本實(shí)用新型屬于電路測量
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種電流測量監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，越來越多家用電器走進(jìn)了我們的家庭，那么對于家庭電路和電器的保護(hù)就越發(fā)顯得重要了。所以為了防止電路及家庭電器因電流過大而造成錯(cuò)誤或損壞，我們就需要對其電路進(jìn)行過流保護(hù)，電流監(jiān)控器就是方便而有效的監(jiān)護(hù)設(shè)備。傳統(tǒng)的電流測量采用電阻分壓法，而一般的電阻在電路中都會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，電阻發(fā)熱導(dǎo)致溫度變化，溫度的改變會(huì)導(dǎo)致阻值的變化，從而影響測量的精度。第二，對于非純電阻的分壓電阻兩端存在頻率問題，因?yàn)樽杩怪禃?huì)隨頻率變化而變化，分流器兩端的電壓也會(huì)隨頻率變化，影響測試精度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本實(shí)用新型的目的，在于提供一種家庭電路電流監(jiān)控器，其可在電流值超過安全范圍時(shí)斷開主回路，有效保護(hù)電氣設(shè)備和電器。為了達(dá)成上述目的，本實(shí)用新型的解決方案是：一種家庭電路電流監(jiān)控器，包括主控模塊、采樣電阻、信號采樣電路、信號調(diào)理電路、繼電器、按鍵、顯示模塊和電源模塊，其中，采樣電阻和繼電器連接在家庭電路主回路中，信號采樣電路測量采樣電阻兩端的電壓信號，并送入信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路進(jìn)行放大后傳送到主控模塊，主控模塊計(jì)算電流的有效值并判斷其是否在安全范圍內(nèi)，若不在安全范圍內(nèi)則發(fā)出指令對繼電器進(jìn)行斷開操作，并控制指示燈顯示，計(jì)算結(jié)果由顯示模塊顯示；按鍵與主控模塊連接，用于供使用者進(jìn)行控制；電源模塊與主控模塊連接。上述采樣電阻的一端接地，另一端經(jīng)由繼電器連接家用電器的一端，家用電器的另一端經(jīng)由隔離開關(guān)連接220V電源。上述采樣電阻采用康銅絲。上述康銅絲長30mm、規(guī)格0.95Ω/m、橫截面積為1.5平方毫米。上述信號調(diào)理電路包括電壓跟隨器和運(yùn)算放大器，電壓跟隨器的輸出端連接運(yùn)算放大器的輸入端，信號采樣電路的輸出端也連接運(yùn)算放大器的輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端連接主控模塊。上述電源模塊包括順序連接的電源變壓器、整流電路和濾波電路，濾波電路的輸出端連接主控模塊。上述電源變壓器采用交流220V轉(zhuǎn)交流9V的變壓器。上述整流電路包括整流橋和2個(gè)電容，其中，整流橋由4個(gè)二極管兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)組成，整流橋的輸入端連接電源變壓器的輸出端，2個(gè)電容均并聯(lián)在整流橋的輸出端。上述整流電路還包括三端穩(wěn)壓器，三端穩(wěn)壓器與整流橋的輸出端連接。上述三端穩(wěn)壓器采用78L05。上述顯示模塊采用字符型LCD1602。采用上述方案后，本實(shí)用新型采用電流測量方法——電阻分壓法，采用具有良好焊接性能的康銅絲作為采樣電阻，將采樣電壓信號送入信號調(diào)理電路，通過對信號進(jìn)行放大，再傳送到單片機(jī)，由單片機(jī)的A/D模塊對輸入的電壓信號進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，然后由單片機(jī)對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到電流有效值，并判斷電流有效值是否在安全范圍內(nèi)，若不在安全范圍內(nèi)則會(huì)由主控芯片發(fā)出指令對繼電器進(jìn)行斷開操作，繼而主回路斷開，從而達(dá)到保護(hù)電路及電器的目的，測量結(jié)果可顯示在LCD上。本實(shí)用新型的電流測量范圍為0.1A～10.0A，測量精度±2％，具有硬件使用方便、電路簡單、快速測量和測量過程自動(dòng)化等特點(diǎn)。