CN110147059A - 一种基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法,包括硬件电路和软件算法处理；硬件电路包括一个限流电阻R1、一个上拉电阻R2、一个二极管D1、一个光耦U1、一个滤波电容C1和一个微控制器(MCU)。本发明提供了一种交流强电开关量信号的采集方法，该方法采用硬件电路和软件算法结合实现，硬件电路少，成本低，软件算法简单，较容易实现；硬件采用光耦隔离，抗干扰能力强，采集可靠稳定，应用广泛，适用于工业上的数据采集系统以及MES系统中的数据接入部分。

Description

一种基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法
技术领域
本发明涉及工控行业的数据采集领域，具体涉及一种基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法。
背景技术
当前，随着工业4.0、中国制造2025等概念的提出，制造业对自动化、智能化生产模式的需求日益增长，数据采集系统作为智能制造的基础和核心子系统有着举足轻重的作用。其中数据采集系统也包括对交流开关量信号的采集，特别是交流强电的开关量信号，目前无论在MES系统中还是在工厂的设备信号数据采集中都应用的比较多。
目前的交流强电(一般指大于等于110V以上)开关量信号一般不能直接采集，都是需要用硬件电路或传感器等转换成弱电信号才能用微控制器采集。一般做法分两步：1、先把交流强电转换成弱电的交流信号，把负半周期的交流信号削去或者把整体交流信号抬高为正电压后再用AD采集电路采集交流信号；2、先把交流强电转成交流弱电，然后整流成直流信号并通过硬件电路整形滤波后再进行采集。这两种方案缺点也非常明显：首选这两种方法需要的硬件电路复杂，成本高；其次第二种方案整流成直流信号再处理，响应速度非常慢(通常周期需要5s以上的开关量信号才能被识别和采集)，只能应用在非常慢速的场合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是一种基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法，需要一个微控制器(MCU)的IO口即可实现信号采集和处理计算，具有实现简单，成本低，运行可靠稳定等优点。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法，包括硬件电路和软件算法处理；硬件电路包括一个限流电阻R1、一个上拉电阻R2、一个二极管D1、一个光耦U1、一个滤波电容C1和一个微控制器(MCU)；
交流强电信号经硬件电路处理后，作为混杂了50Hz工频和有效开关量信号的多频弱电方波信号输入微控制器MCU_IO口，为了此信号中获取有效的开关量信号，做软件滤波处理，采用微控制(MCU)的IO输入捕获功能来捕获脉冲(开关量)边沿信号，并滤波得到有效脉冲(开关)频率，并以此来计数；
软件算法处理的流程如下：
步骤1：设置定时器边沿捕获与TIM时钟分频；
步骤2：启动TIM定时器输入捕获；
步骤3：连续2次捕获上升沿一个脉冲周期；
步骤4：计算脉冲频率frequency；
步骤5：判断脉冲频率frequency是否小于50HZ；frequency小于50HZ则进行下一步，frequency大于50HZ则返回至步骤3；
步骤6：frequency小于50HZ后所得的脉冲计数加1，并返回至步骤3。
作为优选的技术方案，所述电阻主要用于限流，避免光耦的损坏。
作为优选的技术方案，所述二极管的作用是用来钳位光耦输入级反向电压，避免光耦的损坏。
作为优选的技术方案，所述光耦U1把正弦交流信号转换成低压并可供单片机采集的方波信号，同时又通过光电转换的方法把前面的输入端信号和后面的采集端信号隔离开来，提高了抗干扰能力。
作为优选的技术方案，所述上拉电阻R2，光耦转换成的低压方波信号电平取决于上拉电阻R2另一个的VDD电压，方便于和采集的微控制器MCU_IO电平进行匹配。
作为优选的技术方案，所述滤波电容C1起滤波作用。
作为优选的技术方案，所述微控制器(MCU)采集方波信号后，通过算法编程来采集开关量信号。
本发明的有益效果是：
1.提供了一种交流强电开关量信号的采集方法，该方法采用硬件电路和软件算法结合实现，硬件电路少，成本低，软件算法简单，较容易实现。
2.硬件采用光耦隔离，抗干扰能力强，采集可靠稳定，应用广泛，适用于工业上的数据采集系统以及MES系统中的数据接入部分。
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为本发明的硬件电路图；
图2为本发明的软件算法处理的流程图；
图3为本发明的S1开关控制信号图；
图4为本发明的交流强电经过硬件电路后的信号图；
图5为本发明的图3和图4的合并图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本发明是通过以下技术方案来实现的：包括硬件电路和软件算法处理；硬件电路包括一个限流电阻R1、一个上拉电阻R2、一个二极管D1、一个光耦U1、一个滤波电容C1和一个微控制器(MCU)；
