CN112271921A - 一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的模块以及方法 - Google Patents

一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的模块以及方法 Download PDF

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Abstract

一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的模块以及方法，该模块包括MCU以及与MCU连接的输入电源保护电路、继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路，所述的输入电源保护电路与电能表提供的12V3W电源相连，输入电源保护电路的输出端与继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路的对应电源输入端相连，所述的继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路的输出端分别与继电器驱动芯片、NB模块的对应供电端相连。本发明能够实现远程即可抄表，同时可以远程拉合闸，成本低，模块是直接接入电能表的，安装简单，低于人体安全电压，消除了模块的安全隐患。

Description

一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的 模块以及方法
技术领域
本发明属于电能表外接远程通讯模块领域，具体涉及一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的模块以及方法。
背景技术
目前市场上存在很多电能表，能提供485总线，同时又能提供12V3W电源。这类型的电能表需要抄表人员到表的安装位置用485总线抄表，需要消耗大量的人工成本，还不支持远程拉合闸，无法单独关闭某个用户的用电。
市场上也有支持继电器跟NB通讯的模块，但是由于输入功率有限，这些模块都是直接由220V提供电源，需要额外的提供220V转12V电源的电路，并且由于使用的是220V的电压，高于人体安全电压，有一定的用电危险。
发明内容
本发明的目的是针对继电器和NB模块供电、以及NB在发送状态且继电器动作时，会超过最大电流的问题，提出一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的模块以及方法。本发明能够实现远程即可抄表，同时可以远程拉合闸，成本低，模块是直接接入电能表的，安装简单，由于是12V供电，低于人体安全电压，消除了模块的安全隐患，只需电能表提供12V、3瓦的电源，即可对12V、9瓦的继电器动作还保证了12V、2.88瓦的NB模块工作。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的系统，它包括MCU以及与MCU连接的输入电源保护电路、继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路，所述的输入电源保护电路与电能表提供的12V3W电源相连，输入电源保护电路的输出端与继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路的对应电源输入端相连，所述的继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路的输出端分别与继电器驱动芯片、NB模块的对应供电端相连。
进一步地，所述输入电源保护电路包括保险丝F1、TBS管D16、电解电容E7和电感L4，所述输入电源保护电路的输入端与电能表提供的12V3W电源相连，记为12V_IN，该电能表的电源连接保险丝F1的一端，所述保险丝F1的另一端连接所述TBS管D16的正极、所述电解电容E7的正极，以及所述电感L4的一端，所述TBS管D16的负极、电解电容E7的负极均接地，所述电感L4另一端作为输入电源保护电路的输出与所述继电器驱动电源电路、NB驱动电源电路的对应电源输入端相连，连接点标记为12V_OUT。
进一步地，所述继电器驱动电源电路包括：瓷片电容C49、C44、C60、C45、电解电容E6、E50、E57、E59、电阻R106、R72、R73、R69、R66、R70、二极管D15、电感L3和电压转换芯片U12，所述MCU的控制引脚连接所述电阻R106，连接点标记为20V_EN，MCU的ADC检测脚分别于所述电阻R66的一端、所述电阻R70的一端、所述瓷片电容C45的一端相连，连接点标记为DC20V_DET，所述12V_OUT分别和所述瓷片电容C49的一端、所述电感L3的一端、电压转换芯片U12的5脚相连；所述电压转换芯片U12的第4脚与所述瓷片电容C44的一端、所述电阻R106的另一端相连；所述瓷片电容C49的另一端与所述瓷片电容C44的另一端共同跟地相连；所述电感L3的另一端分别和所述二极管D15的正极、所述电压转换芯片U12的第1脚相连；所述二极管D15的负极分别于所述电