CN109141539A - 一种水下多功能交流电机控制和测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下多功能交流电机控制和测试装置，利用霍尔传感器器件、AD7888芯片以及调理模块，将多路交流有效值转换成交流电压信号，提高了检测精度，简化电路，减少PCB面积，适用于深海，最大深度设计能够到达世界最深点；其中利用低功耗高可靠的单片机，采用光电复合缆进行供电和通讯，实现了对交流电机电压、电流、传感器长期原位实时数据采集，并且单片机将采集到的数据通过一定的计算处理、校验，将各路交流电机电压、电流有效值、传感器长期原位实时数值在触摸屏或者上位机程序上显示且保存。

Description

一种水下多功能交流电机控制和测试装置
技术领域
本发明涉及水下交流电机控制、原位测试领域的装置，尤其适用于全海深的一种高精度多路交流电机控制、检测以及保护，且能够进行水下长期原位实时测试环境参数装置。
背景技术
我国是一个大陆国家，同时也是一个海洋国家。从陆地上矿产资源的储藏总量来看，我国是一个资源比较丰富的国家，但是我国人口基数大，矿产资源的人均拥有量远低于世界人均水平。深海海底蕴藏着丰富的金属矿产、能源、生物资源是极为重要的可接替资源，从提高我国资源人均拥有量和保证我国经济可持续发展原则出发，我国应加快进行深海资源勘探、开发。
传统深海资源勘探的通常是功能单一，实时性差，扩展性差，未能够水下长期原位实时测试，且通常虽然能够被动的接收环境测试数据，但是无法主动对深海传感器或者小型作业装置进行控制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种水下高精度多路交流电机控制、检测及保护，且能够进行水下原位实时测试环境参数的装置的设计方案，以解决水下多路交流电机控制、检测、保护以及水下原位实时测试环境参数的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水下多功能交流电机控制和测试装置，包括：耐压腔体、传感器部分和深海交流电机控制保护电路；
所述深海交流电机控制保护电路设置于所述耐压腔体内，包括：交流电机控制模块和数据采集检测保护模块；
所述数据采集检测保护模块包括依次连接的霍尔器件、调理电路和AD采集器；
所述交流电机控制模块包括单片机，所述单片机连接于所述AD采集器；
所述传感器部分连接于所述深海交流电机控制保护电路。
优选的，所述霍尔器件包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，所述霍尔电压传感器的输入口与交流电机的电压相连接，所述霍尔电流传感器的输入口与所述被检测交流电机的电流端相连接。
优选的，所述单片机的SPI端口与所述AD采集器的输出引脚相连接。
优选的，所述交流电机控制模块还包括继电器和光耦；所述单片机的模拟端口与所述光耦的输入口相连接，所述光耦的输出端口与所述继电器相连接。
优选的，所述数据采集检测保护模块还包括电机断路器，所述电机断路器连接于所述继电器和电源之间。
优选的，当交流电机的电流大于设定的电流，所述单片机的GPIO模拟端口能够输出低电平，使得所述光耦输出低电平，继而所述继电器输出低电平，从而切断所述交流电机的供电电路。
优选的，所述深海交流电机控制保护电路还包括显示模块，所述显示模块包括触摸屏、上位机和数据线，所述触摸屏或所述上位机与所述单片机的通讯接口连接。
优选的，控制方法包括：首先进行系统时间设置，然后判断是否已进行电机参数设置，如果已经设置，再判断是否已经进行外接传感器参数设置，如果已经进行设置，则开启系统控制，系统开始运行，直到完成所有系统控制，并将历史数据保存，系统运行结束。
优选的，所述传感器部分包括CTD、pH、DO、CH4和CO2传感器。
优选的，所述深海交流电机控制保护电路包括多个电源和通信接口。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的水下多功能交流电机控制和测试装置，解决了：
1.实现使用光电复合缆进行供电和通讯，能够水下控制、检测交流电机电压、电流，提高了所检测交流电机电压、电流的精度；
2.实现多路检测并显示在触摸屏或上位机软件，且可以通过触摸屏或上位机软件进行控制交流电机；
3.采用双重保护方法，即保险丝以及反时限保护法；
