CN108008294A - 一种智能隔离开关及断路器的实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能隔离开关及断路器的实验装置及实验方法，包括，单片机，分别与单片机电连接的电压采集电路、电流采集电路、开关量隔离采集电路、驱动输出电路、启动停止按键电路、多功能旋钮电路、液晶显示器电路和与单片机电连接的扩展静态内存电路和隔离通信电路；开关量隔离采集电路采集开关位置电压信号，经自恢复保险与瞬态保护二极管组成的保护电路后，再经由过限流电阻与滤波电容后输入隔离光耦，保证后部器件不被烧毁；有益效果是，精确测量隔离开关及断路器的分合操作时间，满足铁路沿线电网对隔离开关及断路器分合操作时间的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔离开关断路器实验仪；特别是涉及一种适用于隔离开关操作机构及断路器机构测试、测量及调试的实验装置及实验方法。
背景技术
目前，隔离开关操作机构及断路器操作机构多采用继电控制测试装置，其中采用延时继电器进行分合控制、传统计数器进行操作次数记录，电压表电流表对驱动电压电流进行显示。其功能已经无法满足精确测量、记录、快速调试的功能要求，开发智能隔离开关断路器实验装置亟不可待。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于隔离开关操作机构及断路器操作机构的实验装置及实验方法。
本发明所采用的技术方案是，一种智能隔离开关及断路器的实验装置，包括，单片机，分别与单片机单向连接的电压采集电路、电流采集电路、开关量隔离采集电路、驱动输出电路、启动停止按键电路、多功能旋钮电路、液晶显示器电路；与单片机双向连接的扩展静态内存电路和隔离通信电路。
所述电压采集电路，包括电压采样衰减电路、专用差分运算放大器和精密整流电路；电压信号经衰减后通过专用差分运算放大器进行信号处理后，经过精密整流电路转换为直流信号并输入到单片机AD转换引脚，通过单片机计算获得有效值电压，置内存中待用。
所述电流采集电路包括霍尔电流传感器、可编程放大电路和精密整流电路；所述霍尔传感器获得初始电流信号，经过可编程放大电路再经精密整流电路转换为直流信号并送至单片机AD转换引脚，通过单片机计算得出有效值放入内存中待用。
所述开关量隔离采集电路，包括位置信号输入端子、自恢复保险、保护瞬态二极管、限流电阻、滤波电容、输入隔离光耦和输出滤波电路；开关位置电压信号经自恢复保险与瞬态保护二极管组成的保护电路后，再经由过限流电阻与滤波电容后输入隔离光耦，保证后部器件不被烧毁。
所述单片机的型号是STC15W4K32S4。
智能隔离开关及断路器的实验装置的实验方法，包括步骤：
A.系统启动后单片机对外部扩展静态内存进行检查，状态正常后开始数据初始化；
B.USB通信数据经隔离通信电路信号转换隔离后送至单片机I/O接口电路；
C.外部供电经电压采集电路采集转换后信号送至单片机AD引脚；
D.驱动电流经电流采样电路隔离转换后送至单片机AD引脚；
E.开关位置电压信号经开关量隔离采集电路隔离滤波后送至单片机的I/O接口电路；
F.对外输出驱动信号经驱动输出电路放大后驱动外部线圈；
G.设备控制信号经控制按键电路转换后送至单片机通信引脚；
H.设备设置查看等操作经多功能旋钮转换后送至单片机I/O接口电路；
J.测量数据经液晶显示器与单片机连接并输出显示。
本发明的有益效果是，
1.精确测量分合操作时间，满足铁路沿线电网对隔离开关及断路器分合操作时间的要求。
2.对驱动电压、驱动电流、驱动电流最大值及当前信号位置状态进行测量与实时显示。
3.对驱动电流曲线进行图形化显示并可通过多功能旋钮进行精确查看。
4.测试参数可通过多功能旋钮进行快速调节保存。
5.可设定实验限制条保证发生故障时自动停止确保实验安全。
6.支持USB在线调试可实时查看包括动力驱动电压、电流、分合时间等参数。
附图说明
图1是本发明驱动装置结构总图；
图2是单片机与扩展静态内存电路原理图；
图3是单片机与隔离通信电路原理图；
图4是单片机与电压采集电路原理图；
图5是单片机与电流采集电路原理图；
图6是单片机与开关量隔离采集电路原理图；
图7是单片机与驱动输出电路原理图；
图8是单片机与控制按键电路原理图；
图9是单片机与多功能旋钮电路原理图；
图10是单片机与液晶显示器电路原理图。
图中：
1.外部扩展静态存储器 2.总线锁存器 3.磁耦隔离芯片
4.USB协议转换芯片 5.防静电TVS 6.电压采样衰减电路
7.专用差分运算放大器 8.精密整流电路 9.霍尔电流传感器
