CN2684200Y - 可编程数显电测表 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可编程数显电测表，其特征为电路部分包括信号取样及转换单元、单片机MCU、显示单元、开关电源单元；信号取样及转换单元为电压电流信号取样及转换电路、功率信号取样及转换电路或功率因数、相位角、频率信号取样及转换电路；单片机MCU为高度集成的单片机；信号取样及转换单元的信号输入端与单片机MCU的A/D端口、模拟SPI端口或捕获端口相连；显示单元与单片机MCU I/O口相连。本实用新型是一种能实时、准确、可靠的测量单相或三相交/直流电参数并作数码管显示和光柱显示及具有变比、通讯地址、波特率等参数可编程设置的电测仪表。具有硬件线路简化和成本较低的优点。

Description

可编程数显电测表

一、技术领域：

本实用新型涉及一种可编程数显电测表，特别是指一种可用于测量、显示及数字输出的可编程的数显仪表。

二、背景技术：

在电力输送电网中，一般需要对电压(U)、电流(I)、有功功率(P)、无功功率(Q)、功率因数(H)、相角(D)、频率(F)等常用电参数进行实时监测。目前市场上电测仪表种类也很多，但从测试功能上来说可以分为单种电参量测试仪表和综合电参量测试仪表。前者只可以对单种电参量进行监测，通俗的说：如果是测电压的表就不能测量电流。所以测试功能上较为单调，另外除测量显示功能外，大部分仪表没有可编程功能(即通过显示面板上的键盘进行一些如变比之类的常用设置)，变送输出功能，数字输出功能。有一部分厂家的仪表带有这些功能中的一种到两种，但功能还不是很齐全，且原理上要采用模拟量/数字量转换电路A/D做前道信号转换，数字量/模拟量转换电路D/A做变送输出，EEROM保存数据信息，单片机MCU做数据计算处理，以及诸多的外围电路，硬件上成本高，线路也太复杂。后者可以对以上所有的电参量进行集中测试显示，也包括许多功能，显示多为液晶LCD显示，由于测量参数较多，硬件复杂，成本高，所以价格对一些客户(特别是一些不需要测量这么多参数，也不需要那么多功能的用户)来说相对偏高。

三、发明内容：

本实用新型的目的是提供一种能实时、准确和可靠的单个或多个电参数并作数码管显示和光柱显示及硬件线路简化、成本较低的电测仪表。

根据上述目的设计了一种可编程数显电测表，其特征为电路部分包括信号取样及转换单元、单片机MCU、显示单元、开关电源单元；信号取样及转换单元为电压电流信号取样及转换电路、功率信号取样及转换电路或功率因数、相位角、频率信号取样及转换电路；信号取样及转换单元将电网中原始信号取样后转化为单片机MCU所能处理的信号；

单片机MCU为高度集成的单片机，内部包含8通道12位A/D和内部512字节的信息存储区、看门狗电路、内部基准电压、内部时钟电路和内部16位定时器；单片机MCU对转换后的取样信号作处理及计算，并作存储，再控制显示单元显示；

显示单元将所要测量的电参数通过数码管或光柱条的形式显示；

开关电源单元为各个单元提供相互隔离的辅助电源；

信号取样及转换单元的信号输入端与单片机MCU的A/D端口、模拟SPI端口或捕获端口相连；显示单元与单片机MCU的I/O口相连。

信号取样及转换单元为电压电流信号取样及转换电路时由短路棒J1～J3、电流型电压互感器PT，电流互感器CT，取样电阻R1，限流电阻R2，精密运放整流电路AC/DC，运放IC1A，电阻R3与R4组成的比例放大电路，跟随器IC1C，电阻R5～R7，运放IC1D，电压基准源IC8和电容C1组成；该电路将电压电流表的信号转化为单片机MCU内部A/D模块能处理的正模拟小信号；该电路的信号输出端与单片机MCU的A/D端口。