4.提供多个电源、通信接口，以接入更多的传感器、小型装置等，能够进行水下原位实时环境参数测试，以获取更多勘探区的环境参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的水下多功能交流电机控制和测试装置的基本结构示意图；
图2为本发明实施例提供的水下多功能交流电机控制和测试装置的电路框图；
图3为本发明实施例提供的水下多功能交流电机控制和测试装置的程序框图。
具体实施方式
本方案从改善其功能、增加扩展性以及可用性方面考虑，应选用低成本且具有高稳定性的主控制器，同时选取高精度霍尔传感器以及AD采集芯片，增加采集电学参数的精度，增强线路的可靠性，并提供多种电源以及通信接口，以接入更多的传感器或小型装置，进行水下实时原位测试；另一方面控制程序的功能要更加全面，要能满足不同环境下的测量和控制要求，控制思想要突出智能化，能够判断处理相应的故障情况，当电流超过设定值，可以自动切断电源，起到保护装置作用，从而实现长期连续原位实时自动的水下控制与测量。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的水下多功能交流电机控制和测试装置，包括：耐压腔体、传感器部分和深海交流电机控制保护电路；
深海交流电机控制保护电路设置于耐压腔体内，包括：交流电机控制模块和数据采集检测保护模块，其结构可以参照图1所示；
数据采集检测保护模块包括依次连接的霍尔器件、调理电路和AD采集器块，其结构可以参照图2所示；
交流电机控制模块包括单片机，单片机连接于AD采集器；
传感器部分连接于深海交流电机控制保护电路，用于深海原位检测。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的水下多功能交流电机控制和测试装置，利用霍尔传感器器件、AD采集器以及调理模块，将多路交流有效值转换成交流电压信号，提高了检测精度，简化电路，减少PCB面积，适用于深海，最大深度设计能够到达世界最深点。其中利用低功耗高可靠的单片机，采用光电复合缆进行供电和通讯，实现了对交流电机电压、电流数据、传感器长期原位实时数据采集，并且单片机能够将采集到的数据通过一定的计算处理、校验，将各路交流电机电压、电流有效值、传感器长期原位实时数值在触摸屏或者上位机程序上显示并保存。
具体的，霍尔器件包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，霍尔电压传感器的输入口与交流电机的电压相连接，霍尔电流传感器的输入口与被检测交流电机的电流端相连接；AD采集器的输入引脚分别与八路霍尔电压传感器或电流传感器的输出口相连接。被检测的交流电压接入霍尔电压/电流传感器原边，霍尔电压/电流传感器的副边输出感应交流电压，通过调理模块转换为0-3.3V电压，再由AD采集转换器AD7888送至单片机SPI端口，由单片机程序处理、校验，采用Modbus协议，将单片机处理结果通过RS485/RS232接口传送给触摸屏或上位机软件，在触摸屏或上位机软件显示，且能够保存历史数据，以供科学研究。
作为优选，单片机的SPI端口分别与多个AD采集器的输出引脚相连接。此系统有很强的扩展性：由于本系统数据采集通道只是应用了单片机本身具有的SPI端口，只使用了一个AD采集芯片，所以只能检测八路交流电的电压、电流信号，如果检测更多的交流电机输入，可以引入更多的AD采集器件，以接入更多的交流电机。
在本实施例中，交流电机控制模块还包括继电器和光耦；单片机的模拟端口与光耦的输入口相连接，光耦的输出端口与继电器相连接，其结构可以参照图2所示。控制电路系统体积较小，尤其适合于对体积要求比较严格的场合使用，连接方便，可靠。
具体的，数据采集检测保护模块还包括电机断路器，该电机断路器连接于继电器和电源之间，其结构可以参照图2所示。交流380V输入电压端有保险丝，起到过流保护作用。
为了进一步优化上述的技术方案，当交流电机的电流大于设定的电流，单片机的GPIO模拟端口能够输出低电平，使得光耦输出低电平，继而继电器输出低电平，从而切断交流电机的供电电路，且电流越大，保护动作时间越小，起到反时限过流保护交流电机的作用。
在本实施例中，深海交流电机控制保护电路还包括显示模块，该显示模块包括触摸屏、上位机和数据线，触摸屏或上位机与单片机的通讯接口连接。从而能够在触摸屏或上位机程序上对电机进行控制，且实时更新交流电机电压、电流趋势、数值。
