電學實驗用多功能智能電源的製作方法
2023-05-19 01:53:26 3
專利名稱:電學實驗用多功能智能電源的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電學實驗用多功能智能電源，即本智能電源的系統電源單元輸入端連接外部電源、輸出端分別連接界面控制單元、信號發生控制單元和功放單元以提供各單元不同的工作電源，界面控制單元設定不同的工作模式並且輸出端連接信號發生控制單元的輸入端，信號發生控制單元的輸出端連接功放單元的輸入端，功放單元的輸出端輸出實驗所需電源，反饋單元採集功放單元的輸出信號並且反饋至信號發生控制單元，傳感器控制單元採集傳感器信號並且上傳至界面控制單元。本智能電源具有恆壓、恆流的穩定電源輸出，電源輸出波形根據需要可調，並且可用於傳感器的標定，滿足了學校教學實驗的需要，保證了各類電學實驗的順利進行。
【專利說明】電學實驗用多功能智能電源
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電學實驗用多功能智能電源。
【背景技術】
[0002]實驗電源是學校電學實驗中必備的設備，它可以為電學實驗提供所需的電源輸出，但現有的實驗電源只能實現基本的電學實驗需求，而無法滿足對電源具有一定要求的電學實驗，第一不能提供實驗要求的恆壓、恆流的穩定輸出，尤其是無恆流輸出，即不能產生恆定不變的電流輸出，在很多電學實驗中，實驗電源必需具有固定的電流輸出特性，實驗中就可以保證在電流不變的情況下分析電壓與電阻的關係；第二電源的輸出波形不可調，如在法拉第電磁感應實驗過程中，需要電源輸出鋸齒狀波形，傳統的實驗電源無法實現該功能；第三傳統實驗電源沒有傳感器的標定功能，無法對一些使用時間過長的傳感器進行校準。因此傳統的實驗電源已無法滿足學校教學的需要，其存在較多缺陷，影響了電學實驗的順利進行。
【發明內容】
[0003]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種電學實驗用多功能智能電源，本電源克服了傳統實驗電源的缺陷，具有恆壓、恆流的穩定電源輸出，電源輸出波形根據需要可調，並且可用於傳感器的標定，滿足了學校教學實驗的需要，保證了各類電學實驗的順利進行。
[0004]為解決上述技術問題，本實用新型電學實驗用多功能智能電源包括系統電源單元、界面控制單元、信號發生控制單元、傳感器控制單元、功放單元和反饋控制單元，所述系統電源單元輸入端連接外部電源、輸出端分別連接所述界面控制單元、信號發生控制單元和功放單元以提供各單元不同的工作電源，所述界面控制單元設定不同的工作模式並且輸出端連接所述信號發生控制單元的輸入端，所述信號發生控制單元的輸出端連接所述功放單元的輸入端，所述功放單元的輸出端輸出實驗所需電源，所述反饋單元採集所述功放單元的輸出信號並且反饋至所述信號發生控制單元，所述傳感器控制單元採集傳感器信號並且上傳至所述界面控制單元。
[0005]進一步，所述系統電源單元包括大功率開關電源模塊和電壓變換模塊，所述大功率開關電源模塊的輸入端連接外部電源、輸出端連接所述電壓變換模塊的輸入端，所述電壓變換模塊輸出不同電壓提供各單元的工作電源。
[0006]進一步，所述界面控制單元包括第一 ARM處理器、藍牙模塊、USB接口模塊、傳感器接口模塊、旋轉編碼器接口模塊、SD卡接口模塊、顯示接口模塊和通訊模塊，所述藍牙模塊、USB接口模塊、傳感器接口模塊、旋轉編碼器接口模塊、SD卡接口模塊、顯示接口模塊和通訊模塊分別連接所述第一 ARM處理器，所述藍牙模塊用於第一 ARM處理器與外部設備的無線通訊，所述USB接口模塊用於連接USB設備，所述傳感器接口模塊用於連接所述傳感器控制單元，所述旋轉編碼器接口模塊用於連接旋轉編碼器，所述SD卡接口模塊用於連接外部SD卡，所述顯示接口模塊用於連接外部顯示器，所述通訊模塊用於連接所述信號發生控制單元。
[0007]進一步，所述傳感器控制單元包括USB host控制晶片，所述USB host控制晶片用於採集外部傳感器信號並且上傳至所述界面控制單元。