信号取样及转换单元为功率信号取样及转换电路时电路由A相电路和C相电路组成，其中A相电路由电流互感器CT1、取样电阻R101、钳位二极管D1、D2、D103、限流电阻R103、R104、电容C103、C105～C108、C110、计算用芯片IC101，分压电阻R105～R109和晶振体XTAL2组成；C相电路由电流互感器CT2、取样电阻R301、钳位二极管D3、D4、D303、限流电阻R303、R304、电容C303、C305～C308、C310、计算用芯片IC301，分压电阻R305～R309和晶振体XTAL3组成；功率信号取样及转换电路是将输入的模拟电压电流信号计算成与功率值成比例关系的信号，通过计算用芯片SPI串行接口与单片机MCU的模拟SPI口相连。

信号取样及转换单元为功率因数、相位角或频率信号取样及转换电路时电路由电流信号取样电路图和电压信号取样电路组成；其中电流信号取样电路由电流互感器CT5、钳位二极管D5、D6、滤波电容C2、运放IC1A、电阻R20～R26和比较器IC2A组成，其信号输出端与单片机MCU(b)的捕获口相连；电压信号取样电路由电阻R8～R19、R30～R32、R80～R83、电容C5、二极管D7、D8、运放IC1B和比较器IC2B组成其信号输出端与单片机MCU(b)的捕获口相连。

可编程数显电测表，电路部分还包括变送输出单元、数字通讯单元、键盘输入单元；键盘输入单元、变送输出单元和数字通讯单元分别与单片机MCU的相连接；由单片机MCU的I/O口来接收键盘信号并作各种响应，用户可以通过显示面板上的按钮对常用参数进行查看、设置更改、校调。除此之外单片机MCU还通过其16位PWM脉冲输出口输出占空比与信号大小成一定关系的矩形波，然后将其整为直流信号作为变送输出与远动装置RTU相连，所以硬件上没有增加通常变送输出功能所需的D/A，节约了成本，也简化了电路。在变送输出形式上：可以是1-5V、4-20mA、0-5V、0-20mA、4-12-20mA等等可选，输出可以是单路，也可以是多路，最多的可以多达六路，PWM输出端口为单片机MCU的18，19或者37-42脚。数字通讯单元则利用了单片机MCU内部的串行通信接口，可与微机进行数据交换，方便了各分散仪表的集中控制处理。

单片机MCU对信号取样及转换单元送过来的不同信号作不同的分析和计算处理，并且将重要的掉电需要保存的数据存储于片内信息区，然后由单片机MCU将处理过的数据通过其I/O口送于串/并转换电路驱动数码管显示，或者通过其I/O口控制三极管V6-V25的开断即而达到控制101个点组成的光柱显示。

显示单元的显示形式丰富：有单排数码管显示，一排数码管加一条光柱显示，3排数码显示，3光柱显示，单排切换数码管显示，三排切换数码管显示等等。特别是有101个点的光柱显示功能，其光柱显示由单片机MCU直接控制，采用矩阵式控制方法，单片机MCU的I/O口GZD1-GZD10连接至三极管的基极端，通过对I/O口高低电平的设置达到控制三极管通断的目的，即而满足光柱各段通断的条件，单片机MCU的I/O口GZB1-GZB10连接至三极管的基极用于控制每段光柱的10个点，通过对I/O口高低电平的设置达到控制三极管通断的目的，即而控制光柱各段应该亮的光柱点数。

