰铜分流器串接在用电设备电流回路中，采集到的电流值耦合连接SOC计量芯片；电压采样模块并联在用电设备火线与零线之间，采集到的电压值送SOC计量芯片；SOC计量芯片对电压值和电流值进行运算得出所述用电参数并发送给所述UART输出接口和单IO输出接口。

2.如权利要求1所述的用电参数传感器，其特征在于：所述SOC计量芯片包含电流采样模块的第一数字放大模块、连接第一数字放大电路的第一模/数转换模块；连接电压采样模块的第二数字放大模块、连接第二数字放大电路的第二模/数转换模块；连接第一模/数转换模块和第二模/数转换模块用于计算和通讯的微处理器，以及UART输出接口和单IO输出接口接口。

3.如权利要求2所述的用电参数传感器，其特征在于：所述第一和第二数字放大电路皆采用可编程增益放大器。

4.如权利要求2所述的用电参数传感器，其特征在于：所述第一和第二模/数转换模块皆采用Σ-Δ ADC转换器。

5.如权利要求1所述的用电参数传感器，其特征在于：所述晶振模块包括晶振、串接在晶振两端的第五电容和第六电容，第五电容和第六电容的连接点接地。

6.如权利要求1所述的用电参数传感器，其特征在于：所述电压采样模块包括依次串联在电压输入端与地之间的第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第十电阻，第十电阻两端连接第八电容，第六电阻和第十电阻的连接点接所述SOC计量芯片。

7.如权利要求1所述的用电参数传感器，其特征在于：所述电流采样模块包括锰铜分流器，锰铜分流器输入端与地之间串接第八电阻和第三电容，第八电阻和第三电容的连接点接所述SOC计量芯片；锰铜分流器输出端与地之间串接第七电阻和第二电容，第七电阻和第二电容的连接点接SOC计量芯片。

8.一种用电参数传感器的实现方法，其特征在于：通过电压采样模块采集用电设备的电压值，通过电流采样模块采集用电设备的电流值, 将电压值和电流值送至SOC计量芯片，计量模块内置电能算法和补偿系数对电压值和电流值进行计算得出用电参数，用电参数包括电压、电流等效值、有功功率瞬时值，电压频率、用电量，用电参数最后由UART输出接口和单IO输出接口输出。

9.如权利要求8所述的用电参数传感器的实现方法，其特征在于：所述计量模块包括串联的第一数字放大模块和第一模/数转换模块、串联的第二数字放大模块和第二模/数转换模块、微处理器、通讯模块；用第一数字放大模块放大采集到的电流值，用第一模/数转换模块将放大的电流值转换成数字形的电流值；用第二数字放大模块放大采集到的电压值，用第二模/数转换模块将放大的电压值转换成数字形的电压值；所述微处理器内置电能算法对数字形的电流值和数字形的电压值进行计算得出所述用电参数，由通讯模块将所述用电参数转由UART输出接口和单IO输出接口输出。