CN206004290U

CN206004290U - 一种家庭电路电流监控器

Info

Publication number: CN206004290U
Application number: CN201621037355.9U
Authority: CN
Inventors: 杜小康; 陈志英; 周小娜
Original assignee: Xiamen University of Technology
Current assignee: Xiamen University of Technology
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2026-09-05

Abstract

本实用新型公开一种家庭电路电流监控器，包括主控模块、采样电阻、信号采样电路、信号调理电路、继电器、按键、显示模块和电源模块，其中，采样电阻和继电器连接在家庭电路主回路中，信号采样电路测量采样电阻两端的电压信号，并送入信号调理电路，信号调理电路进行放大后传送到主控模块，主控模块计算电流的有效值并判断其是否在安全范围内，若不在安全范围内则发出指令对继电器进行断开操作，并控制指示灯显示，计算结果由显示模块显示；按键与主控模块连接，用于供使用者进行控制；电源模块与主控模块连接。此种系统可在电流值超过安全范围时断开主回路，有效保护电气设备和电器。

Description

一种家庭电路电流监控器

技术领域

本实用新型属于电路测量技术领域，特别涉及一种电流测量监控系统。

背景技术

随着社会的快速发展和人们生活水平的不断提高，越来越多家用电器走进了我们的家庭，那么对于家庭电路和电器的保护就越发显得重要了。所以为了防止电路及家庭电器因电流过大而造成错误或损坏，我们就需要对其电路进行过流保护，电流监控器就是方便而有效的监护设备。

传统的电流测量采用电阻分压法，而一般的电阻在电路中都会产生一定的压降，电阻发热导致温度变化，温度的改变会导致阻值的变化，从而影响测量的精度。第二，对于非纯电阻的分压电阻两端存在频率问题，因为阻抗值会随频率变化而变化，分流器两端的电压也会随频率变化，影响测试精度。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于提供一种家庭电路电流监控器，其可在电流值超过安全范围时断开主回路，有效保护电气设备和电器。

为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种家庭电路电流监控器，包括主控模块、采样电阻、信号采样电路、信号调理电路、继电器、按键、显示模块和电源模块，其中，采样电阻和继电器连接在家庭电路主回路中，信号采样电路测量采样电阻两端的电压信号，并送入信号调理电路，信号调理电路进行放大后传送到主控模块，主控模块计算电流的有效值并判断其是否在安全范围内，若不在安全范围内则发出指令对继电器进行断开操作，并控制指示灯显示，计算结果由显示模块显示；按键与主控模块连接，用于供使用者进行控制；电源模块与主控模块连接。

上述采样电阻的一端接地，另一端经由继电器连接家用电器的一端，家用电器的另一端经由隔离开关连接220V电源。

上述采样电阻采用康铜丝。

上述康铜丝长30mm、规格0.95Ω/m、横截面积为1.5平方毫米。

上述信号调理电路包括电压跟随器和运算放大器，电压跟随器的输出端连接运算放大器的输入端，信号采样电路的输出端也连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接主控模块。

上述电源模块包括顺序连接的电源变压器、整流电路和滤波电路，滤波电路的输出端连接主控模块。

上述电源变压器采用交流220V转交流9V的变压器。

上述整流电路包括整流桥和2个电容，其中，整流桥由4个二极管两两串联后再并联组成，整流桥的输入端连接电源变压器的输出端，2个电容均并联在整流桥的输出端。

上述整流电路还包括三端稳压器，三端稳压器与整流桥的输出端连接。

上述三端稳压器采用78L05。

上述显示模块采用字符型LCD1602。

采用上述方案后，本实用新型采用电流测量方法——电阻分压法，采用具有良好焊接性能的康铜丝作为采样电阻，将采样电压信号送入信号调理电路，通过对信号进行放大，再传送到单片机，由单片机的A/D模块对输入的电压信号进行模-数转换，然后由单片机对转换后的数据进行运算，得到电流有效值，并判断电流有效值是否在安全范围内，若不在安全范围内则会由主控芯片发出指令对继电器进行断开操作，继而主回路断开，从而达到保护电路及电器的目的，测量结果可显示在LCD上。本实用新型的电流测量范围为0.1A～10.0A，测量精度±2％，具有硬件使用方便、电路简单、快速测量和测量过程自动化等特点。