与现有电力输送电网中使用的电测仪表相比，本实用新型所具有的优点是：

1、能实时、准确、可靠的测量单相或三相交/直流电参数(可单个电参量也可以是多个电参量)并作数码管显示和光柱显示。

2、能输出模拟量与远动装置RTU相连、输出数字量与数据采集设备能进行数据交换。

3、具有变比、通讯地址、波特率等参数可编程设置功能。

4、灵活性高，功能较强，硬件线路简化，成本较低。

四、附图说明：

图1为本实用新型的原理框图

图2为对电压电流表的信号取样及转换电路电气原理图

图3有功及无功功率表的输入信号取样及转换电路的A相功率信号处理电路电气原理图

图4有功及无功功率表的输入信号取样及转换电路的C相功率信号处理电路电气原理图

图5为功率因数、相角或频率表的输入信号取样电路的电流信号取样电路电气原理图

图6为功率因数、相角或频率表的输入信号取样电路的电压信号取样电路电气原理图

图7为MCU与各部分接口示意以及数码管显示部分电气原理图

图8为光柱控制原理示意图

五、具体实施方式：

图1中a为信号取样及转换单元，b为单片机MCU，c为显示单元，d为键盘输入单元，e为变送输出单元，f为数字通讯单元，g为辅助电源；信号取样及转换单元a将输入的各种信号取样及转化后送于MCU，由MCU处理并作计算及存储，最后控制显示单元c单元，同时MCU对键盘输入单元d的键盘输入数据作响应，另外MCU还要控制变送输出单元e的变送输出以及数字通讯单元f接口的数字通讯。开关电源单元g为各个单元提供相互隔离的辅助电源。

图2是对电压电流表的信号取样及转换电路电气原理图，可以是测一相电压，一相电流，一相电压和一相电流，二相电压，二相电流，二相电压和二相电流，三相电压，三相电流，三相电压和三相电流。即最多可以测多达六路信号，因为每路取样及转换原理基本等同，所以仅画一路。图2中短路棒J1，J2，J3用于交流直流信号输入时作选择；信号通过端子INPUT先送于CT/PT转化为弱电信号，交流电压信号时用电流型电压互感器PT，交流电流信号时用电流互感器CT，直流信号则不用PT/CT；接着经过取样电阻R1转换为弱电压信号，之后再经过限流电阻R2送于精密运放整流电路AC/DC，直流信号则通过J3跳过AC/DC，接着信号送运放IC1A的3脚作放大处理，由电阻R3，R4组成比例放大电路，接着再经过运放IC1C跟随，跟随器8脚输出经电阻R5接至运放IC1D的12脚输入端，同时2.5V电压基准源IC8经过电阻R6也接至运放IC1D的12脚输入端，起到将信号抬高的作用，以保证输入到后面的信号始终为正信号，运放IC1D跟随输出14脚信号由电阻R7，电容C1滤波后转化为信号AIN送至单片机MCU的A/D端口。

图3中A相电流IA经过电流互感器CT1，转化为电流弱信号后，由取样电阻R101转换成电压弱信号，接着由二极管D1、D2钳位，再由电阻R103、R104限流，经过电容C107、C108、C110滤波，同时也为增强RFI抗扰能力，最后分别送入IC101的电流输入端15，16引脚。A相电压UA则经过分压电阻R105-R108先将强信号降为弱电压信号后同样经过二极管D103钳位，再经过滤波电容C105、C106以及电阻R108、R109滤波后送于IC101的电压输入端9，10引脚。IC101为计算用的芯片，将输入的模拟电压电流信号计算成与功率值成比例关系的信号后通过SPI串行接口与与单片机MCU的模拟SPI口交换数据。XTAL2为晶振体为IC101提供时钟。

图4中C相电流IC经过电流互感器CT2转化为电流弱信号后，由取样电阻R301转换成电压弱信号，接着由二极管D3、D4钳位，再由电阻R303、R304限流，再经过电容和C307、C308、C309滤波，同时也为增强RFI抗扰能力，最后送入IC301的电流输入端15，16引脚。C相电压UC则经过分压电阻R305-R308先将强信号降为弱电压信号后同样经过二极管D303钳位，再经过滤波电容C305、C306以及电阻R308、R309滤波后送于IC301的电压输入端9，10引脚。IC301为计算用的芯片，将输入的模拟电压电流信号计算成与功率值成比例关系的信号后通过计算用芯片的SPI串行接口与单片机MCU的模拟SPI口交换数据。XTAL3为晶振体为IC301提供时钟。SPI口为CSA，SDI，SDO，SCLK，RSTA，CSC或RSTC。