参照图3，本装置的工作流程：首先进行系统时间设置，然后判断是否已进行电机参数设置，如果已经设置，再判断是否已经进行外接传感器参数设置，如果已经进行设置，则开启系统控制，系统开始运行，直到完成所有系统控制，并将历史数据保存于上位机软件或者触摸屏，系统运行结束。
作为优选，传感器部分包括CTD、pH、DO、CH4和CO2传感器，但不仅限于这几种传感器。
为了进一步优化上述的技术方案，深海交流电机控制保护电路部分包括多个电源和通信接口，能够接入更多的传感器或者小型作业装置。
下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：
参照图1，水下高精度多路交流电机控制、检测以及保护装置，包括交流电机、防腐蚀锌块、耐压腔体、电路部分(深海交流电机控制、检测、保护、传感器数据采集电路部分)以及传感器部分，所述的耐压腔体包括耐压壳体以及耐压端盖，最大深度设计能够到达世界最深点，所述的传感器部分包括CTD、pH、DO、CH4、CO2传感器，但不仅限于这几种传感器。
参照图2，水下多路交流电机控制装置电路部分包括控制模块、直流电源转换模块、显示模块和数据采集模块，包括：深海交流电机控制、检测、保护、传感器数据采集、电源转换电路，其特征在于：所述的深海交流电机控制保护电路包括交流电机控制模块、显示模块和数据采集检测保护模块，所述的交流电机控制模块包括单片机、继电器、光耦，所述的显示模块包括触摸屏、上位机、数据线，所述的数据采集检测保护模块包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、AD采集器、调理电路、电机断路器，所述直流电源转换电路为将输入电源转换为24V、5V以及3.3V，以供上述模块使用。
单片机采用STM32F103；
霍尔电压传感器采用SPT204A；
霍尔电流传感器采用ACS712；
AD采集器采用AD7888；
继电器采用RPM42BD；
光耦采用ASSR-1611；
单片机的SPI端口分别与多个AD采集器AD7888的输出引脚相连接；所述的单片机模拟端口与光耦输入口相连接；所述的光耦输出端口与继电器相连接；AD采集器AD7888的输入引脚分别与八路霍尔电压传感器、电流传感器的输出口相连接；所述霍尔电压传感器、电流霍尔传感器输入口与被检测的交流电压、电流端相连接，所述的触摸屏/上位机软件与单片机的通信接口连接；
所述的单片机程序中包括交流电机数据采集处理软件、交流电机控制软件、交流电机保护程序、传感器数据采集以及通讯程序；
被检测的交流电压接入霍尔电压传感器原边，霍尔传感器的副边输出感应交流电压，通过调理模块，将电压调理至0-3.3V，再由AD采集器AD7888送至单片机SPI端口，由计算机程序计算、处理，然后通过通讯端连接的触摸屏或上位机程序显示。
被检测的交流电流接入霍尔传感器原边，由霍尔电流传感器副边输出感应交流电压，通过调理模块，将电压调理至0-3.3V，再由AD采集器AD7888送至单片机的SPI端口，由计算机程序计算、处理，然后通过通讯端连接的触摸屏或上位机程序显示。
检测多路交流电机电压、电流高精度装置基本原理如下：本系统是通过霍尔器件对交流信号进行衰减，然后通过调理模块将衰减的信号的有效值转换成0-3.3V电压信号，再通过AD采集器AD7888输送给单片机的SPI端口，然后单片机通过AD采集器对采集的数据进行计算处理最后将计算的数据显示于触摸屏或上位机软件。图一是一路交流电机输入，如果是多路交流电输入原理图是一样的。利用AD7888可以有效地提高所检测的电压、电流的精度。
当电流大于设定的电流，单片机GPIO模拟端口输出低电平，使得光耦输出低电平，继而继电器输出低电平，从而切断交流电机供电电路，且电流越大，保护动作时间越小，起到反时限过流保护交流电机的作用，另外交流380V输入电压端有保险丝，起到双重保护作用
另外，此系统有很强的扩展性：由于本系统数据采集通道只是应用了单片机本身具有的SPI端口，只使用来了一个AD采集芯片，所以只能检测八路交流电的电压、电流信号，如果检测更多的交流电机输入，可以引入更多的AD采集器件，以接入更多的交流电机；另外系统预留了多个电源和通信接口，能够接入更多的传感器或者小型作业装置。
参照图3，其工作流程如图：