附图说明

图1是本实用新型的整体电路框图；

图2是本实用新型中主控模块的电路图；

图3是本实用新型中信号采样及保护的电路实现图；

图4是本实用新型中信号调理电路的电路图；

图5是本实用新型中显示模块的电路图；

图6是本实用新型中电源模块的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供一种家庭电路电流监控器，包括主控模块、采样电阻、信号采样电路、信号调理电路、继电器、按键、显示模块和电源模块，其中，信号采样电路通过采样电阻得到回路中的被测信号，被测信号为采样电阻两端的电压信号，将测量得到的电压信号送入信号调理电路，信号调理电路对较小的电压信号进行放大，再传送到主控模块(单片机)，由单片机的A/D模块对输入的电压信号进行模-数转换，然后由单片机对得到的数据进行运算，求出电流的有效值并判断其是否在安全范围内，若不在安全范围内则发出指令对继电器进行断开操作，继而主回路断开，并有指示灯显示，从而达到保护电路及电器的目的，测量结果由显示模块显示。

如图2所示，在本实施例中，主控模块选用STC125AC32AD芯片，它与MCS-51单片机产品完全兼容，内部自带8路10位A/D转换器，具有低功耗空闲和掉电模式，精度较高、价格便宜。如图2所示，P1.0即ADC0连接到运算放大器LM2904的输出脚(7脚)，采样后的电压值经信号调理电路放大后，通过P1.0进入单片机进行A/D转换；P1.3即PWRON为继电器控制信号引脚，当电流超过安全范围时，P1.3发出的控制信号经过电阻和三极管后再送到继电器；P1.4和P1.5即L-APM和L-TIME，为功能按键指示灯；P0.0-P0.7采用并行方式，将数据传送给LCD的DB0-DB7，P2.5-P2.7分别接LCD的RS、RW、EN；P3.4和P3.5即K-APM和K-TIME，为输入按键控制信号引脚；单片机的31脚接的是复位电路，复位电路采用上电复位和手动复位两种复位方式，当按键按下时，RESET引脚处于高电平状态。STC12C5A32AD是高电平复位，并且持续2个机器周期以上的高电平将使单片机复位。时钟采用12M无源晶振直接提供，其信号质量好，比较稳定。图2中晶振的1脚接单片机XTAL1，2脚接单片机XTAL2。

在本实施例中，采样电阻采用康铜丝，它具有电阻温度系数低、使用温度范围宽、价格便宜、适用范围广等特点，通过的最大电流为18A，而我国的普通家庭电路的额定电流是10A，可以达到使用需要。在本实施例中选用的是长30mm、规格0.95Ω/m、横截面积为1.5平方毫米的康铜丝。康铜丝的一端接地，另一端经由继电器连接家用电器的一端，家用电器的另一端经由隔离开关连接220V电源。

配合图3所示，进行信号采样时，负载通过AC OUT串联在回路中，AC IN接220V的交流电源。在电路主回路中接入一段采样电阻(康铜丝)，通过对电路进行电阻分压来采得电阻两端的电压信号，将其送入信号调理电路LM2904的5脚。由于本实用新型的测量范围为：0.1A～10.0A，我们采用横截面积为1.5平方毫米、阻值为0.95Ω/m的康铜丝，经计算论证得出串入康铜丝的长度为30mm时，测量的结果较理想。

对电路及电器的即时保护，是通过将一个继电器加入电路主回路中的方法实现的。用单片机控制这个继电器，当电流过大并超过所规定的测量范围时，单片机将发出断开继电器的指令，此时继电器断开，电路停止工作，从而达到保护电路和电器的目的。单片机的控制信号是通过P1.3引脚输出的，控制信号传输要经过一个三极管Q1，控制信号通过控制Q1的状态来控制继电器的通断，Q1处在导通状态(继电器闭合)或处在截止状态(继电器断开)，从而控制主电路的通和断。值得注意的是，由于本实施例测量的最大电流是10A，为了保护监控器的整个回路，我们需要在回路中串联一个15A或20A的保险丝，以免电流过大时对电路造成损害。