[0008]進一步，所述信號發生控制單元包括第二 ARM處理器、高精度電壓基準模塊和信號調理放大模塊，所述高精度電壓基準模塊和信號調理放大模塊分別連接所述第二 ARM處理器，所述高精度電壓基準模塊提供所述第二 ARM處理器輸出電壓的基準信號，所述信號調理放大模塊對所述第二 ARM處理器輸出電壓進行調理放大後傳輸至所述功放單元。
[0009]進一步，所述功放單元包括大功率放大集成模塊、過流保護模塊和輸出電流採樣模塊，所述過流保護模塊和輸出電流採樣模塊分別連接所述大功率放大集成模塊輸出端，所述過流保護模塊提供所述大功率放大集成模塊輸出電流的過流保護，所述輸出電流採樣模塊供所述反饋控制單元採集所述功放單元的輸出信號。
[0010]進一步，所述反饋控制單元包括信號採集模塊、輸出過流保護處理模塊和過流保護繼電器控制模塊，所述信號採集模塊採集所述功放單元的輸出電壓、電流並且將採集信號傳輸給所述輸出過流保護處理模塊，所述輸出過流保護處理模塊監測所述功放單元的輸出電壓、電流，如超出設定值發出信號給所述過流保護繼電器控制模塊和信號發生控制單元，所述信號發生控制單元中斷信號輸出，所述過流保護繼電器控制模塊切斷外部負載並且報警。
[0011]由於本實用新型電學實驗用多功能智能電源採用了上述技術方案，即本智能電源的系統電源單元輸入端連接外部電源、輸出端分別連接界面控制單元、信號發生控制單元和功放單元以提供各單元不同的工作電源，界面控制單元設定不同的工作模式並且輸出端連接信號發生控制單元的輸入端，信號發生控制單元的輸出端連接功放單元的輸入端，功放單元的輸出端輸出實驗所需電源，反饋單元採集功放單元的輸出信號並且反饋至信號發生控制單元，傳感器控制單元採集傳感器信號並且上傳至界面控制單元。本電源克服了傳統實驗電源的缺陷，具有恆壓、恆流的穩定電源輸出，電源輸出波形根據需要可調，並且可用於傳感器的標定，滿足了學校教學實驗的需要，保證了各類電學實驗的順利進行。
【附圖說明】
[0012]下面結合附圖和實施方式對本實用新型作進一步的詳細說明:
[0013]圖1為本實用新型電學實驗用多功能智能電源的原理框圖；
[0014]圖2為本智能電源系統電源單元中電壓變換模塊的電路實現圖；
[0015]圖3為本智能電源界面控制單元第一 ARM處理器的引腳示意圖；
[0016]圖4為本智能電源界面控制單元第一 ARM處理器的晶振電路圖；
[0017]圖5為本智能電源界面控制單元中藍牙模塊接口電路圖；
[0018]圖6為本智能電源界面控制單元中USB接口模塊電路圖；
[0019]圖7為本智能電源界面控制單元中傳感器接口模塊電路圖；
[0020]圖8為本智能電源界面控制單元中通訊模塊接口電路圖；
[0021]圖9為本智能電源界面控制單元中旋轉編碼器接口模塊電路圖；
[0022]圖10為本智能電源界面控制單元中顯示接口模塊電路圖；
[0023]圖11為本智能電源界面控制單元中SD卡接口模塊電路圖；
[0024]圖12為本智能電源傳感器控制單元電路實現圖；
[0025]圖13為本智能電源信號發生控制單元第二 ARM處理器的引腳示意圖；
[0026]圖14為本智能電源信號發生控制單元第二 ARM處理器的晶振電路圖；
[0027]圖15為本智能電源信號發生控制單元高精度電壓基準模塊的電路實現圖；
[0028]圖16為本智能電源信號發生控制單元信號調理放大模塊的電路實現圖；
[0029]圖17為本智能電源功放單元大功率放大集成模塊的電路實現圖；
[0030]圖18為本智能電源功放單元過流保護模塊的電路實現圖；
[0031]圖19為本智能電源功放單元輸出電流採樣模塊的電路實現圖；
[0032]圖20為本智能電源反饋控制單元信號採集模塊的電路實現圖；
[0033]圖21為本智能電源反饋控制單元輸出過流保護處理模塊的電路實現圖；
[0034]圖22為本智能電源反饋控制單元過流保護繼電器控制模塊的電路實現圖。
【具體實施方式】
