CN105739366A - 电学实验用多功能智能电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电学实验用多功能智能电源，即本智能电源的系统电源单元输入端连接外部电源、输出端分别连接界面控制单元、信号发生控制单元和功放单元以提供各单元不同的工作电源，界面控制单元设定不同的工作模式并且输出端连接信号发生控制单元的输入端，信号发生控制单元的输出端连接功放单元的输入端，功放单元的输出端输出实验所需电源，反馈单元采集功放单元的输出信号并且反馈至信号发生控制单元，传感器控制单元采集传感器信号并且上传至界面控制单元。本智能电源具有恒压、恒流的稳定电源输出，电源输出波形根据需要可调，并且可用于传感器的标定，满足了学校教学实验的需要，保证了各类电学实验的顺利进行。

Description

电学实验用多功能智能电源

技术领域

本发明涉及一种电学实验用多功能智能电源。

背景技术

实验电源是学校电学实验中必备的设备，它可以为电学实验提供所需的电源输出，但现有的实验电源只能实现基本的电学实验需求，而无法满足对电源具有一定要求的电学实验，第一不能提供实验要求的恒压、恒流的稳定输出，尤其是无恒流输出，即不能产生恒定不变的电流输出，在很多电学实验中，实验电源必需具有固定的电流输出特性，实验中就可以保证在电流不变的情况下分析电压与电阻的关系；第二电源的输出波形不可调，如在法拉第电磁感应实验过程中，需要电源输出锯齿状波形，传统的实验电源无法实现该功能；第三传统实验电源没有传感器的标定功能，无法对一些使用时间过长的传感器进行校准。因此传统的实验电源已无法满足学校教学的需要，其存在较多缺陷，影响了电学实验的顺利进行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电学实验用多功能智能电源，本电源克服了传统实验电源的缺陷，具有恒压、恒流的稳定电源输出，电源输出波形根据需要可调，并且可用于传感器的标定，满足了学校教学实验的需要，保证了各类电学实验的顺利进行。

为解决上述技术问题，本发明电学实验用多功能智能电源包括系统电源单元、界面控制单元、信号发生控制单元、传感器控制单元、功放单元和反馈控制单元，所述系统电源单元输入端连接外部电源、输出端分别连接所述界面控制单元、信号发生控制单元和功放单元以提供各单元不同的工作电源，所述界面控制单元设定不同的工作模式并且输出端连接所述信号发生控制单元的输入端，所述信号发生控制单元的输出端连接所述功放单元的输入端，所述功放单元的输出端输出实验所需电源，所述反馈单元采集所述功放单元的输出信号并且反馈至所述信号发生控制单元，所述传感器控制单元采集传感器信号并且上传至所述界面控制单元。

进一步，所述系统电源单元包括大功率开关电源模块和电压变换模块，所述大功率开关电源模块的输入端连接外部电源、输出端连接所述电压变换模块的输入端，所述电压变换模块输出不同电压提供各单元的工作电源。

进一步，所述界面控制单元包括第一ARM处理器、蓝牙模块、USB接口模块、传感器接口模块、旋转编码器接口模块、SD卡接口模块、显示接口模块和通讯模块，所述蓝牙模块、USB接口模块、传感器接口模块、旋转编码器接口模块、SD卡接口模块、显示接口模块和通讯模块分别连接所述第一ARM处理器，所述蓝牙模块用于第一ARM处理器与外部设备的无线通讯，所述USB接口模块用于连接USB设备，所述传感器接口模块用于连接所述传感器控制单元，所述旋转编码器接口模块用于连接旋转编码器，所述SD卡接口模块用于连接外部SD卡，所述显示接口模块用于连接外部显示器，所述通讯模块用于连接所述信号发生控制单元。