如图4所示，由信号采样电路采样得到的电压值需要先通过具有抬高和放大功能的信号调理电路，信号调理电路的抬高和放大功能由LM2904接成的一个运算放大器和一个电压跟随器实现，选用信号调理电路的原因有两点：一是，采样电阻的阻值很小，即使通过很大的电流，其两端的电压值也是很小的，为了方便单片机检测，所以需要将其放大。二是，采样后的电压值是交流信号，其包括正负两种电位，需要将其电位都抬高为正电位才能进行准确的检测。因为信号调理电路主要的功能是放大，其作用是将基本转换电路或传感器输出的微弱信号R12不失真地加以放大，由于传感器输出的信号形式和大小各不相同，传感器所处的环境条件、噪声对传感器的影响也不一样，因此所采用的放大电路的形式和性能指标也不相同。

对于信号的放大，LM2904的5、6、7脚与R17、R21构成同相放大电路，其电压增益A_V为：

在实际设计中，R₁₇＝33K，R₂₁＝5.6K，所以电压增益即该电路将输入电压放大了7倍。

对于电位的抬高，LM2904的1、2、3脚接成了一个电压跟随器，即3脚的输入电压与一脚输出电压的大小相等，相位相同。假设由1脚输出的电压为U₁，则U₁通过R12加到LM2904的5脚，它与经过R14的采样信号相叠加，从而实现了电位的抬高。因为在本实施例中，STC12C5A32AD单片机的A/D口的最高上限电压为+5V，所以输入单片机的模拟电压的最大值也为5V，这样只要将电位抬高2.5V就可保证采样到的所有电压值都为正，所以本实施例中将电位抬高2.5V。

如图5所示，在本实施例中，显示模块选用字符型LCD1602，它是专门用于显示字母、数字、点阵型的液晶显示模块。它由若干个字符块组成，每个字符块是一个字符位，每个位都能显示一个字符，两个字符位之间会有一个点距的间隔，此间隔的作用是字符间距和行距。LCD的数据输入口DB0-DB7采用并行方式与单片机的P0.0～P0.7相连，LCD的RS、RW、EN分别与单品机的P2.5、P2.6、P2.7相接，LCD的3脚外接一个10K的可变电阻用来调节LCD的亮度，15脚和16脚分别是背光电源线和地线。

按键用于供使用者进行控制，本系统用了两个按键，其中，S1为电流显示功能按键，连接STC12C5A32AD的P3.4引脚，拥有显示当前电流、记忆电流及清除记忆电流功能；S2为系统启停键，连接STC12C5A32AD的P3.5引脚，是系统启动与停止的功能键；D8与D9为系统运行指示灯，分别接入单片机的P1.4与P1.5引脚。

如图6所示，电源模块为单片机提供+5V的直流稳压电源供其工作，其主要由电源变压器、整流电路、滤波电路组成，其中，电源变压器采用交流220V转交流9V的变压器，其输入端口连接220V电源电压，输出端口接整流电路；整流电路采用四个二极管连接成的整流桥与两个电容组成的整流电路，由于该直流电压还含有较大的纹波，所以后级采用三端稳压器78L05稳压，所以大电容输出电压符合稳压器的稳压范围，整流电路的输出端加了1000uF的大电容，作用是在电网电压波动、负载和温度变化时，能够维持输出直流电压稳定及在断电时提供足够的续流，保证单片机能够有足够时间处理及保存最后结果。

表1中包括A/D转换前后的数据比较、电流的测量值与理论值的比较和测量误差。测量误差选用相对误差进行分析，相对误差γ是绝对误差与标准值之比的百分数，即

式中，△A为绝对误差(绝对误差是测量值与理论值的差值)，A为标准值即理论值。相对误差γ比绝对误差有较大的实用性，因为γ能表示出测量的准确程度。例如，测量10V电压和测量1000V电压，并设它们测量绝对误差相等，都是差1V，前者的相对误差是10％，而后者的相对误差是0.1％，显然后者的测量准确度高得多。

表1

输入模拟电压	A/D转换电压	电流测量值	电流理论值	相对误差(％)
					2.5987	2.5985	0.46	0.496	-7.2
2.7345	2.7345	1.06	1.100	-2.8
					2.8465	2.8467	1.68	1.736	-2.8
2.9704	2.9700	2.23	2.357	-5.3
					3.0936	3.0936	2.86	2.977	-3.9
3.2175	3.2170	3.54	3.598	-1.6
					3.3414	3.3414	4.21	4.218	-0.18
3.4651	3.652	4.89	4.838	1.07
					3.5890	3.5889	5.35	5.459	-1.2
3.8364	3.8364	6.63	6.699	-1
					3.9356	3.9356	7.16	7.196	-0.5