阻R72的一端、所述电容C60的一端、所述电解电容E6的正极、所述电阻R69的一端相连；所述电阻R72分别于所述电阻R73的一端、所述电压转换芯片U12的第三脚相连；所述电阻R69另一端分别和所述电解电容E50的正极、所述电解电容E57的正极、所述电解电容E59的正极、所述电阻R66的一端相连；所述电阻R66与R69的连接点作为继电器驱动电源电路的输出与继电器驱动芯片连接，连接点标记为RELAY_POWER，所述电阻R66的另一端和电阻R70的一端相连，芯片U12的第二脚分别和所述电阻R73的另一端、所述瓷片电容C60的另一端、所述电解电容E6的负极、所述电解电容E50的负极、所述电解电容E57的负极、所述电解电容E59的负极、所述电阻R70的另一脚、以及瓷片电容C45的另一端相连且接地。
进一步地，所述NB驱动电源电路包括：电容C40、C41、C42、C43、C38、C39、电解电容E2、E3、电阻R81、R105、R78、R75、R4、R16、电感L1和电压转换芯片U7，所述输入电源保护电路的输出作为NB驱动电源电路的输入与所述电解电容E2的正极、所述瓷片电容C40、电阻R105、R78一端，以及电压转换芯片U7的对应引脚相连，所述电解电容E2的负极和瓷片电容C40的另一端、所述电阻R81的一端、所述瓷片电容C41的一端、所述瓷片电容C42的一端共同连接到地，所述电阻R81的另一端分别和所述电阻R105的另一端、所述电压转换芯片U7的第三脚相连，所述电阻R78的另一端分别和所述电压转换芯片U7的第三脚、所述瓷片电容C42的另一脚相连；所述电容C41的另一脚与所述电压转换芯片U7的第6脚相连；所述电压转换芯片U7的第一脚与所述电阻R75的一端相连，所述电阻R75的另一端和所述电容C38的一端相连；所述电容C38的另一端分别和所述电压转换芯片U7的第2脚、所述电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端作为NB驱动电源电路的输出给NB模块的电源供电，标记为DC4V2，所述电感L1的另一端和所述电阻R4的一端、所述电解电容E3的正极、所述瓷片电容C39的一端相连；所述电压转换芯片U7的第5脚分别和所述电阻R4的另一端、所述电阻R16的一端相连；所述电阻R16的另一端和所述电解电容E3的负极、所述瓷片电容C39的另一端共同跟地相连；所述电压转换芯片U7的第4脚和所述瓷片电容C43的一端相连；所述瓷片电容C43的另一端和所述电压转换芯片U7的第9脚共同连接到地。
一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的方法，应用以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的系统，该方法能够智能分配所述继电器驱动电源电路与所述NB驱动电源电路的能耗，使得瞬时电流低于输入电源保护电路的允许电流，它包括以下步骤：
第一步：电能表提供的电源Uin即12V_IN端供电时，MCU控制继电器驱动电源电路中电压转换芯片U12的使能端即20V_EN脚为低，使用电源Uin给所述电解电容E50、E57和E59充电，采用下述公式计算理论充电时间t1：
Figure BDA0002756322330000041
第二步、当充电时间t1到达后，MCU控制电压转换芯片U12的使能端即20V_EN脚为高，使用电压转换芯片U12的输出电压给所述电解电容E50、E57和E59充电，充电电压为Uout，采用下述公式计算理论充电时间t2；
Figure BDA0002756322330000042
第三步、在执行第一步和第二步的同时，MCU实时采集继电器驱动电源电路的检测端DC20V_DET的电压，计算继电器驱动电源电路的输出电压即标记点RELAY_POWER的电压；
当时间T满足:T≥(t1+t2)；
或者继电器驱动电源电路的输出电压即标记点RELAY_POWER的电压为97.5％Uout时，给NB模块开机信号，NB模块处于接收状态；
第四步、当NB模块接收到拉合闸的控制指令后，先置继电器准备动作标志，此时，禁止NB模块执行新的发送任务，等待3s；
判断继电器驱动电源电路的输出电压RELAY_POWER是否达到97.5％Uout，如果达到，继电器执行NB模块接收的指令，执行完成后，置继电器标志为空闲；如果不满足，继续判断继电器驱动电源电路的输出电压RELAY_POWER是否达到97.5％Uout，直到继电器置准备动作标志之后的等待时间到达t1+t2，置继电器错误标志，本次不做继电器动作，并上报主站；
第五步、当NB模块需要发送数据时，先判断继继电器标志是否为空闲或者继电器错误，如果是，则允许NB模块发送指令，否则，禁止NB模块执行新的发送任务。
进一步地，NB模块的一帧数据是512个字节，波特率是115200，数据类型是8N1。
本发明的有益效果：
本发明是从电能表的12V端取电压，保证了安装简单，不需要220V转12V的电源模块由降低了成本，供电只有12V保障了用电安全；实现了在12V3W的功率即可同时满足控制12V9W的继电器工作和12V2.88W的NB模块通讯，具有安装简单、成本低，用电安全的特点具有良好的应用前景。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1是本发明的电源保护电路。