[0035]實施例如圖1所示，本實用新型電學實驗用多功能智能電源包括系統電源單元1、界面控制單元2、信號發生控制單元3、傳感器控制單元4、功放單元5和反饋控制單元6，所述系統電源單元I輸入端連接外部電源、輸出端分別連接所述界面控制單元2、信號發生控制單元3和功放單元5以提供各單元不同的工作電源，所述界面控制單元2設定不同的工作模式並且輸出端連接所述信號發生控制單元3的輸入端，所述信號發生控制單元3的輸出端連接所述功放單元5的輸入端，所述功放單元5的輸出端輸出實驗所需電源，所述反饋單元6採集所述功放單元5的輸出信號並且反饋至所述信號發生控制單元3，所述傳感器控制單元4採集傳感器信號並且上傳至所述界面控制單元2。
[0036]優選的，所述系統電源單元包括大功率開關電源模塊和電壓變換模塊，所述大功率開關電源模塊的輸入端連接外部電源、輸出端連接所述電壓變換模塊的輸入端，所述電壓變換模塊輸出不同電壓提供各單元的工作電源。
[0037]圖2為電壓變換模塊的電路實現圖，由LM2596晶片實現±24V及5V電壓輸出，由HT7833晶片實現3.3V電壓輸出，由TPS60400晶片實現一 5V電壓輸出。
[0038]優選的，所述界面控制單元包括第一 ARM處理器、藍牙模塊、USB接口模塊、傳感器接口模塊、旋轉編碼器接口模塊、SD卡接口模塊、顯示接口模塊和通訊模塊，所述藍牙模塊、USB接口模塊、傳感器接口模塊、旋轉編碼器接口模塊、SD卡接口模塊、顯示接口模塊和通訊模塊分別連接所述第一 ARM處理器，所述藍牙模塊用於第一 ARM處理器與外部設備的無線通訊，所述USB接口模塊用於連接USB設備，所述傳感器接口模塊用於連接所述傳感器控制單元，所述旋轉編碼器接口模塊用於連接旋轉編碼器，所述SD卡接口模塊用於連接外部SD卡，所述顯示接口模塊用於連接外部顯示器，所述通訊模塊用於連接所述信號發生控制單元。
[0039]圖3為第一 ARM處理器的引腳示意圖，其型號為STM32F103VCT6，這是一片基於ARM指令系統、硬體資源豐富、最高工作頻率可到72MHZ的微處理器；圖4為第一 ARM處理器的晶振電路圖；圖5為與第一 ARM處理器連接的藍牙模塊接口電路圖；圖6為與第一 ARM處理器連接的USB接口模塊電路圖；圖7為與第一 ARM處理器連接的傳感器接口模塊電路圖；圖8為與第一 ARM處理器連接的通訊模塊接口電路圖；圖9為與第一 ARM處理器連接的旋轉編碼器接口模塊電路圖；圖10為與第一 ARM處理器連接的顯示接口模塊電路圖；圖11為與第一 ARM處理器連接的SD卡接口模塊電路圖。
[0040]優選的，如圖12所示，所述傳感器控制單元包括USB host控制晶片，其採用CH374T晶片，所述USB host控制晶片用於採集外部傳感器信號並且上傳至所述界面控制單元。
[0041]優選的，所述信號發生控制單元包括第二 ARM處理器、高精度電壓基準模塊和信號調理放大模塊，所述高精度電壓基準模塊和信號調理放大模塊分別連接所述第二 ARM處理器，所述高精度電壓基準模塊提供所述第二 ARM處理器輸出電壓的基準信號，所述信號調理放大模塊對所述第二 ARM處理器輸出電壓進行調理放大後傳輸至所述功放單元。
[0042]圖13為第二 ARM處理器的引腳示意圖，其型號與第一 ARM處理器相同，圖14為第二ARM處理器的晶振電路圖；圖15為與第二 ARM處理器連接的高精度電壓基準模塊的電路圖；圖16為與第二 ARM處理器連接的信號調理放大模塊的電路實現圖；第二 ARM處理器通過內部高速DAC電路產生各種信號經過信號調理放大模塊後送功率單元並最終輸出；高精度電壓基準模塊為DAC和ADC提供電壓基準。
[0043]優選的，所述功放單元包括大功率放大集成模塊、過流保護模塊和輸出電流採樣模塊，所述過流保護模塊和輸出電流採樣模塊分別連接所述大功率放大集成模塊輸出端，所述過流保護模塊提供所述大功率放大集成模塊輸出電流的過流保護，所述輸出電流採樣模塊供所述反饋控制單元採集所述功放單元的輸出信號。