本系统对A/D转换进度要求很高，由于STC12C5A32AD单片机采用10位高速A/D转换，相比较使用传统的ADC0809的8位A/D转换，STC12C5A32AD具有更高的精度和更高的速度的特性，通过表1可以看出，A/D转换的精度很高。同时由以上的测试结果也可以看出，当负载功率较小，即干路电流也相对较小时，相对误差比较大，尤其是测量电流小于3A时，相对误差已达到7％。而当测量电流大于3A时，相对误差比较小，几乎都在±2％以内。如表2所示，这说明设计只有测量电流大于3A时才能达到规定精度要求。

表2

针对上述小电流时误差较大的问题，分析其原因可能有以下几点：

第一、数据处理过程中存在一定的误差，因为在数据处理过程中对有效数字的处理会影响到测量值读取，从而影响误差的计算。在本系统中，LCD显示的电流有效值只有四位有效数字，小数点后只显示了两位有效数字，所以在读取数据时显示的测量值就与真正的测量值有了一定的误差，这样就对测量精度产生了一定影响，这种误差在测量电流较小的情况下，对其精度的影响会更大。

第二、当回路中的电流较小时，测量到电压信号也很小，即使将采样的电压信号放大7倍，其放大后的信号还是很小，这也会影响单片机对信号的采集，产生一定的误差。

第三、在本系统中，由于直接在回路上接入了分压电阻(康铜丝)，所以它在电路上会产生一定的压降，同时即使采样电阻(康铜丝)具有较低的电阻温度系数，较宽的使用温度范围(480℃以下)，但是在系统运行时，还是会产生温度变化，这些都会产生一定的误差。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims

1.一种家庭电路电流监控器，其特征在于：包括主控模块、采样电阻、信号采样电路、信号调理电路、继电器、按键、显示模块和电源模块，其中，采样电阻和继电器连接在家庭电路主回路中，信号采样电路测量采样电阻两端的电压信号，并送入信号调理电路，信号调理电路进行放大后传送到主控模块，主控模块计算电流的有效值并判断其是否在安全范围内，若不在安全范围内则发出指令对继电器进行断开操作，并控制指示灯显示，计算结果由显示模块显示；按键与主控模块连接，用于供使用者进行控制；电源模块与主控模块连接。

2.如权利要求1所述的一种家庭电路电流监控器，其特征在于：所述采样电阻的一端接地，另一端经由继电器连接家用电器的一端，家用电器的另一端经由隔离开关连接220V电源。

3.如权利要求1所述的一种家庭电路电流监控器，其特征在于：所述采样电阻采用康铜丝。

4.如权利要求3所述的一种家庭电路电流监控器，其特征在于：所述康铜丝长30mm、规格0.95Ω/m、横截面积为1.5平方毫米。

5.如权利要求1所述的一种家庭电路电流监控器，其特征在于：所述信号调理电路包括电压跟随器和运算放大器，电压跟随器的输出端连接运算放大器的输入端，信号采样电路的输出端也连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接主控模块。

6.如权利要求1所述的一种家庭电路电流监控器，其特征在于：所述电源模块包括顺序连接的电源变压器、整流电路和滤波电路，滤波电路的输出端连接主控模块。

7.如权利要求6所述的一种家庭电路电流监控器，其特征在于：所述电源变压器采用交流220V转交流9V的变压器。

8.如权利要求6所述的一种家庭电路电流监控器，其特征在于：所述整流电路包括整流桥和2个电容，其中，整流桥由4个二极管两两串联后再并联组成，整流桥的输入端连接电源变压器的输出端，2个电容均并联在整流桥的输出端。

9.如权利要求8所述的一种家庭电路电流监控器，其特征在于：所述整流电路还包括三端稳压器，三端稳压器与整流桥的输出端连接。

10.如权利要求1所述的一种家庭电路电流监控器，其特征在于：所述显示模块采用字符型LCD1602。