專利名稱：多功能數(shù)字檢相測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于機(jī)床電氣測(cè)量與控制技術(shù)領(lǐng)域，主要提出一種多功能數(shù)字檢相測(cè) 量?jī)x，它以微處理器技術(shù)為核心，運(yùn)用電壓互感器、電流互感器、多路模擬開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換 器組成的集成電路，輔之以專業(yè)應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)工業(yè)用三相50HZ交流電的相序識(shí)別、相位 測(cè)量，電壓與電流值實(shí)時(shí)測(cè)量，單相過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)流、短路狀態(tài)的數(shù)字控制，以取代傳 統(tǒng)相位測(cè)量電路、電壓與電流測(cè)量電路分開的電氣方案，通過(guò)簡(jiǎn)便的電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相位測(cè) 量電路與電壓、電流幅度測(cè)量與保護(hù)電路的統(tǒng)一，達(dá)到儀器的多功能使用。
背景技術(shù)：
目前，公知的工業(yè)用三相電測(cè)量設(shè)備一般采用相序識(shí)別電路、相位測(cè)量電路、幅 度測(cè)量電路分開的電氣方案，其中相位測(cè)量電路采用模擬方法如相位差脈沖積分電路，或 采用數(shù)字方法如相位差脈沖計(jì)數(shù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，而幅度測(cè)量常采用模擬整流或數(shù)字電路來(lái)實(shí) 現(xiàn)，但是上述測(cè)量電路主要存在以下缺點(diǎn)1)沒有將相序識(shí)別、相位與幅度測(cè)量電路有機(jī) 統(tǒng)一起來(lái)；2)集成電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜；幻幅度測(cè)量有功率損耗；4)不能使現(xiàn)有設(shè)備資源得 到充分利用。因此怎樣以微處理器作為控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單集成電路，克服上述缺點(diǎn)，既使 相序、相位與幅度測(cè)量電路統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，又能夠?qū)崿F(xiàn)單相過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)流、短路狀態(tài)的 數(shù)字檢測(cè)，是本實(shí)用新型的出發(fā)點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的即是提出一種多功能數(shù)字檢相測(cè)量?jī)x，它以微處理器作為控制 系統(tǒng)，配之以普通的電壓互感器、電流互感器、多路模擬開關(guān)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)相位、電壓 與電流幅度測(cè)量電路的集成，并實(shí)現(xiàn)單相過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)流、短路狀態(tài)的數(shù)字檢測(cè)。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種多功能數(shù)字檢相測(cè)量?jī)x，主要包括微處理器 部分、檢測(cè)電路部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分、相序輸出電路部分、顯示輸出電路部分，原理圖如 圖1所示。其中a、微處理器部分由一片微處理器構(gòu)成，微處理器發(fā)出控制信號(hào)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路 輸入信號(hào)的選擇、轉(zhuǎn)換時(shí)刻的確定、轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取進(jìn)行控制，內(nèi)部基于相位測(cè)量的程序?qū)?模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理，得出三相電路的相序、相位及電壓與電流實(shí)時(shí)值；b、檢測(cè)電路部分別由與三相電對(duì)應(yīng)的三個(gè)電壓互感器和三個(gè)電流互感器組成，該 三個(gè)電壓互感器和三個(gè)電流互感器分別與多路模擬開關(guān)的輸入端相連，檢測(cè)電路部分對(duì)三 相電進(jìn)行變比處理，使獲得的模擬信號(hào)符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入范圍；C、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分由一個(gè)8路模擬開關(guān)和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，8路模擬開關(guān) 接收來(lái)自檢測(cè)電路的6路模擬信號(hào)，模擬開關(guān)的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，模數(shù) 轉(zhuǎn)換器的輸出端與微處理器的PO 口連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的控制信號(hào)由微處理器PO 口發(fā)出， PO 口又連接一個(gè)三態(tài)鎖存器，鎖存器的輸出分別連接8路模擬開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制 端，8路模擬開關(guān)按微處理器的要求對(duì)各路模擬輸入進(jìn)行選擇，模數(shù)轉(zhuǎn)換器按微處理器的要求將模擬輸入轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)，并按照控制信號(hào)的要求傳送12位數(shù)據(jù)至微處理器；d、相序輸出電路部分由三態(tài)門驅(qū)動(dòng)電路和相序轉(zhuǎn)換線圈，根據(jù)微處理器內(nèi)程序分 析的結(jié)果，發(fā)出信號(hào)調(diào)整三相電路相序；e、顯示輸出電路部分由顯示驅(qū)動(dòng)電路和顯示器構(gòu)成，顯示驅(qū)動(dòng)電路與微處理器部 分的PO 口連接，根據(jù)程序分析的結(jié)果，通過(guò)PO 口的數(shù)據(jù)，顯示三相電當(dāng)前的狀態(tài)。