进一步，所述传感器控制单元包括USBhost控制芯片，所述USBhost控制芯片用于采集外部传感器信号并且上传至所述界面控制单元。

进一步，所述信号发生控制单元包括第二ARM处理器、高精度电压基准模块和信号调理放大模块，所述高精度电压基准模块和信号调理放大模块分别连接所述第二ARM处理器，所述高精度电压基准模块提供所述第二ARM处理器输出电压的基准信号，所述信号调理放大模块对所述第二ARM处理器输出电压进行调理放大后传输至所述功放单元。

进一步，所述功放单元包括大功率放大集成模块、过流保护模块和输出电流采样模块，所述过流保护模块和输出电流采样模块分别连接所述大功率放大集成模块输出端，所述过流保护模块提供所述大功率放大集成模块输出电流的过流保护，所述输出电流采样模块供所述反馈控制单元采集所述功放单元的输出信号。

进一步，所述反馈控制单元包括信号采集模块、输出过流保护处理模块和过流保护继电器控制模块，所述信号采集模块采集所述功放单元的输出电压、电流并且将采集信号传输给所述输出过流保护处理模块，所述输出过流保护处理模块监测所述功放单元的输出电压、电流，如超出设定值发出信号给所述过流保护继电器控制模块和信号发生控制单元，所述信号发生控制单元中断信号输出，所述过流保护继电器控制模块切断外部负载并且报警。

由于本发明电学实验用多功能智能电源采用了上述技术方案，即本智能电源的系统电源单元输入端连接外部电源、输出端分别连接界面控制单元、信号发生控制单元和功放单元以提供各单元不同的工作电源，界面控制单元设定不同的工作模式并且输出端连接信号发生控制单元的输入端，信号发生控制单元的输出端连接功放单元的输入端，功放单元的输出端输出实验所需电源，反馈单元采集功放单元的输出信号并且反馈至信号发生控制单元，传感器控制单元采集传感器信号并且上传至界面控制单元。本电源克服了传统实验电源的缺陷，具有恒压、恒流的稳定电源输出，电源输出波形根据需要可调，并且可用于传感器的标定，满足了学校教学实验的需要，保证了各类电学实验的顺利进行。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明电学实验用多功能智能电源的原理框图；

图2为本智能电源系统电源单元中电压变换模块的电路实现图；

图3为本智能电源界面控制单元第一ARM处理器的引脚示意图；

图4为本智能电源界面控制单元第一ARM处理器的晶振电路图；

图5为本智能电源界面控制单元中蓝牙模块接口电路图；

图6为本智能电源界面控制单元中USB接口模块电路图；

图7为本智能电源界面控制单元中传感器接口模块电路图；

图8为本智能电源界面控制单元中通讯模块接口电路图；

图9为本智能电源界面控制单元中旋转编码器接口模块电路图；

图10为本智能电源界面控制单元中显示接口模块电路图；

图11为本智能电源界面控制单元中SD卡接口模块电路图；

图12为本智能电源传感器控制单元电路实现图；

图13为本智能电源信号发生控制单元第二ARM处理器的引脚示意图；

图14为本智能电源信号发生控制单元第二ARM处理器的晶振电路图；

图15为本智能电源信号发生控制单元高精度电压基准模块的电路实现图；

图16为本智能电源信号发生控制单元信号调理放大模块的电路实现图；

图17为本智能电源功放单元大功率放大集成模块的电路实现图；

图18为本智能电源功放单元过流保护模块的电路实现图；

图19为本智能电源功放单元输出电流采样模块的电路实现图；

图20为本智能电源反馈控制单元信号采集模块的电路实现图；

图21为本智能电源反馈控制单元输出过流保护处理模块的电路实现图；

图22为本智能电源反馈控制单元过流保护继电器控制模块的电路实现图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本发明电学实验用多功能智能电源包括系统电源单元1、界面控制单元2、信号发生控制单元3、传感器控制单元4、功放单元5和反馈控制单元6，所述系统电源单元1输入端连接外部电源、输出端分别连接所述界面控制单元2、信号发生控制单元3和功放单元5以提供各单元不同的工作电源，所述界面控制单元2设定不同的工作模式并且输出端连接所述信号发生控制单元3的输入端，所述信号发生控制单元3的输出端连接所述功放单元5的输入端，所述功放单元5的输出端输出实验所需电源，所述反馈单元6采集所述功放单元5的输出信号并且反馈至所述信号发生控制单元3，所述传感器控制单元4采集传感器信号并且上传至所述界面控制单元2。