[0044]圖17為大功率放大集成模塊的電路示意圖，其採用型號為0PA541的功放晶片，這是一款高精度高帶寬的大功率放大集成電路，最大輸出電流可達10A。用來放大信號發生控制單元輸出調理後的DAC信號；圖18為過流保護模塊電路圖，其中電阻R45是過流保護自恢復保險絲；圖19為輸出電流採樣模塊的電路圖，其中電阻R38是輸出電流採樣電阻。
[0045]優選的，所述反饋控制單元包括信號採集模塊、輸出過流保護處理模塊和過流保護繼電器控制模塊，所述信號採集模塊採集所述功放單元的輸出電壓、電流並且將採集信號傳輸給所述輸出過流保護處理模塊，所述輸出過流保護處理模塊監測所述功放單元的輸出電壓、電流，如超出設定值發出信號給所述過流保護繼電器控制模塊和信號發生控制單元，所述信號發生控制單元中斷信號輸出，所述過流保護繼電器控制模塊切斷外部負載並且報警。
[0046]圖20為信號採集模塊的電路圖，通過功放單元的採樣電阻測量功放單元輸出的電壓和電流，反饋給信號發生控制單元；圖21為輸出過流保護處理模塊的電路圖，其實時監測功放單元輸出的電壓和電流，如超過設置值即發出過流保護繼電器動作信號並發送中斷信號給信號發生控制單元的第二 ARM處理器進行處理；圖22為過流保護繼電器控制模塊的電路圖，當有過流信號產生時繼電器U13動作斷開外部輸出並產生報警提示音。
[0047]本智能電源中系統電源單元將220v市電轉化成各單元需要電壓提供工作電源，通過界面控制單元選擇設置所要輸出的信號類型並且將設定參數發送命令至信號發生控制單元，信號發生控制單元通過高精度運算輸出對應波形信號到功放單元進行功率放大輸出，反饋控制單元實時監測功放單元輸出信號的各項參數並反饋給信號發生控制單元，以便信號發生控制單元實時調整信號輸出，確保最終輸出的信號準確無誤；當連接傳感器時，傳感器控制單元採集傳感器數據並上傳數據到界面控制單元進行顯示，設置、存儲和標定等各項操作。
[0048]本智能電源在教學實驗中主要應用於法拉第電磁感應定律實驗，通過設置輸出各種波形，通過調整波形的頻率及幅度大小為實驗提供所需要的電壓波形；另外可以標定各類傳感器，如PH傳感器，標定之後pH傳感器在採集數據時更加精確，該傳感器所讀取的原始數據一般為電壓值，比如，PH傳感器在測量pH=4的溶液時原始數據為386mv，那麼在本智能電源上標記下pH=4的原始數據為386mv，這樣就對pH=4進行了標定，同樣的方式標定pH=9的原始電壓數據，這樣就完成了 pH傳感器的標定，兩點確定一直線，pH傳感器即可以測量出準確的實驗數據。
[0049]本智能電源為多功能數位化可編程電源，採用高集成度、高速數位化集成電路實現了大功率可編程信號輸出，除了提供傳統實驗電源的恆壓輸出功能外，還具備其他多種類型的信號輸出，可編輯輸出正弦波、三角波、矩形波、梯形波，甚至其他任意波形，特別適用於在一些電學實驗中需要這些特殊信號驅動實驗設備、電學教具的場合。本智能電源採用了圖形化用戶界面，輸出信號可見，操作簡單直觀。支持數位化實驗室傳感器專用接口，可以實現實驗數據的採集、顯示、存儲，在數位化電學實驗中可以得到廣泛的應用。
[0050]本智能電源的基本參數為:
[0051]1、輸出電壓範圍±20V，電流±2A ;
[0052]2、電壓、電流輸出準確度0.1%FS ；
[0053]3、3寸TFT液晶顯示屏，圖形化用戶界面；
[0054]4、內置2G內存卡，可存儲設置參數和保存傳感器採集數據；
[0055]5、可輸出直流、正弦波、三角波、矩形波、梯形等其他可編程的信號，輸出頻率最高2MHz，失真度小於1% ；
[0056]6、內置短路、過流多重保護；
[0057]7、支持各類數位化實驗的傳感器標定。
[0058]本智能電源的特點為:
[0059]1、數位化可編程控制，高精度輸出，本智能電源基於高速DA+功放+高速AD反饋來實現可變電壓的精準輸出，解析度可達滿量程萬分之五；
[0060]2、具有負電壓、恆流輸出功能，負電壓和恆流輸出功能特別適用電學實驗中需要負電壓和恆流輸出的場合；
[0061]3、大功率可編程信號輸出，大功率可編程信號可以作為信號源驅動外部設備，如輸出交流信號驅動電機等；