交流强电信号经硬件电路处理后，作为混杂了50Hz工频和有效开关量信号的多频弱电方波信号输入微控制器MCU_IO口，为了此信号中获取有效的开关量信号，做软件滤波处理，采用微控制(MCU)的IO输入捕获功能来捕获脉冲(开关量)边沿信号，并滤波得到有效脉冲(开关)频率，并以此来计数；
软件算法处理的流程如下：
步骤1：设置定时器边沿捕获与TIM时钟分频；
步骤2：启动TIM定时器输入捕获；
步骤3：连续2次捕获上升沿一个脉冲周期；
步骤4：计算脉冲频率frequency；
步骤5：判断脉冲频率frequency是否小于50HZ；frequency小于50HZ则进行下一步，frequency大于50HZ则返回至步骤3；
步骤6：frequency小于50HZ后所得的脉冲计数加1，并返回至步骤3。
如图3至图5所示：S1开关的控制信号其开关通断的频率小于50Hz,即周期t0>20ms；S1开关一直闭合时,工频交流强电经过前端硬件处理后，t1为50Hz工频对应的周期20ms；微控制器一直采用定时器捕捉信号，当捕捉到两个连续上升沿的周期t2>t1时，就表示开关S1有一次通断，以此来采集开关量信号。
其中，该电阻主要是用来限流的，因为强电电压高、电流大，如果直接接到光耦上会造成光耦的损坏。
其中，该二极管的作用是用来钳位光耦输入级反向电压，当交流电处于负半周期的时候反向电压非常高，如果没有这个钳位二极管也会击穿光耦，造成损坏。
其中，该光耦主要作用是把正弦交流信号转换成低压并可供单片机采集的方波信号，同时又通过光电转换的方法把前面的输入端信号和后面的采集端信号隔离开来，提高了抗干扰能力。
其中，所述上拉电阻R2，光耦转换成的低压方波信号电平取决于上拉电阻R2另一个的VDD电压，方便于和采集的微控制器MCU_IO电平进行匹配。
其中，所述滤波电容C1起滤波作用。
其中，所述微控制器(MCU)采集方波信号后，通过算法编程来采集开关量信号。
本发明的有益效果是：
1.提供了一种交流强电开关量信号的采集方法，该方法采用硬件电路和软件算法结合实现，硬件电路少，成本低，软件算法简单，较容易实现。
2.硬件采用光耦隔离，抗干扰能力强，采集可靠稳定，应用广泛，适用于工业上的数据采集系统以及MES系统中的数据接入部分。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法，其特征在于：包括硬件电路和软件算法处理；硬件电路包括一个限流电阻R1、一个上拉电阻R2、一个二极管D1、一个光耦U1、一个滤波电容C1和一个微控制器(MCU)；
交流强电信号经硬件电路处理后，作为混杂了50Hz工频和有效开关量信号的多频弱电方波信号输入微控制器MCU_IO口，为了此信号中获取有效的开关量信号，做软件滤波处理，采用微控制(MCU)的IO输入捕获功能来捕获脉冲(开关量)边沿信号，并滤波得到有效脉冲(开关)频率，并以此来计数；
软件算法处理的流程如下：
步骤1：设置定时器边沿捕获与TIM时钟分频；
步骤2：启动TIM定时器输入捕获；
步骤3：连续2次捕获上升沿一个脉冲周期；
步骤4：计算脉冲频率frequency；
步骤5：判断脉冲频率frequency是否小于50HZ；frequency小于50HZ则进行下一步，frequency大于50HZ则返回至步骤3；
步骤6：frequency小于50HZ后所得的脉冲计数加1，并返回至步骤3。
2.根据权利要求1所述的基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法，其特征在于：电阻主要用于限流，避免光耦的损坏。
3.根据权利要求1所述的基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法，其特征在于：二极管的作用是用来钳位光耦输入级反向电压，避免光耦的损坏。
4.根据权利要求1所述的基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法，其特征在于：光耦U1把正弦交流信号转换成低压并可供单片机采集的方波信号，同时又通过光电转换的方法把前面的输入端信号和后面的采集端信号隔离开来，提高了抗干扰能力。
5.根据权利要求1所述的基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法，其特征在于：上拉电阻R2，光耦转换成的低压方波信号电平取决于上拉电阻R2另一个的VDD电压，方便于和采集的微控制器MCU_IO电平进行匹配。
6.根据权利要求1所述的基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法，其特征在于：滤波电容C1起滤波作用。
7.根据权利要求1所述的基于微控制器的交流强电低频开关量信号采集方法，其特征在于：微控制器(MCU)采集方波信号后，通过算法编程来采集开关量信号。
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