10.可编程放大电路 11.精密整流电路 12.位置信号输入端子
13.自恢复保险 14.保护瞬态二极管 15.限流电阻
16.滤波电容 17.输入隔离光耦 18.输出滤波电路
19.输出隔离光耦 20.续流二极管 21.输出继电器
22.输出端子 23.按键输入处理电路
24.多功能旋钮输入处理电路 25.液晶显示屏电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，本发明一种智能隔离开关及断路器的实验装置，包括单片机，分别与单片机电连接的电压采集电路、电流采集电路、开关量隔离采集电路、驱动输出电路、启动停止按键电路、多功能旋钮电路、液晶显示器电路和与单片机双向连接的扩展静态内存电路和隔离通信电路。
如图2所示，扩展静态内存包括外部扩展静态存储器1和总线锁存器2；实验装置通电启动后，单片机通过扩展静态内存电路对内存进行自检，通过总线锁存器对地址进行锁存后写入读取每个内存地址确保正确无误，检测通过后开始调用外部扩展静态内存进行数据初始化，如果检测存在问题即报错显示。
如图3所示，隔离通信电路，包括磁耦隔离芯片3、USB协议转换芯片4和防静电TVS5；实验仪器初始化完成后单片机可经过隔离通信电路与计算机通信，通过后部的USB接口可快速连接计算机USB接口，通过隔离通信电路可完全将计算机USB接口电源地与实验仪内部电源地完全隔离，且不影响快速对内部状态、测量值、电流曲线等数据进行快速读取和设定，防静电TVS可保护USB接口，保证在人体有静电状态下接触后，吸收静电能量保证USB协议转换芯片不被击穿。
如图4所示，电压采集电路包括电压采样衰减电路6、专用差分运算放大器7和精密整流电路8；外部供电经衰减电阻衰减后进入专用差分运算放大器进行信号处理去除差模干扰信号，输出的电压信号经过精密整流电路转换为直流信号，并输入到单片机AD转换引脚进行电压值模数转换，单片机内部对信号进行每周期(50Hz)128点采样，经计算获得真实有效值电压，放入内存中待用。
如图5所示，电流采集电路，包括霍尔电流传感器9、可编程放大电路10和精密整流电路11；驱动电流流经霍尔传感器获得初始电流信号，单片机根据信号幅值判断适合量程，并通过可编程放大电路调整放大倍数，从而获得适当的输出信号赋值以保证信噪比，输出信号经精密整流电路转换为直流信号，并送至单片机AD转换引脚进行模数转换，单片机对电流信号(50Hz)进行每周期128点采样，经计算得出有效值放入内存中待用，并确定下个周期是否调整放大倍数。
如图6所示，开关量隔离采集电路，包括位置信号输入端子12、自恢复保险13、保护瞬态二极管14、限流电阻15、滤波电容16、输入隔离光耦17和输出滤波电路18；外部开关量位置电压信号输入端子接入主板后，经自恢复保险与瞬态保护二极管组成的保护电路后，再经由过限流电阻与滤波电容后输入隔离光耦，当输入位置电压信号幅值超过瞬态二极管保护动作电压后，瞬态二极管击穿短路，同时自恢复保险进行保护切断，保证后部器件不被烧毁，开关量位置电压信号，经由输入隔离光耦隔离后，经由输出滤波电路对信号进行进一步整形，此电路结构可最大程度保证被实验设备出问题时实验设备内部核心器件安全。
如图7所示，驱动输出电路，包括输出隔离光耦19、续流二极管20、输出继电器21和输出端子22；单片机通过驱动输出电路完成对外信号驱动，单片机驱动输出信号经输出滤波电路消抖后，通过输出隔离光耦进行隔离输出，隔离光耦输出的驱动信号驱动继电器完成动作，续流二极管在继电器线圈断开瞬间提供续流功能，保证线圈两端不产生高压损坏其他器件，继电器触点经输出端子引向主板外部。
如图8所示，控制按键电路即按键输入处理电路23，面板按钮信号与单片机连接，面板提供启动、停止、手动分闸、手动合闸4个按键功能，当按键按下按键信号经按键输入处理电路处理后得到平滑的电平信号，再送至单片机处理，单片机内部结合软件消抖程序进行二次消抖，保证信号准确无误。
如图9所示，多功能旋钮即多功能旋钮输入处理电路24，信号输入主板，输入信号包括，多功能旋钮A、B相位信号及内部按键信号，经过多功能旋钮电路滤波后送至单片机I/O接口电路，结合软件处理，可对实验仪分合限制时间、限流值、过载时间及分合次数计数等参数进行调整。通过旋转多功能旋钮，软件生成一个查看坐标线并写入内存映射区同时计算该点的采样时刻与电流值，将数据写入内存等待刷新写入。上述步骤完成后将内存中的显示数据写入到液晶显示器显示，完成通过多功能旋钮进行精确查看功能。停止状态下按下多功能旋钮可进入设定模式，通过多功能旋钮旋转可对选择设定项目再次按下进入设定，设定完成后按下多功能旋钮退出设定并将数据写入到单片机内部EEPROM内进行保存。