由于顯 示輸出電路不屬于本實(shí)用新型的核心內(nèi)容，故采用通用的LED顯示電路即可，在本實(shí)用新 型的原理電路圖中也未予顯示。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案中還可以包括外部輸入電路部分，主要用來(lái)處理外部 按鍵輸入。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案中還可以包括通訊接口部分，該通訊接口部分由微處 理器連接串行總線，與外部主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換構(gòu)成，接口電路完成與上位機(jī)設(shè)備的通訊。本實(shí)用新型以微處理器作為控制系統(tǒng)，用普通的電壓互感器、電流互感器組成檢 測(cè)電路，將其通過(guò)8路模擬開關(guān)選擇后作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入；模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)三相電的檢 測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換與采樣，再交由微處理器程序進(jìn)行相位計(jì)算與補(bǔ)償分析，從而確定三 相電的相序、相位；根據(jù)相位測(cè)量結(jié)果對(duì)電壓、電流再進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)帶負(fù)載的三相電路 進(jìn)行單相過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)流、短路的數(shù)字檢測(cè)。本實(shí)用新型提出的多功能數(shù)字檢相測(cè)量?jī)x，集成電路硬件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于集 成，軟件基于相位測(cè)量與補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)，因此測(cè)量精度高，執(zhí)行效率高；具有電路多種狀態(tài) 適時(shí)檢測(cè)功能，可以及時(shí)發(fā)出信息，保護(hù)電路負(fù)載；擁有RS-232、RS-485標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，利 于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制的自動(dòng)化、集成化。由于該多功能數(shù)字檢相測(cè)量?jī)x采用簡(jiǎn)便的集成電路設(shè) 計(jì)，輔之以軟件分析，以軟件彌補(bǔ)硬件的部分缺點(diǎn)，能夠充分發(fā)揮硬件的功效，以達(dá)到多功 能精確測(cè)量的目的，因而具有重要的使用價(jià)值。本實(shí)用新型主要用于三相交流電路相序、相位、電壓與電流值的測(cè)量，可控硅導(dǎo)通 角的控制。

圖1是本實(shí)用新型的電路原理圖。圖2是本實(shí)用新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換示意圖。圖3是本實(shí)用新型微處理器內(nèi)進(jìn)行程序處理的原理框圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例加以說(shuō)明。本實(shí)用新型的電路原理圖如圖1所示。本實(shí)用新型主要由微處理器部分、檢測(cè)電 路部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分、相序輸出電路部分、顯示輸出電路部分、外部輸入電路部分和 通訊接口部分組成。微處理器部分由89C52微處理器構(gòu)成。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分由一個(gè)8路 模擬開關(guān)和一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。檢測(cè)電路部分由與三相電對(duì)應(yīng)的三個(gè)電壓互感器TV1、 TV2、TV3和三個(gè)電流互感器TA1、TA2、TA3組成，該三個(gè)電壓互感器TV1、TV2、TV3分別經(jīng)電 阻Rl、R2、R3與8路模擬開關(guān)相應(yīng)的輸入端連接，三個(gè)電流互感器TA1、TA2、TA3分別與8 路模擬開關(guān)的輸入端連接；8路模擬開關(guān)的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端相連。相序輸出電路部分由三態(tài)門驅(qū)動(dòng)電路和相序轉(zhuǎn)換線圈KM1、KM2構(gòu)成。顯示輸出電路部分由顯示驅(qū)動(dòng) 電路和顯示器構(gòu)成，顯示驅(qū)動(dòng)電路與微處理器部分的PO 口連接。由于顯示輸出電路不屬于 本實(shí)用新型的核心內(nèi)容，故采用通用的LED顯示電路即可，在本實(shí)用新型的原理電路圖中 也未予顯示。通訊接口部分由微處理器P3. 2 口通過(guò)中斷方式連接串行總線，與外部主機(jī)進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換構(gòu)成。外部輸入電路部分，由微處理器P3. 3 口通過(guò)中斷方式構(gòu)成。