图2是本发明的继电器驱动电源电路。
图3是本发明的NB驱动电源电路。
图4是本发明的继电器驱动电源电路中的电解电容充放电参数
图5是本发明的NB驱动电源电路的功耗
图6是本发明的第一次上电的流程图
图7是本发明的继电器控制的流程图
图8是本发明的NB发送流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
本发明提供一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的系统，它包括MCU以及与MCU连接的输入电源保护电路、继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路，所述的输入电源保护电路与电能表提供的12V3W电源相连，输入电源保护电路的输出端与继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路的对应电源输入端相连，所述的继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路的输出端分别与继电器驱动芯片、NB模块的对应供电端相连。
其中，所述输入电源保护电路包括保险丝F1、TBS管D16、电解电容E7和电感L4，所述输入电源保护电路的输入端与电能表提供的12V3W电源相连，记为12V_IN，该电能表的电源连接保险丝F1的一端，所述保险丝F1的另一端连接所述TBS管D16的正极、所述电解电容E7的正极，以及所述电感L4的一端，所述TBS管D16的负极、电解电容E7的负极均接地，所述电感L4另一端作为输入电源保护电路的输出与所述继电器驱动电源电路、NB驱动电源电路的对应电源输入端相连，连接点标记为12V_OUT。
所述继电器驱动电源电路包括：瓷片电容C49、C44、C60、C45、电解电容E6、E50、E57、E59、电阻R106、R72、R73、R69、R66、R70、二极管D15、电感L3和电压转换芯片U12，所述MCU的控制引脚连接所述电阻R106，连接点标记为20V_EN，MCU的ADC检测脚分别于所述电阻R66的一端、所述电阻R70的一端、所述瓷片电容C45的一端相连，连接点标记为DC20V_DET，所述12V_OUT分别和所述瓷片电容C49的一端、所述电感L3的一端、电压转换芯片U12的5脚相连；所述电压转换芯片U12的第4脚与所述瓷片电容C44的一端、所述电阻R106的另一端相连；所述瓷片电容C49的另一端与所述瓷片电容C44的另一端共同跟地相连；所述电感L3的另一端分别和所述二极管D15的正极、所述电压转换芯片U12的第1脚相连；所述二极管D15的负极分别于所述电阻R72的一端、所述电容C60的一端、所述电解电容E6的正极、所述电阻R69的一端相连；所述电阻R72分别于所述电阻R73的一端、所述电压转换芯片U12的第三脚相连；所述电阻R69另一端分别和所述电解电容E50的正极、所述电解电容E57的正极、所述电解电容E59的正极、所述电阻R66的一端相连；所述电阻R66与R69的连接点作为继电器驱动电源电路的输出与继电器驱动芯片连接，连接点标记为RELAY_POWER，所述电阻R66的另一端和电阻R70的一端相连，芯片U12的第二脚分别和所述电阻R73的另一端、所述瓷片电容C60的另一端、所述电解电容E6的负极、所述电解电容E50的负极、所述电解电容E57的负极、所述电解电容E59的负极、所述电阻R70的另一脚、以及瓷片电容C45的另一端相连且接地。
所述NB驱动电源电路包括：电容C40、C41、C42、C43、C38、C39、电解电容E2、E3、电阻R81、R105、R78、R75、R4、R16、电感L1和电压转换芯片U7，所述输入电源保护电路的输出作为NB驱动电源电路的输入与所述电解电容E2的正极、所述瓷片电容C40、电阻R105、R78一端，以及电压转换芯片U7的对应引脚相连，所述电解电容E2的负极和瓷片电容C40的另一端、所述电阻R81的一端、所述瓷片电容C41的一端、所述瓷片电容C42的一端共同连接到地，所述电阻R81的另一端分别和所述电阻R105的另一端、所述电压转换芯片U7的第三脚相连，所述电阻R78的另一端分别和所述电压转换芯片U7的第三脚、所述瓷片电容C42的另一脚相连；所述电容C41的另一脚与所述电压转换芯片U7的第6脚相连；所述电压转换芯片U7的第一脚与所述电阻R75的一端相连，所述电阻R75的另一端和所述电容C38的一端相连；所述电容C38的另一端分别和所述电压转换芯片U7的第2脚、所述电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端作为NB驱动电源电路的输出给NB模块的电源供电，标记为DC4V2，所述电感L1的另一端和所述电阻R4的一端、所述电解电容E3的正极、所述瓷片电容C39的一端相连；所述电压转换芯片U7的第5脚分别和所述电阻R4的另一端、所述电阻R16的一端相连；所述电阻R16的另一端和所述电解电容E3的负极、所述瓷片电容C39的另一端共同跟地相连；所述电压转换芯片U7的第4脚和所述瓷片电容C43的一端相连；所述瓷片电容C43的另一端和所述电压转换芯片U7的第9脚共同连接到地。