如图10所示，液晶显示器即液晶显示屏电路25，实验装置面板上的液晶显示器，通过液晶显示器电路与单片机进行连接，单片机通过控制数据总线及控制引脚完成对液晶显示器的控制，显示内容包括开机显示配置信息、扩展静态内存自检状态、工作模式选择、当前外部供电电压、分合操作时间、分合位置状态、驱动电流最大值及驱动电流曲线，实验模式下通过多功能旋钮旋转可对电流曲线进行精确查看，设定菜单下通过多功能旋钮可对参数进行详细设定。当每次分合操作过程结束后，单片机通过测量得到的最大电流值来确定液晶屏幕Y轴显示比例，通过分合操作限制时间来确定X轴显示比例，比例计算后，读取内存中的数据生成液晶屏幕曲线图形数据。
智能隔离开关及断路器的实验装置的实验方法，包括步骤：
A.系统启动后单片机对外部扩展静态内存进行检查，状态正常后开始数据初始化；
B.USB通信数据经隔离通信电路信号转换隔离后送至单片机I/O接口电路；
C.外部供电经电压采集电路采集转换后信号送至单片机AD引脚；
D.驱动电流经电流采样电路隔离转换后送至单片机AD引脚；
E.开关量信号经开关量隔离采集电路(6)隔离滤波后送至单片机I/O接口电路；；
F.对外输出驱动信号经驱动输出电路放大后驱动外部线圈；
G.设备控制信号经控制按键电路转换后送至单片机通信引脚；
H.设备设置查看等操作经多功能旋钮转换后送至单片机I/O接口电路；；
J.测量数据经液晶显示器与单片机连接并输出显示。
本发明可满足开关及断路器操作时间测量、分合计数、通信控制与参数读取、数据图形化、错误状态检测及报警功能的实验装置。从而达到隔离开关操作机构与断路器操作机构测试所需的功能。
值得指出的是，本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，根据本发明的基本技术构思，也可用基本相同的结构，可以实现本发明的目的，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种智能隔离开关及断路器的实验装置，其特征在于，包括，单片机，分别与单片机电连接的电压采集电路、电流采集电路、开关量隔离采集电路、驱动输出电路、启动停止按键电路、多功能旋钮电路、液晶显示器电路和与单片机电连接的扩展静态内存电路和隔离通信电路。
2.根据权利要求1所述的智能隔离开关及断路器的实验装置，其特征在于，所述电压采集电路包括电压采样衰减电路(6)、专用差分运算放大器(7)和精密整流电路(8)；电压信号经衰减通过专用差分运算放大器进行信号处理后，经过精密整流电路转换为直流信号并输入到单片机AD转换引脚，通过单片机计算获得有效值电压，置内存中待用。
3.根据权利要求1所述的智能隔离开关及断路器的实验装置，其特征在于，所述电流采集电路包括霍尔电流传感器(9)、可编程放大电路(10)和精密整流电路(11)；所述霍尔传感器获得初始电流信号，经过可编程放大电路再经精密整流电路转换为直流信号并送至单片机AD转换引脚，通过单片机计算得出有效值放入内存中待用。
4.根据权利要求1所述的智能隔离开关及断路器的实验装置，其特征在于，所述开关量隔离采集电路，包括位置信号输入端子(12)、自恢复保险(13)、保护瞬态二极管(14)、限流电阻(15)、滤波电容(16)、输入隔离光耦(17)和输出滤波电路(18)；开关位置电压信号经自恢复保险与瞬态保护二极管组成的保护电路后，再经由过限流电阻与滤波电容后输入隔离光耦，保证后部器件不被烧毁。
5.根据权利要求1所述的智能隔离开关及断路器的实验装置，其特征在于，所述单片机的型号是STC15W4K32S4。
6.利用权利要求1所述的智能隔离开关及断路器的实验装置的实验方法，其特征在于，包括步骤：
A.系统启动后单片机对外部扩展静态内存进行检查，状态正常后开始数据初始化；
B.USB通信数据经隔离通信电路信号转换隔离后送至单片机I/O接口电路；
C.外部供电经电压采集电路采集转换后信号送至单片机AD引脚；
D.驱动电流经电流采样电路隔离转换后送至单片机AD引脚；
E.开关位置电压信号经开关量隔离采集电路隔离滤波后送至单片机的I/O接口电路；
F.对外输出驱动信号经驱动输出电路放大后驱动外部线圈；
G.设备控制信号经控制按键电路转换后送至单片机通信引脚；
H.设备设置查看等操作经多功能旋钮转换后送至单片机I/O接口电路；
J.测量数据经液晶显示器与单片机连接并输出显示。
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