本實(shí)用新型所提出檢測(cè)與測(cè)量的工作過(guò)程為加電后，微處理器首先進(jìn)行自檢； 然后對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)出控制信號(hào)，依次選擇6路模擬輸入進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成后，由微處 理器內(nèi)程序?qū)σ粋€(gè)電壓周期內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位分析與補(bǔ)償計(jì)算，確定三相電的相序和 相位，然后采取單相峰值采樣配以特殊角度采樣的方法來(lái)測(cè)量三相電的實(shí)時(shí)電壓值和電流 值，分析電路運(yùn)行是否存在單相過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)流、短路的狀況，如有則報(bào)警。本實(shí)用新型的核心電路主要功能如下微處理器是本系統(tǒng)硬件的核心，擬采用 89C52，工頻為12MHz，其內(nèi)置8K閃存，不用添加外置存貯器。微處理器的PO 口作為模數(shù)轉(zhuǎn) 換結(jié)果的讀取口，顯示設(shè)備數(shù)據(jù)的輸出口，也是多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器和模擬開關(guān)控制口 ；微處理 器輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路控制信號(hào)也由PO 口發(fā)出，先通過(guò)74LS373鎖存器，低四位分別作為
模數(shù)轉(zhuǎn)換器片選端δ!、高8位與
低4位選擇端Α、轉(zhuǎn)換與讀選擇端R/δ、12或8位輸出端12/§的控制信號(hào)，高四位作為多路
模擬開關(guān)的三個(gè)選擇端AO、Al、A2與一個(gè)使能端面〒的控制信號(hào)，用以選通6路模擬輸入 信號(hào)；微處理器的P2. 0、P2. 1為相序轉(zhuǎn)換線圈KMl和KM2的控制位，通過(guò)三態(tài)門輸出，P2. 2 控制三態(tài)門的使能端；P2. 3連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的STS端，用查詢的方式確定模數(shù)轉(zhuǎn)換是否結(jié) 束；P2.4 — P2.7 口，Pl 口保留；P3.0、P3. 1作為讀寫控制端控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的CE端；內(nèi)部 Tl與T2分別作為程序定時(shí)器用。微處理器的專業(yè)軟件部分對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行統(tǒng)一管理，并 對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。檢測(cè)電路由三個(gè)電壓互感器TV1、TV2、TV3和三個(gè)電流互感器 TAU TA2、TA3組成，其中連接在電壓互感器上各有一電阻，以起限電流的作用，6路模擬信 號(hào)通過(guò)8路模擬開關(guān)CC4051，選擇其中一路連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入口 ；選用不同變比的 電流互感器、電壓互感器，可以完成對(duì)不同三相電路的測(cè)量。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路先通過(guò)8路模擬 開關(guān)CC4051，根據(jù)微處理器PO 口高4位信號(hào)的控制，選擇一路模擬量作為輸入，由模數(shù)轉(zhuǎn)換 器AD574進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)字輸出按要求傳遞給微處理器，作進(jìn)一步程序分析處理；不同轉(zhuǎn)換速 度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器得出不同的相位測(cè)量精度，如選用中速25 μ s的轉(zhuǎn)換器件，測(cè)量誤差小于 0.2°，選用高速2μ s的轉(zhuǎn)換器件，測(cè)量誤差小于0.04°。本實(shí)用新型的輔助電路主要功能如下相序輸出電路由兩個(gè)三態(tài)門和相序轉(zhuǎn)換線 圈ΚΜ1、ΚΜ2組成，用來(lái)輸出微處理器程序分析的相序結(jié)果，KMU ΚΜ2由+ 24V電源供電， 分別由Ρ2. 0、Ρ2. 1控制，Ρ2. 2為兩個(gè)三態(tài)門的控制信號(hào)。電壓、電流、過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò) 流、短路等狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)PO 口輸出送通用LED屏顯示(在圖中沒有畫出)。本實(shí)用新型微處 理器89C52、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574、多路模擬開關(guān)CC4051工作電壓為+ 5V，AD574參考電壓為 士 15V，繼電器線圈電壓為+ 24V.通訊接口電路為接口端子。本實(shí)用新型中，P3. 2為RS-232、RS_485通訊接口的串行中斷口，方便其作為叢機(jī) 運(yùn)行時(shí)能夠適時(shí)與主控機(jī)進(jìn)行通訊，通過(guò)上位機(jī)，可以實(shí)時(shí)的將從機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理。 P3. 3作為外部鍵盤輸入的串行中斷輸入接口。[0024]模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換示意圖如圖2所示。其原理是根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果確定幅度的最大 值，同時(shí)得出90°相位所在時(shí)刻。微處理器內(nèi)進(jìn)行程序處理的原理框圖如圖3所示，測(cè)量相位時(shí)，由于電路電感、電 容的存在，要進(jìn)行必要的相位補(bǔ)償，以此為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)時(shí)電壓、電流值進(jìn)行計(jì)算，并分析單相 過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)流、短路的狀況。