优选的，所述系统电源单元包括大功率开关电源模块和电压变换模块，所述大功率开关电源模块的输入端连接外部电源、输出端连接所述电压变换模块的输入端，所述电压变换模块输出不同电压提供各单元的工作电源。

图2为电压变换模块的电路实现图，由LM2596芯片实现±24V及5V电压输出，由HT7833芯片实现3.3V电压输出，由TPS60400芯片实现－5V电压输出。

优选的，所述界面控制单元包括第一ARM处理器、蓝牙模块、USB接口模块、传感器接口模块、旋转编码器接口模块、SD卡接口模块、显示接口模块和通讯模块，所述蓝牙模块、USB接口模块、传感器接口模块、旋转编码器接口模块、SD卡接口模块、显示接口模块和通讯模块分别连接所述第一ARM处理器，所述蓝牙模块用于第一ARM处理器与外部设备的无线通讯，所述USB接口模块用于连接USB设备，所述传感器接口模块用于连接所述传感器控制单元，所述旋转编码器接口模块用于连接旋转编码器，所述SD卡接口模块用于连接外部SD卡，所述显示接口模块用于连接外部显示器，所述通讯模块用于连接所述信号发生控制单元。

图3为第一ARM处理器的引脚示意图，其型号为STM32F103VCT6,这是一片基于ARM指令系统、硬件资源丰富、最高工作频率可到72MHZ的微处理器；图4为第一ARM处理器的晶振电路图；图5为与第一ARM处理器连接的蓝牙模块接口电路图；图6为与第一ARM处理器连接的USB接口模块电路图；图7为与第一ARM处理器连接的传感器接口模块电路图；图8为与第一ARM处理器连接的通讯模块接口电路图；图9为与第一ARM处理器连接的旋转编码器接口模块电路图；图10为与第一ARM处理器连接的显示接口模块电路图；图11为与第一ARM处理器连接的SD卡接口模块电路图。

优选的，如图12所示，所述传感器控制单元包括USBhost控制芯片，其采用CH374T芯片，所述USBhost控制芯片用于采集外部传感器信号并且上传至所述界面控制单元。

优选的，所述信号发生控制单元包括第二ARM处理器、高精度电压基准模块和信号调理放大模块，所述高精度电压基准模块和信号调理放大模块分别连接所述第二ARM处理器，所述高精度电压基准模块提供所述第二ARM处理器输出电压的基准信号，所述信号调理放大模块对所述第二ARM处理器输出电压进行调理放大后传输至所述功放单元。

图13为第二ARM处理器的引脚示意图，其型号与第一ARM处理器相同，图14为第二ARM处理器的晶振电路图；图15为与第二ARM处理器连接的高精度电压基准模块的电路图；图16为与第二ARM处理器连接的信号调理放大模块的电路实现图；第二ARM处理器通过内部高速DAC电路产生各种信号经过信号调理放大模块后送功率单元并最终输出；高精度电压基准模块为DAC和ADC提供电压基准。

优选的，所述功放单元包括大功率放大集成模块、过流保护模块和输出电流采样模块，所述过流保护模块和输出电流采样模块分别连接所述大功率放大集成模块输出端，所述过流保护模块提供所述大功率放大集成模块输出电流的过流保护，所述输出电流采样模块供所述反馈控制单元采集所述功放单元的输出信号。

图17为大功率放大集成模块的电路示意图，其采用型号为OPA541的功放芯片,这是一款高精度高带宽的大功率放大集成电路，最大输出电流可达10A。用来放大信号发生控制单元输出调理后的DAC信号；图18为过流保护模块电路图，其中电阻R45是过流保护自恢复保险丝；图19为输出电流采样模块的电路图，其中电阻R38是输出电流采样电阻。