该系统首先是进行系统时间设置，然后判断是否进行电机参数设置，如果已经设置，再判断是否已经进行外接传感器参数设置，如果已经进行设置，则开启系统控制，系统开始运行，直到完成所有系统控制，并将历史数据保存于上位机软件或者触摸屏，系统运行结束。
此外，本系统为了提高所检测的电压、电流信号精度，首先利用霍尔电流传感器ACS712，霍尔电压传感器采用SPT204A，以及相应的调理模块，将交流信号转换成0-3.3V电压信号，再通过12位AD采集器AD7888输送给单片机，既方便单片机对信号的处理，又提高了采集信号的精度。
综上所述，本发明实施例公开了一种水下多功能交流电机控制和测试装置，具有以下有益效果：利用霍尔传感器器件、AD7888芯片以及调理模块，将多路交流有效值转换成交流电压信号，提高了检测精度，简化电路，减少PCB面积，适用于深海，最大深度设计能够到达世界最深点；其中利用低功耗高可靠的单片机，采用光电复合缆进行供电和通讯，实现了对交流电机电压、电流、传感器长期原位实时数据采集，并且单片机将采集到的数据通过一定的计算处理、校验，将各路交流电机电压、电流有效值、传感器长期原位实时数值在触摸屏或者上位机程序上显示且保存。
1.本发明低功耗的主控模块，可靠性高，功耗低，可以扩展多种接口；
2.控制电路系统体积较小，尤其适合于对体积要求比较严格的场合使用，连接方便，可靠；
3.具有多个电源、通信接口，能够进行水下原位实时测试环境参数；
4.易于在各个领域推广使用，尤其是在海洋领域，可以在程序或者接口稍微调整即可满足更多的海洋科学研究。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种水下多功能交流电机控制和测试装置，其特征在于，包括：耐压腔体、传感器部分和深海交流电机控制保护电路；
所述深海交流电机控制保护电路设置于所述耐压腔体内，包括：交流电机控制模块和数据采集检测保护模块；
所述数据采集检测保护模块包括依次连接的霍尔器件、调理电路和AD采集器；
所述交流电机控制模块包括单片机，所述单片机连接于所述AD采集器；
所述传感器部分连接于所述深海交流电机控制保护电路。
2.根据权利要求1所述水下多功能交流电机控制和测试装置，其特征在于，所述霍尔器件包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，所述霍尔电压传感器的输入口与交流电机的电压相连接，所述霍尔电流传感器的输入口与所述被检测交流电机的电流端相连接。
3.根据权利要求1所述水下多功能交流电机控制和测试装置，其特征在于，所述单片机的SPI端口与所述AD采集器的输出引脚相连接。
4.根据权利要求1所述水下多功能交流电机控制和测试装置，其特征在于，所述交流电机控制模块还包括继电器和光耦；所述单片机的模拟端口与所述光耦的输入口相连接，所述光耦的输出端口与所述继电器相连接。
5.根据权利要求4所述水下多功能交流电机控制和测试装置，其特征在于，所述数据采集检测保护模块还包括电机断路器，所述电机断路器连接于所述继电器和电源之间。
6.根据权利要求4所述水下多功能交流电机控制和测试装置，其特征在于，当交流电机的电流大于设定的电流，所述单片机的GPIO模拟端口能够输出低电平，使得所述光耦输出低电平，继而所述继电器输出低电平，从而切断所述交流电机的供电电路。
7.根据权利要求1所述水下多功能交流电机控制和测试装置，其特征在于，所述深海交流电机控制保护电路还包括显示模块，所述显示模块包括触摸屏、上位机和数据线，所述触摸屏或所述上位机与所述单片机的通讯接口连接。
8.根据权利要求1所述水下多功能交流电机控制和测试装置，其特征在于，控制方法包括：首先进行系统时间设置，然后判断是否已进行电机参数设置，如果已经设置，再判断是否已经进行外接传感器参数设置，如果已经进行设置，则开启系统控制，系统开始运行，直到完成所有系统控制，并将历史数据保存，系统运行结束。
9.根据权利要求1所述的水下多功能交流电机控制和测试装置，其特征在于，所述传感器部分包括CTD、pH、DO、CH4和CO2传感器。
10.根据权利要求1所述的水下多功能交流电机控制和测试装置，其特征在于，所述深海交流电机控制保护电路包括多个电源和通信接口。
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