附圖說明圖1是本實(shí)用新型的整體電路框圖；圖2是本實(shí)用新型中主控模塊的電路圖；圖3是本實(shí)用新型中信號采樣及保護(hù)的電路實(shí)現(xiàn)圖；圖4是本實(shí)用新型中信號調(diào)理電路的電路圖；圖5是本實(shí)用新型中顯示模塊的電路圖；圖6是本實(shí)用新型中電源模塊的電路圖。具體實(shí)施方式以下將結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種家庭電路電流監(jiān)控器，包括主控模塊、采樣電阻、信號采樣電路、信號調(diào)理電路、繼電器、按鍵、顯示模塊和電源模塊，其中，信號采樣電路通過采樣電阻得到回路中的被測信號，被測信號為采樣電阻兩端的電壓信號，將測量得到的電壓信號送入信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路對較小的電壓信號進(jìn)行放大，再傳送到主控模塊(單片機(jī))，由單片機(jī)的A/D模塊對輸入的電壓信號進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，然后由單片機(jī)對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，求出電流的有效值并判斷其是否在安全范圍內(nèi)，若不在安全范圍內(nèi)則發(fā)出指令對繼電器進(jìn)行斷開操作，繼而主回路斷開，并有指示燈顯示，從而達(dá)到保護(hù)電路及電器的目的，測量結(jié)果由顯示模塊顯示。如圖2所示，在本實(shí)施例中，主控模塊選用STC125AC32AD芯片，它與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品完全兼容，內(nèi)部自帶8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有低功耗空閑和掉電模式，精度較高、價(jià)格便宜。如圖2所示，P1.0即ADC0連接到運(yùn)算放大器LM2904的輸出腳(7腳)，采樣后的電壓值經(jīng)信號調(diào)理電路放大后，通過P1.0進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；P1.3即PWRON為繼電器控制信號引腳，當(dāng)電流超過安全范圍時(shí)，P1.3發(fā)出的控制信號經(jīng)過電阻和三極管后再送到繼電器；P1.4和P1.5即L-APM和L-TIME，為功能按鍵指示燈；P0.0-P0.7采用并行方式，將數(shù)據(jù)傳送給LCD的DB0-DB7，P2.5-P2.7分別接LCD的RS、RW、EN；P3.4和P3.5即K-APM和K-TIME，為輸入按鍵控制信號引腳；單片機(jī)的31腳接的是復(fù)位電路，復(fù)位電路采用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種復(fù)位方式，當(dāng)按鍵按下時(shí)，RESET引腳處于高電平狀態(tài)。STC12C5A32AD是高電平復(fù)位，并且持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。時(shí)鐘采用12M無源晶振直接提供，其信號質(zhì)量好，比較穩(wěn)定。圖2中晶振的1腳接單片機(jī)XTAL1，2腳接單片機(jī)XTAL2。在本實(shí)施例中，采樣電阻采用康銅絲，它具有電阻溫度系數(shù)低、使用溫度范圍寬、價(jià)格便宜、適用范圍廣等特點(diǎn)，通過的最大電流為18A，而我國的普通家庭電路的額定電流是10A，可以達(dá)到使用需要。在本實(shí)施例中選用的是長30mm、規(guī)格0.95Ω/m、橫截面積為1.5平方毫米的康銅絲。康銅絲的一端接地，另一端經(jīng)由繼電器連接家用電器的一端，家用電器的另一端經(jīng)由隔離開關(guān)連接220V電源。配合圖3所示，進(jìn)行信號采樣時(shí)，負(fù)載通過ACOUT串聯(lián)在回路中，ACIN接220V的交流電源。在電路主回路中接入一段采樣電阻(康銅絲)，通過對電路進(jìn)行電阻分壓來采得電阻兩端的電壓信號，將其送入信號調(diào)理電路LM2904的5腳。由于本實(shí)用新型的測量范圍為：0.1A～10.0A，我們采用橫截面積為1.5平方毫米、阻值為0.95Ω/m的康銅絲，經(jīng)計(jì)算論證得出串入康銅絲的長度為30mm時(shí)，測量的結(jié)果較理想。對電路及電器的即時(shí)保護(hù)，是通過將一個(gè)繼電器加入電路主回路中的方法實(shí)現(xiàn)的。