优选的，所述反馈控制单元包括信号采集模块、输出过流保护处理模块和过流保护继电器控制模块，所述信号采集模块采集所述功放单元的输出电压、电流并且将采集信号传输给所述输出过流保护处理模块，所述输出过流保护处理模块监测所述功放单元的输出电压、电流，如超出设定值发出信号给所述过流保护继电器控制模块和信号发生控制单元，所述信号发生控制单元中断信号输出，所述过流保护继电器控制模块切断外部负载并且报警。

图20为信号采集模块的电路图，通过功放单元的采样电阻测量功放单元输出的电压和电流，反馈给信号发生控制单元；图21为输出过流保护处理模块的电路图，其实时监测功放单元输出的电压和电流，如超过设置值即发出过流保护继电器动作信号并发送中断信号给信号发生控制单元的第二ARM处理器进行处理；图22为过流保护继电器控制模块的电路图，当有过流信号产生时继电器U13动作断开外部输出并产生报警提示音。

本智能电源中系统电源单元将220v市电转化成各单元需要电压提供工作电源，通过界面控制单元选择设置所要输出的信号类型并且将设定参数发送命令至信号发生控制单元，信号发生控制单元通过高精度运算输出对应波形信号到功放单元进行功率放大输出，反馈控制单元实时监测功放单元输出信号的各项参数并反馈给信号发生控制单元，以便信号发生控制单元实时调整信号输出，确保最终输出的信号准确无误；当连接传感器时，传感器控制单元采集传感器数据并上传数据到界面控制单元进行显示，设置、存储和标定等各项操作。

本智能电源在教学实验中主要应用于法拉第电磁感应定律实验，通过设置输出各种波形，通过调整波形的频率及幅度大小为实验提供所需要的电压波形；另外可以标定各类传感器，如pH传感器，标定之后pH传感器在采集数据时更加精确，该传感器所读取的原始数据一般为电压值，比如，pH传感器在测量pH=4的溶液时原始数据为386mv，那么在本智能电源上标记下pH=4的原始数据为386mv，这样就对pH=4进行了标定，同样的方式标定pH=9的原始电压数据，这样就完成了pH传感器的标定，两点确定一直线，pH传感器即可以测量出准确的实验数据。

本智能电源为多功能数字化可编程电源，采用高集成度、高速数字化集成电路实现了大功率可编程信号输出，除了提供传统实验电源的恒压输出功能外，还具备其他多种类型的信号输出，可编辑输出正弦波、三角波、矩形波、梯形波，甚至其他任意波形，特别适用于在一些电学实验中需要这些特殊信号驱动实验设备、电学教具的场合。本智能电源采用了图形化用户界面，输出信号可见，操作简单直观。支持数字化实验室传感器专用接口，可以实现实验数据的采集、显示、存储，在数字化电学实验中可以得到广泛的应用。

本智能电源的基本参数为：

1、输出电压范围±20V，电流±2A；

2、电压、电流输出准确度0.1%FS；

3、3寸TFT液晶显示屏，图形化用户界面；

4、内置2G内存卡，可存储设置参数和保存传感器采集数据；

5、可输出直流、正弦波、三角波、矩形波、梯形等其他可编程的信号，输出频率最高2MHz，失真度小于1%；

6、内置短路、过流多重保护；

7、支持各类数字化实验的传感器标定。

本智能电源的特点为：

1、数字化可编程控制，高精度输出，本智能电源基于高速DA+功放+高速AD反馈来实现可变电压的精准输出，分辨率可达满量程万分之五；

2、具有负电压、恒流输出功能，负电压和恒流输出功能特别适用电学实验中需要负电压和恒流输出的场合；

3、大功率可编程信号输出，大功率可编程信号可以作为信号源驱动外部设备，如输出交流信号驱动电机等；

4、可连接智能终端设备，通过专用软件设定智能电源的输出信号，智能电源配合专用软件可以实现对外部设备进行可编程逻辑控制；

5、直观的图形化界面，简单易用，采用3寸彩色液晶屏显示，输出的信号参数、波形可直观的显示出来，输出信号参数方便调节，简单易用；

6、数字化实验室传感器标定支持，智能电源可接入数字化实验室各类传感器，可以显示并存储传感器数据，充当传感器采集器的作用。

Claims (7)