图5中输入电流信号IA通过电流互感器CT1将强信号转化为弱电流信号，接着由取样电阻R20将弱电流信号转化为弱电压信号，接着二极管D5、D6钳位，电容C5滤波后送运放IC1A作整波，运放IC1A外围电阻R21为匹配电阻，R22为加快转换速度。矩形波经过电阻R23送于比较器IC2A，配合以电阻R24、R25，限制了矩形波负电平，以方便单片机处理。最后由电压VDD-2经上拉电阻R26将信号抬高，最后信号INT2送于单片机MCU的捕获口。

图6中UA，UB，UC电压输入信号分别经过电阻R8-R11，R12以及R14-R17，R18的分压后再分别经过电阻R11和R12限流，于P点叠加，之后由电容C5滤波，二极管D7、D8钳位，接着经限流电阻R80送于运放IC1B作整波，运放IC1B外围电阻R82为匹配电阻，R81为加快转换速度，将模拟交流信号整为正负电平的矩形波输出，矩形波经过电阻再送于比较器IC2B，配合以电阻R30、R31，限制了矩形波负电平，以方便单片机处理。最后由电压VDD-2经上拉电阻R32将信号抬高，最后信号INT1送于单片机MCU的捕获口。

图7中电压电流表的信号AIN通过连接至单片机MCU的A/D端口即图中MCU的6脚；而功率表信号RSTA，RSTC，CSA，CSC，SDO，SDI，SCLK连接至单片机MCU的I/O口20-26脚；功率因数，相角，频率表的信号INT1，INT2信号于单片机MCU的捕获口37，38脚相连。另外MCU的12-15脚连接d键盘输入单元，实现键盘可编程，对常用参数进行设置，以及仪表的校准和调试。单片机MCU的18脚为PWM脉冲输出端，与e变送输出单元连接，实现变送输出功能。单片机MCU的32-34脚为串行输出口，与f数字通讯单元连接，实现通讯功能。在图5中单片机MCU与f显示单元的连接，其中GZD1-GZD10用于控制光柱的10段GZB1-GZB10用于控制每段光柱的10个点。另外MCU的49-51脚与串/并转换电路IC10连接，IC10将接收到的串行形式的数据转换为可供数码LD1-LED5显示的并行数据，其中R330-R337为限流电阻。单片机MCU管脚44-48连接至三极管V1-V5的基极端SM1-SM5，控制三极管的通断，按照轮流定时切换三极管的通断的原则来达到数码管动态扫描的效果。

在图8中单片机MCU的I/O口GZD1-GZD10连接至三极管V6-V15的基极端，通过对I/O口高低电平的设置达到控制三极管通断的目的，即而满足光柱各段通断的条件，单片机MCU的I/O口GZB1-GZB10连接至三极管V16-V25的基极用于控制每段光柱的10个点，通过对I/O口高低电平的设置达到控制三极管通断的目的，即而控制光柱各段应该亮的光柱点数。R131-R140为限流电阻。另外VCC经电阻R130限流后送到光柱的第个点上，使第一个点指示电源工作情况。

Claims (9)

1、一种可编程数显电测表，其特征为电路部分包括信号取样及转换单元(a)、单片机MCU(b)、显示单元(c)、开关电源单元(g)；信号取样及转换单元(a)为电压电流信号取样及转换电路、功率信号取样及转换电路或功率因数、相位角、频率信号取样及转换电路；信号取样及转换单元(a)将电网中原始信号取样后转化为单片机MCU(b)所能处理的信号；单片机MCU(b)为高度集成的单片机，内部包含8通道12位A/D和内部512字节的信息存储区、看门狗电路、内部基准电压、内部时钟电路和内部16位定时器；单片机MCU(b)对转换后的取样信号作处理及计算，并作存储，再控制显示单元(c)显示；显示单元(c)将所要测量的电参数通过数码管或光柱条的形式显示；开关电源单元(g)为各个单元提供相互隔离的辅助电源；