用單片機(jī)控制這個(gè)繼電器，當(dāng)電流過大并超過所規(guī)定的測量范圍時(shí)，單片機(jī)將發(fā)出斷開繼電器的指令，此時(shí)繼電器斷開，電路停止工作，從而達(dá)到保護(hù)電路和電器的目的。單片機(jī)的控制信號是通過P1.3引腳輸出的，控制信號傳輸要經(jīng)過一個(gè)三極管Q1，控制信號通過控制Q1的狀態(tài)來控制繼電器的通斷，Q1處在導(dǎo)通狀態(tài)(繼電器閉合)或處在截止?fàn)顟B(tài)(繼電器斷開)，從而控制主電路的通和斷。值得注意的是，由于本實(shí)施例測量的最大電流是10A，為了保護(hù)監(jiān)控器的整個(gè)回路，我們需要在回路中串聯(lián)一個(gè)15A或20A的保險(xiǎn)絲，以免電流過大時(shí)對電路造成損害。如圖4所示，由信號采樣電路采樣得到的電壓值需要先通過具有抬高和放大功能的信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路的抬高和放大功能由LM2904接成的一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)，選用信號調(diào)理電路的原因有兩點(diǎn)：一是，采樣電阻的阻值很小，即使通過很大的電流，其兩端的電壓值也是很小的，為了方便單片機(jī)檢測，所以需要將其放大。二是，采樣后的電壓值是交流信號，其包括正負(fù)兩種電位，需要將其電位都抬高為正電位才能進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測。因?yàn)樾盘栒{(diào)理電路主要的功能是放大，其作用是將基本轉(zhuǎn)換電路或傳感器輸出的微弱信號R12不失真地加以放大，由于傳感器輸出的信號形式和大小各不相同，傳感器所處的環(huán)境條件、噪聲對傳感器的影響也不一樣，因此所采用的放大電路的形式和性能指標(biāo)也不相同。對于信號的放大，LM2904的5、6、7腳與R17、R21構(gòu)成同相放大電路，其電壓增益AV為：在實(shí)際設(shè)計(jì)中，R17＝33K，R21＝5.6K，所以電壓增益即該電路將輸入電壓放大了7倍。對于電位的抬高，LM2904的1、2、3腳接成了一個(gè)電壓跟隨器，即3腳的輸入電壓與一腳輸出電壓的大小相等，相位相同。假設(shè)由1腳輸出的電壓為U1，則U1通過R12加到LM2904的5腳，它與經(jīng)過R14的采樣信號相疊加，從而實(shí)現(xiàn)了電位的抬高。因?yàn)樵诒緦?shí)施例中，STC12C5A32AD單片機(jī)的A/D口的最高上限電壓為+5V，所以輸入單片機(jī)的模擬電壓的最大值也為5V，這樣只要將電位抬高2.5V就可保證采樣到的所有電壓值都為正，所以本實(shí)施例中將電位抬高2.5V。如圖5所示，在本實(shí)施例中，顯示模塊選用字符型LCD1602，它是專門用于顯示字母、數(shù)字、點(diǎn)陣型的液晶顯示模塊。它由若干個(gè)字符塊組成，每個(gè)字符塊是一個(gè)字符位，每個(gè)位都能顯示一個(gè)字符，兩個(gè)字符位之間會(huì)有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，此間隔的作用是字符間距和行距。LCD的數(shù)據(jù)輸入口DB0-DB7采用并行方式與單片機(jī)的P0.0～P0.7相連，LCD的RS、RW、EN分別與單品機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7相接，LCD的3腳外接一個(gè)10K的可變電阻用來調(diào)節(jié)LCD的亮度，15腳和16腳分別是背光電源線和地線。按鍵用于供使用者進(jìn)行控制，本系統(tǒng)用了兩個(gè)按鍵，其中，S1為電流顯示功能按鍵，連接STC12C5A32AD的P3.4引腳，擁有顯示當(dāng)前電流、記憶電流及清除記憶電流功能；S2為系統(tǒng)啟停鍵，連接STC12C5A32AD的P3.5引腳，是系統(tǒng)啟動(dòng)與停止的功能鍵；D8與D9為系統(tǒng)運(yùn)行指示燈，分別接入單片機(jī)的P1.4與P1.5引腳。