[0062]4、可連接智能終端設備，通過專用軟體設定智能電源的輸出信號，智能電源配合專用軟體可以實現對外部設備進行可編程邏輯控制；
[0063]5、直觀的圖形化界面，簡單易用，採用3寸彩色液晶屏顯示，輸出的信號參數、波形可直觀的顯示出來，輸出信號參數方便調節，簡單易用；
[0064]6、數位化實驗室傳感器標定支持，智能電源可接入數位化實驗室各類傳感器，可以顯示並存儲傳感器數據，充當傳感器採集器的作用。
【權利要求】
1.一種電學實驗用多功能智能電源，其特徵在於:本智能電源包括系統電源單元、界面控制單元、信號發生控制單元、傳感器控制單元、功放單元和反饋控制單元，所述系統電源單元輸入端連接外部電源、輸出端分別連接所述界面控制單元、信號發生控制單元和功放單元以提供各單元不同的工作電源，所述界面控制單元設定不同的工作模式並且輸出端連接所述信號發生控制單元的輸入端，所述信號發生控制單元的輸出端連接所述功放單元的輸入端，所述功放單元的輸出端輸出實驗所需電源，所述反饋單元採集所述功放單元的輸出信號並且反饋至所述信號發生控制單元，所述傳感器控制單元採集傳感器信號並且上傳至所述界面控制單元。2.根據權利要求1所述的電學實驗用多功能智能電源，其特徵在於:所述系統電源單元包括大功率開關電源模塊和電壓變換模塊，所述大功率開關電源模塊的輸入端連接外部電源、輸出端連接所述電壓變換模塊的輸入端，所述電壓變換模塊輸出不同電壓提供各單元的工作電源。3.根據權利要求1所述的電學實驗用多功能智能電源，其特徵在於:所述界面控制單元包括第一 ARM處理器、藍牙模塊、USB接口模塊、傳感器接口模塊、旋轉編碼器接口模塊、SD卡接口模塊、顯示接口模塊和通訊模塊，所述藍牙模塊、USB接口模塊、傳感器接口模塊、旋轉編碼器接口模塊、SD卡接口模塊、顯示接口模塊和通訊模塊分別連接所述第一 ARM處理器，所述藍牙模塊用於第一 ARM處理器與外部設備的無線通訊，所述USB接口模塊用於連接USB設備，所述傳感器接口模塊用於連接所述傳感器控制單元，所述旋轉編碼器接口模塊用於連接旋轉編碼器，所述SD卡接口模塊用於連接外部SD卡，所述顯示接口模塊用於連接外部顯示器，所述通訊模塊用於連接所述信號發生控制單元。4.根據權利要求1所述的電學實驗用多功能智能電源，其特徵在於:所述傳感器控制單元包括USB host控制晶片，所述USB host控制晶片用於採集外部傳感器信號並且上傳至所述界面控制單元。5.根據權利要求1所述的電學實驗用多功能智能電源，其特徵在於:所述信號發生控制單元包括第二 ARM處理器、高精度電壓基準模塊和信號調理放大模塊，所述高精度電壓基準模塊和信號調理放大模塊分別連接所述第二 ARM處理器，所述高精度電壓基準模塊提供所述第二 ARM處理器輸出電壓的基準信號，所述信號調理放大模塊對所述第二 ARM處理器輸出電壓進行調理放大後傳輸至所述功放單元。6.根據權利要求1所述的電學實驗用多功能智能電源，其特徵在於:所述功放單元包括大功率放大集成模塊、過流保護模塊和輸出電流採樣模塊，所述過流保護模塊和輸出電流採樣模塊分別連接所述大功率放大集成模塊輸出端，所述過流保護模塊提供所述大功率放大集成模塊輸出電流的過流保護，所述輸出電流採樣模塊供所述反饋控制單元採集所述功放單元的輸出信號。7.根據權利要求1所述的電學實驗用多功能智能電源，其特徵在於:所述反饋控制單元包括信號採集模塊、輸出過流保護處理模塊和過流保護繼電器控制模塊，所述信號採集模塊採集所述功放單元的輸出電壓、電流並且將採集信號傳輸給所述輸出過流保護處理模塊，所述輸出過流保護處理模塊監測所述功放單元的輸出電壓、電流，如超出設定值發出信號給所述過流保護繼電器控制模塊和信號發生控制單元，所述信號發生控制單元中斷信號輸出，所述過流保護繼電器控制模塊切斷外部負載並且報警。
【文檔編號】G05B19-042GK204270077SQ201420780308
【發明者】陳強, 楊磊, 陶強, 李仙海 [申請人]上海數好數字信息科技有限公司