1.一种电学实验用多功能智能电源，其特征在于：本智能电源包括系统电源单元、界面控制单元、信号发生控制单元、传感器控制单元、功放单元和反馈控制单元，所述系统电源单元输入端连接外部电源、输出端分别连接所述界面控制单元、信号发生控制单元和功放单元以提供各单元不同的工作电源，所述界面控制单元设定不同的工作模式并且输出端连接所述信号发生控制单元的输入端，所述信号发生控制单元的输出端连接所述功放单元的输入端，所述功放单元的输出端输出实验所需电源，所述反馈单元采集所述功放单元的输出信号并且反馈至所述信号发生控制单元，所述传感器控制单元采集传感器信号并且上传至所述界面控制单元。

2.根据权利要求1所述的电学实验用多功能智能电源，其特征在于：所述系统电源单元包括大功率开关电源模块和电压变换模块，所述大功率开关电源模块的输入端连接外部电源、输出端连接所述电压变换模块的输入端，所述电压变换模块输出不同电压提供各单元的工作电源。

3.根据权利要求1所述的电学实验用多功能智能电源，其特征在于：所述界面控制单元包括第一ARM处理器、蓝牙模块、USB接口模块、传感器接口模块、旋转编码器接口模块、SD卡接口模块、显示接口模块和通讯模块，所述蓝牙模块、USB接口模块、传感器接口模块、旋转编码器接口模块、SD卡接口模块、显示接口模块和通讯模块分别连接所述第一ARM处理器，所述蓝牙模块用于第一ARM处理器与外部设备的无线通讯，所述USB接口模块用于连接USB设备，所述传感器接口模块用于连接所述传感器控制单元，所述旋转编码器接口模块用于连接旋转编码器，所述SD卡接口模块用于连接外部SD卡，所述显示接口模块用于连接外部显示器，所述通讯模块用于连接所述信号发生控制单元。

4.根据权利要求1所述的电学实验用多功能智能电源，其特征在于：所述传感器控制单元包括USBhost控制芯片，所述USBhost控制芯片用于采集外部传感器信号并且上传至所述界面控制单元。

5.根据权利要求1所述的电学实验用多功能智能电源，其特征在于：所述信号发生控制单元包括第二ARM处理器、高精度电压基准模块和信号调理放大模块，所述高精度电压基准模块和信号调理放大模块分别连接所述第二ARM处理器，所述高精度电压基准模块提供所述第二ARM处理器输出电压的基准信号，所述信号调理放大模块对所述第二ARM处理器输出电压进行调理放大后传输至所述功放单元。

6.根据权利要求1所述的电学实验用多功能智能电源，其特征在于：所述功放单元包括大功率放大集成模块、过流保护模块和输出电流采样模块，所述过流保护模块和输出电流采样模块分别连接所述大功率放大集成模块输出端，所述过流保护模块提供所述大功率放大集成模块输出电流的过流保护，所述输出电流采样模块供所述反馈控制单元采集所述功放单元的输出信号。

7.根据权利要求1所述的电学实验用多功能智能电源，其特征在于：所述反馈控制单元包括信号采集模块、输出过流保护处理模块和过流保护继电器控制模块，所述信号采集模块采集所述功放单元的输出电压、电流并且将采集信号传输给所述输出过流保护处理模块，所述输出过流保护处理模块监测所述功放单元的输出电压、电流，如超出设定值发出信号给所述过流保护继电器控制模块和信号发生控制单元，所述信号发生控制单元中断信号输出，所述过流保护继电器控制模块切断外部负载并且报警。