如圖6所示，電源模塊為單片機(jī)提供+5V的直流穩(wěn)壓電源供其工作，其主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路組成，其中，電源變壓器采用交流220V轉(zhuǎn)交流9V的變壓器，其輸入端口連接220V電源電壓，輸出端口接整流電路；整流電路采用四個(gè)二極管連接成的整流橋與兩個(gè)電容組成的整流電路，由于該直流電壓還含有較大的紋波，所以后級采用三端穩(wěn)壓器78L05穩(wěn)壓，所以大電容輸出電壓符合穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓范圍，整流電路的輸出端加了1000uF的大電容，作用是在電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，能夠維持輸出直流電壓穩(wěn)定及在斷電時(shí)提供足夠的續(xù)流，保證單片機(jī)能夠有足夠時(shí)間處理及保存最后結(jié)果。表1中包括A/D轉(zhuǎn)換前后的數(shù)據(jù)比較、電流的測量值與理論值的比較和測量誤差。測量誤差選用相對誤差進(jìn)行分析，相對誤差γ是絕對誤差與標(biāo)準(zhǔn)值之比的百分?jǐn)?shù)，即式中，△A為絕對誤差(絕對誤差是測量值與理論值的差值)，A為標(biāo)準(zhǔn)值即理論值。相對誤差γ比絕對誤差有較大的實(shí)用性，因?yàn)棣媚鼙硎境鰷y量的準(zhǔn)確程度。例如，測量10V電壓和測量1000V電壓，并設(shè)它們測量絕對誤差相等，都是差1V，前者的相對誤差是10％，而后者的相對誤差是0.1％，顯然后者的測量準(zhǔn)確度高得多。表1輸入模擬電壓A/D轉(zhuǎn)換電壓電流測量值電流理論值相對誤差(％)2.59872.59850.460.496-7.22.73452.73451.061.100-2.82.84652.84671.681.736-2.82.97042.97002.232.357-5.33.09363.09362.862.977-3.93.21753.21703.543.598-1.63.34143.34144.214.218-0.183.46513.6524.894.8381.073.58903.58895.355.459-1.23.83643.83646.636.699-13.93563.93567.167.196-0.5本系統(tǒng)對A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)度要求很高，由于STC12C5A32AD單片機(jī)采用10位高速A/D轉(zhuǎn)換，相比較使用傳統(tǒng)的ADC0809的8位A/D轉(zhuǎn)換，STC12C5A32AD具有更高的精度和更高的速度的特性，通過表1可以看出，A/D轉(zhuǎn)換的精度很高。同時(shí)由以上的測試結(jié)果也可以看出，當(dāng)負(fù)載功率較小，即干路電流也相對較小時(shí)，相對誤差比較大，尤其是測量電流小于3A時(shí)，相對誤差已達(dá)到7％。而當(dāng)測量電流大于3A時(shí)，相對誤差比較小，幾乎都在±2％以內(nèi)。如表2所示，這說明設(shè)計(jì)只有測量電流大于3A時(shí)才能達(dá)到規(guī)定精度要求。表2針對上述小電流時(shí)誤差較大的問題，分析其原因可能有以下幾點(diǎn)：第一、數(shù)據(jù)處理過程中存在一定的誤差，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)處理過程中對有效數(shù)字的處理會(huì)影響到測量值讀取，從而影響誤差的計(jì)算。在本系統(tǒng)中，LCD顯示的電流有效值只有四位有效數(shù)字，小數(shù)點(diǎn)后只顯示了兩位有效數(shù)字，所以在讀取數(shù)據(jù)時(shí)顯示的測量值就與真正的測量值有了一定的誤差，這樣就對測量精度產(chǎn)生了一定影響，這種誤差在測量電流較小的情況下，對其精度的影響會(huì)更大。第二、當(dāng)回路中的電流較小時(shí)，測量到電壓信號也很小，即使將采樣的電壓信號放大7倍，其放大后的信號還是很小，這也會(huì)影響單片機(jī)對信號的采集，產(chǎn)生一定的誤差。第三、在本系統(tǒng)中，由于直接在回路上接入了分壓電阻(康銅絲)，所以它在電路上會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，同時(shí)即使采樣電阻(康銅絲)具有較低的電阻溫度系數(shù)，較寬的使用溫度范圍(480℃以下)，但是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，還是會(huì)產(chǎn)生溫度變化，這些都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。以上實(shí)施例僅為說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3