实施例一：
如图2中所示充电限流电阻R69是400欧，当12V给电容E50、E57、E59充电。最大充电电流等于12V/400＝0.03A，当用所述12V把电解电容E50、E57、E59充到10V就控制20V_EN为高，使用电压转换芯片U12的输出电压给所述电解电容E50、E57和E59充电，充电电压为Uout即20V，此时最大电流为(20V-10V)/400＝0.025A.电容充电的公式如下：Vt＝V0+(Vmax-V0)*(1-e(-t/RC))，把公式转换成t＝RCIn[(Vmax-V0)/(Vmax-Vt)]，所以电解电容E50、E57、E59从0V充到10V的时间为400*(2200+2200+1000)*10-6*In[(12-0)/(12-10)]＝3.87S。当电解电容E50、E57、E59充电到19.5V时就可以驱动继电器，所以当10V充到19.5V时时间＝400*(2200+2200+1000)*10-6*In[(20-10)/(20-19.5)]＝6.46S，总的充电时间为6.46S+3.87S＝10.33S，充电时间较快，不影响系统的运行。
继电器的型号是12V9W，内阻为16Ω，驱动时间为60MS。当所述RELAY_POWER的电压达到了19.5V时，控制继电器，等控制继电器结束后所述RELAY_POWER点的电压为Vt＝E*exp(-t/(RC))＝19.5V*exp(-60/(16*5400*10-3)＝9.737V，约等于10V，，等电压充到19.5V时最少需要6.46S，所以下次再驱动电压肯定是6.46S后。
如图3所示，NB发送的最大功耗就是240mA，如果在发送时不控制继电器即可保证电流不超过最大值，NB发送一帧最长512个字节，波特率是115200，数据类型是8N1，所以最长发送时间为512*(1/115200)*9＝0.04S，所有驱动继电器前先置继电器准备动作标志，在3S后NB模块肯定发送结束了，并且继电器准备动作标志置起来后不会有新的NB发送任务，所有3S后如果RELAY_POWER点的电压大于19.5V就可以驱动继电器。
如图6是上电初始化的状态，在15S内分两个充电电压给电解电容充电的流程图。
如图7是控制继电器的流程图，因为发送的最长时间是0.04S，所以在发送准备命令3S后肯定不会有数据通过NB通道发送，有效的保证了最大电流没有超过额定电流。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (6)

1.一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的系统，其特征是：它包括MCU以及与MCU连接的输入电源保护电路、继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路，所述的输入电源保护电路与电能表提供的12V3W电源相连，输入电源保护电路的输出端与继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路的对应电源输入端相连，所述的继电器驱动电源电路和NB驱动电源电路的输出端分别与继电器驱动芯片、NB模块的对应供电端相连。
2.根据权利要求1所述的以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的系统，其特征是：所述输入电源保护电路包括保险丝F1、TBS管D16、电解电容E7和电感L4，所述输入电源保护电路的输入端与电能表提供的12V3W电源相连，记为12V_IN，该电能表的电源连接保险丝F1的一端，所述保险丝F1的另一端连接所述TBS管D16的正极、所述电解电容E7的正极，以及所述电感L4的一端，所述TBS管D16的负极、电解电容E7的负极均接地，所述电感L4另一端作为输入电源保护电路的输出与所述继电器驱动电源电路、NB驱动电源电路的对应电源输入端相连，连接点标记为12V_OUT。
3.根据权利要求1所述的以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的系统，其特征是：所述继电器驱动电源电路包括：瓷片电容C49、C44、C60、C45、电解电容E6、E50、E57、E59、电阻R106、R72、R73、R69、R66、R70、二极管D15、电感L3和电压转换芯片U12，所述MCU的控制引脚连接所述电阻R106，连接点标记为20V_EN，MCU的ADC检测脚分别于所述电阻R66的一端、所述电阻R70的一端、所述瓷片电容C45的一端相连，连接点标记为DC20V_DET，所述12V_OUT分别和所述瓷片电容C49的一端、所述电感L3的一端、电压转换芯片U12的5脚相连；所述电压转换芯片U12的第4脚与所述瓷片电容C44的一端、所述电阻R106的另一端相连；所述瓷片电容C49的另一端与所述瓷片电容C44的另一端共同跟地相连；所述电感L3的另一端分别和所述二极管D15的正极、所述电压转换芯片U12的第1脚相连；所述二极管D15的负极分别于所述电阻R72的一端、所述电容C60的一端、所述电解电容E6的正极、所述电阻R69的一端相连；所述电阻R72分别于所述电阻R73的一端、所述电压转换芯片U12的第三脚相连；所述电阻R69另一端分别和所述电解电容E50的正极、所述电解电容E57的正极、所述电解电容E59的正极、所述电阻R66的一端相连；所述电阻R66与R69的连接点作为继电器驱动电源电路的输出与继电器驱动芯片连接，连接点标记为RELAY_POWER，所述电阻R66的另一端和电阻R70的一端相连，芯片U12的第二脚分别和所述电阻R73的另一端、所述瓷片电容C60的另一端、所述电解电容E6的负极、所述电解电容E50的负极、所述电解电容E57的负极、所述电解电容E59的负极、所述电阻R70的另一脚、以及瓷片电容C45的另一端相连且接地。