信号取样及转换单元(a)的信号输入端与单片机MCU(b)的A/D端口、模拟SPI端口或捕获端口相连；显示单元(c)与单片机MCU(b)的I/O口相连。

2、根据权利要求1所述的可编程数显电测表，其特征为信号取样及转换单元(a)为电压电流信号取样及转换电路时由短路棒J1～J3、电流型电压互感器PT，电流互感器CT，取样电阻R1，限流电阻R2，精密运放整流电路AC/DC，运放IC1A与电阻R3、R4组成的比例放大电路，跟随器IC1C，电阻R5～R7，运放IC1D，电压基准源IC8和电容C1组成；该电路将电压电流表的信号转化为单片机MCU内部A/D模块能处理的正模拟小信号；该电路的信号输出端与单片机MCU(b)的A/D端口。

3、根据权利要求1所述的可编程数显电测表，其特征为信号取样及转换单元(a)为功率信号取样及转换电路时电路由A相电路和C相电路组成，其中A相电路由电流互感器CT1、取样电阻R101、钳位二极管D1、D2、D103、限流电阻R103、R104、电容C103、C105～C108、C110、计算用芯片IC101，电阻R105～R109和晶振体XTAL2组成；C相电路由电流互感器CT2、取样电阻R301、钳位二极管D3、D4、D303、限流电阻R303、R304、电容C303、C305～C308、C310、计算用芯片IC301，电阻R305～R309和晶振体XTAL3组成；功率信号取样及转换电路是将输入的模拟电压电流信号计算成与功率值成比例关系的信号，通过计算用芯片SPI串行接口与单片机MCU(b)的模拟SPI口相连。

4、根据权利要求1所述的可编程数显电测表，其特征为信号取样及转换单元(a)为功率因数、相位角或频率信号取样及转换电路时电路由电流信号取样电路图和电压信号取样电路组成；其中电流信号取样电路由电流互感器CT5、钳位二极管D5、D6、滤波电容C2、运放IC1A、电阻R20～R26和比较器IC2A组成，其信号输出端与单片机MCU(b)的捕获口相连；电压信号取样电路由电阻R8～R19、R30～R32、R80～R83、电容C5、二极管D7、D8、运放IC1B和比较器IC2B组成其信号输出端与单片机MCU(b)的捕获口相连。

5、根据权利要求1所述的可编程数显电测表，其特征为电路部分还包括变送输出单元(e)、数字通讯单元(f)、键盘输入单元(d)；变送输出单元(e)与单片机MCU(b)的PWM输出口相连接，输出与被测电测量成对应关系的直流信号；键盘输入单元(d)与单片机MCU(b)的I/O口相连接，MCU(b)通过接收键盘信号并作各种响应，设置及校调仪表的参数；数字通讯单元(f)利用MCU内部的串行通信接口与微机进行数据交换。

6、根据权利要求5所述的可编程数显电测表，其特征为单片机MCU(b)通过其16位PWM脉冲输出口输出占空比与信号大小成一定关系的矩形波，将其整为直流信号通过变送输出单元(e)作为变送输出与远动装置RTU相连，变送输出形式为1-5V、4-20mA、0-5V、0-20mA或4-12-20mA，输出为1～6路。

7、根据权利要求5所述的可编程数显电测表，其特征为单片机MCU(b)的PWM输出端18脚做变送输出控制；单片机MCU(b)的串行口32-34脚做数字通讯控制；单片机MCU(b)的I/O口做键盘输入控制。

8、根据权利要求1所述的可编程数显电测表，其特征为显示单元(c)采用单排数码管显示、一排数码管加一条光柱显示、3排数码显示、3光柱显示，单排切换数码管显示或三排切换数码管显示。

9、根据权利要求8所述的可编程数显电测表，其特征为显示单元(c)是有101个点的光柱显示，其光柱显示由单片机MCU(b)直接控制，采用矩阵式控制方法，单片机MCU(b)的I/O口GZD1-GZD10连接至三极管的基极端，MCU的I/O口GZB1-GZB10连接至三极管的基极。

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