權(quán)利要求1.一種多功能數(shù)字檢相測(cè)量?jī)x，其特征是主要包括微處理器部分、檢測(cè)電路部分、模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分、相序輸出電路部分和顯示輸出電路部分，其中a、微處理器部分由微處理器構(gòu)成，由微處理器發(fā)出控制信號(hào)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器部分輸入信 號(hào)的選擇、轉(zhuǎn)換時(shí)刻的確定、轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取進(jìn)行控制，內(nèi)部基于相位測(cè)量的程序?qū)δ?shù)轉(zhuǎn) 換結(jié)果進(jìn)行處理，得出三相電路的相序、相位及電壓與電流實(shí)時(shí)值；b、檢測(cè)電路部分由與三相電對(duì)應(yīng)的三個(gè)電壓互感器(TVl、TV2、TV3)和三個(gè)電流互感 器(TA1、TA2、TA3)組成，該三個(gè)電壓互感器(TVl、TV2、TV3)和三個(gè)電流互感器(TAl、TA2、 TA3)分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分相應(yīng)的輸入端連接，檢測(cè)電路部分對(duì)三相電進(jìn)行變比處理， 使獲得的模擬信號(hào)符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入范圍；c、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分由一個(gè)8路模擬開關(guān)和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，8路模擬開關(guān)的輸 入端連接與三相電對(duì)應(yīng)的電壓互感器和電流互感器，輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 的輸出端與微處理器的PO 口連接，8路模擬開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制端由PO 口發(fā)出的信號(hào) 經(jīng)鎖存器后相連接，按微處理器的要求對(duì)各路輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換好后結(jié)果傳遞給微處理 器；d、相序輸出電路部分由三態(tài)門驅(qū)動(dòng)電路和相序轉(zhuǎn)換線圈(KM1、KM2)構(gòu)成，根據(jù)程序分 析的結(jié)果，發(fā)出信號(hào)使驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整三相電路相序；e、顯示輸出電路部分由顯示驅(qū)動(dòng)電路和顯示器構(gòu)成或者由LED顯示電路構(gòu)成，顯示驅(qū) 動(dòng)電路或者LED顯示電路與微處理器的PO 口連接，根據(jù)程序分析的結(jié)果，通過(guò)PO 口的數(shù) 據(jù)，顯示三相電當(dāng)前的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能數(shù)字檢相測(cè)量?jī)x，其特征是還包括通訊接口部分，該 通訊接口部分由微處理器中斷0 (P3.2) 口連接串行總線，與外部主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換構(gòu)成， 接口電路完成與上位機(jī)設(shè)備的通訊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多功能數(shù)字檢相測(cè)量?jī)x，其特征是還包括外部輸入電 路部分，該部分處理外部鍵盤輸入，由微處理器中斷1 口(P3. 3)通過(guò)中斷方式處理。
專利摘要本實(shí)用新型多功能數(shù)字檢相測(cè)量?jī)x。屬于機(jī)床電氣測(cè)量與控制技術(shù)領(lǐng)域。它主要是解決現(xiàn)有相序識(shí)別、相位測(cè)量、幅度測(cè)量需不同設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。它的主要特征是包括微處理器部分、檢測(cè)電路部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分、相序輸出電路部分和顯示輸出電路部分，其中，檢測(cè)電路部分由與三相電對(duì)應(yīng)的三個(gè)電壓互感器和三個(gè)電流互感器組成，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分由一個(gè)8路模擬開關(guān)和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，相序輸出電路部分由三態(tài)門驅(qū)動(dòng)電路和相序轉(zhuǎn)換線圈構(gòu)成。本實(shí)用新型集成電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、集成度高、測(cè)量思路新穎，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)與控制電路，主要用于工業(yè)用50Hz三相交流電路相序、相位、電壓與電流值的檢測(cè)與測(cè)量，可控硅導(dǎo)通角的控制。
文檔編號(hào)G01R31/02GK201845054SQ20102052922
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月15日
發(fā)明者馬萬(wàn)超 申請(qǐng)人:馬萬(wàn)超