4.根据权利要求1所述的以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的系统，其特征是：所述NB驱动电源电路包括：电容C40、C41、C42、C43、C38、C39、电解电容E2、E3、电阻R81、R105、R78、R75、R4、R16、电感L1和电压转换芯片U7，所述输入电源保护电路的输出作为NB驱动电源电路的输入与所述电解电容E2的正极、所述瓷片电容C40、电阻R105、R78一端，以及电压转换芯片U7的对应引脚相连，所述电解电容E2的负极和瓷片电容C40的另一端、所述电阻R81的一端、所述瓷片电容C41的一端、所述瓷片电容C42的一端共同连接到地，所述电阻R81的另一端分别和所述电阻R105的另一端、所述电压转换芯片U7的第三脚相连，所述电阻R78的另一端分别和所述电压转换芯片U7的第三脚、所述瓷片电容C42的另一脚相连；所述电容C41的另一脚与所述电压转换芯片U7的第6脚相连；所述电压转换芯片U7的第一脚与所述电阻R75的一端相连，所述电阻R75的另一端和所述电容C38的一端相连；所述电容C38的另一端分别和所述电压转换芯片U7的第2脚、所述电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端作为NB驱动电源电路的输出给NB模块的电源供电，标记为DC4V2，所述电感L1的另一端和所述电阻R4的一端、所述电解电容E3的正极、所述瓷片电容C39的一端相连；所述电压转换芯片U7的第5脚分别和所述电阻R4的另一端、所述电阻R16的一端相连；所述电阻R16的另一端和所述电解电容E3的负极、所述瓷片电容C39的另一端共同跟地相连；所述电压转换芯片U7的第4脚和所述瓷片电容C43的一端相连；所述瓷片电容C43的另一端和所述电压转换芯片U7的第9脚共同连接到地。
5.一种以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的方法，应用权利要求1-4之一所述的以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的系统，其特征在于：该方法能够智能分配所述继电器驱动电源电路与所述NB驱动电源电路的能耗，使得瞬时电流低于输入电源保护电路的允许电流，它包括以下步骤：
第一步：电能表提供的电源Uin即12V_IN端供电时，MCU控制继电器驱动电源电路中电压转换芯片U12的使能端即20V_EN脚为低，使用电源Uin给所述电解电容E50、E57和E59充电，采用下述公式计算理论充电时间t1：
Figure FDA0002756322320000031
第二步、当充电时间t1到达后，MCU控制电压转换芯片U12的使能端即20V_EN脚为高，使用电压转换芯片U12的输出电压给所述电解电容E50、E57和E59充电，充电电压为Uout，采用下述公式计算理论充电时间t2；
Figure FDA0002756322320000032
第三步、在执行第一步和第二步的同时，MCU实时采集继电器驱动电源电路的检测端DC20V_DET的电压，计算继电器驱动电源电路的输出电压即标记点RELAY_POWER的电压；
当时间T满足:T≥(t1+t2)；
或者继电器驱动电源电路的输出电压即标记点RELAY_POWER的电压为97.5％Uout时，给NB模块开机信号，NB模块处于接收状态；
第四步、当NB模块接收到拉合闸的控制指令后，先置继电器准备动作标志，此时，禁止NB模块执行新的发送任务，等待3s；
判断继电器驱动电源电路的输出电压RELAY_POWER是否达到97.5％Uout，如果达到，继电器执行NB模块接收的指令，执行完成后，置继电器标志为空闲；如果不满足，继续判断继电器驱动电源电路的输出电压RELAY_POWER是否达到97.5％Uout，直到继电器置准备动作标志之后的等待时间到达t1+t2，置继电器错误标志，本次不做继电器动作，并上报主站；
第五步、当NB模块需要发送数据时，先判断继继电器标志是否为空闲或者继电器错误，如果是，则允许NB模块发送指令，否则，禁止NB模块执行新的发送任务。
6.根据权利要求5所述的以电能表提供低功率电源实现电能表外接大功率负载的方法，其特征在于：NB模块的一帧数据是512个字节，波特率是115200，数据类型是8N1。
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