多功能電參數測量儀的製作方法

2023-10-17 21:24:09 1

專利名稱：多功能電參數測量儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於電氣測量技術領域，具體涉及一種單片機控制的多功能工 頻交流電參數測量儀表。
背景技術：
工頻交流電參數的測量應用十分廣泛。傳統的測量儀表在使用時需預 先估計待測值的測量範圍，多數情況下都要從較大量程檔位逐次向小量程 檔位切換。另外，傳統的測量儀表測量功能單一,一般儀表只能測量一、兩個 電參數,如需測量多個電參數，則需用多個單功能測量儀表來測量，增加了操 作的複雜性和用戶的經濟負擔，且易發生誤操作損壞儀表。

發明內容
本發明的目的在於克服上述不足之處，提供一種多功能電參數測量儀， 該測量儀結構簡單、性能可靠、成本較低，並且具有量程自動轉換和計算 機通訊功能，能適用於各種需測量工頻電多參數的場合。
本發明提供的多功能電參數測量儀， 一種多功能電參數測量儀，其特 徵在於它包括電壓轉換器、第一、第二可控衰減/放大器、第一、第二A/D 轉換器、相位差檢測器、電流轉換器、單片機、顯示模塊和輸入模塊；
電壓轉換器用於接收被測工頻電壓信號，降壓後將電壓信號分別傳送 給第一可控衰減/放大器和相位差檢測器的一端；
第一可控衰減/放大器用於將電壓信號衰減/放大，並根據來自於單片機 的控制信號對電壓信號進行實時衰減，然後對衰減的電壓信號進行放大處 理並傳送給第一 A / D轉換器；
第一 A/D轉換器將電壓模擬信號轉化為數值信號後傳送給單片機； 電流轉換器用於接收被測工頻電流信號，經變流後分別傳送給第二可
控衰減/放大器和相位差檢測器的另一端；
第二可控衰減/放大器對變流後的電流信號進行衰減/放大，並根據來自
於單片機的控制信號對電流信號進行實時衰減，然後對衰減的電流信號進
行放大處理再傳送給第二 A/D轉換器；
第二 A/D轉換器將電流模擬信號轉化為數值信號後傳送給單片機； 相位差檢測器分別接收來自電壓轉換器輸出的工頻電壓信號和來自電
流轉換器輸出的工頻電流信號，經整形轉換為反映電壓與電流相位差的正
方波信號傳送給單片機；
輸入模塊與單片機相連，用於將用戶輸入的控制信號傳輸給單片機， 單片機對接收的數據進行處理，顯示模塊與單片機相連，用於顯示單片機 輸出的數據處理結果。
本發明具有以下技術特點
(1) 本發明採用單片機控制技術能實現對工頻電流和電壓多量程自動轉 換；採用可控衰減/放大器，測量精度高；
(2) 本發明的測量機理是採用單片機控制技術將各種電壓、電流信號和
電壓、電流相位差信號進行自動檢測處理後通過接口電路輸出顯示。它可 測量工頻電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率 等多個電參數。它具有結構簡單，直觀準確，靈敏度高，使用壽命長，功 能強，智能化，性能可靠，成本較低，能適應於各種需檢測工頻電多參數 的場合。
(3) 本發明採用單片機控制，減少了測量誤差；
(4) 本發明採用單片機控制並通過通訊模塊與計算機相連，進行聯網通 訊，便於自動化管理。


圖l是本發明多功能電參數測量儀的電路結構示意圖。
圖2是圖1中的相位差檢測器的電路結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。
本發明的硬體原理圖如圖1所示，它包括電壓轉換器1、第一、第二 可控衰減/放大器2、 6、第一、第二A/D轉換器3、 7、相位差檢測器4、電 流轉換器5、單片機8、顯示模塊9和輸入模塊10;它還可以設置通訊模塊 11，與計算機進行數據通訊。
電壓轉換器1用於接收被測工頻電壓信號，降壓後將電壓信號分別傳 送給第一可控衰減/放大器2和相位差檢測器4的一端。
第一可控衰減/放大器2用於將電壓信號衰減/放大，並根據來自於單片 機8的控制信號對電壓信號進行實時衰減，然後對衰減的電壓信號進行放 大處理並傳送給第一 A / D轉換器3。
第一 A/D轉換器3將電壓模擬信號轉化為數值信號後傳送給單片機8。
電流轉換器5接收被測工頻電流信號，經變流後分別傳送給第二可控 衰減/放大器6和相位差檢測器4的另一端。
第二可控衰減/放大器6對變流後的電流信號進行衰減/放大，並根據來 自於單片機8的控制信號對電流信號進行實時衰減，然後對衰減的電流信 號進行放大處理再傳送給第二 A / D轉換器7。
第二 A/D轉換器7將電流模擬信號轉化為數值信號後傳送給單片機8。
相位差檢測器4分別接收來自電壓轉換器1輸出的工頻電壓信號和來 自電流轉換器5輸出的工頻電流信號，經整形轉換為反映電壓與電流相位 差的正方波信號傳送給單片機8。
單片機8接收來自經電壓轉換器5變壓後,並經過第一可控衰減/放大器 2處理和經第一 A / D轉換器3轉換後的被測工頻電壓數位訊號儲存;此電壓數值可供計算和顯示之用;同時，單片機8根據所測的電壓信號大小，對 第一可控衰減/放大器2發出控制信號，對電壓信號進行實時衰減。
單片機8接收來自經電流轉換器5變流後,並經過第二可控衰減/放大器 6處理和經第二 A / D轉換器7轉換後的被測工頻電流信號儲存;此電流數 值可供計算和顯示之用;同時，單片機8根據所測的電流信號大小，對第二 可控衰減/放大器7發出控制信號，對電流信號進行實時衰減。
單片機8接收來自經相位差檢測器4檢測後的反映被測電壓與電流相 位差的正方波信號並儲存;此相位差數值可供計算之用;同時，單片機8根據 所測的電壓信號與相位差信號進行相位比較並儲存，可判斷電壓與電流信 號誰超前、誰滯後，以便顯示無功功率的正負。
單片機8與顯示模塊9的輸入相聯，可分別顯示被測工頻電壓、工頻 電流、功率、功率因數、頻率等多參數數值。
輸入模塊10的輸出與單片機8相聯，單片機8把測到的輸入信號分別 送入各控制單元進行處理。
單片機8與通訊模塊11的輸入相聯，單片機8把測到的各種數據送入 通訊模塊11,通訊模塊11可把各種數據輸出給計算機，即實現與計算機進行 通訊功能。
如圖2所示，相位差檢測器4包括第一光耦合器41、第一過零比較器 43、異或門45、第二光耦合器42、第二過零比較器44、電阻R1、 R2、 R3、 R4，第一、第二穩壓二級管D1、 D2。
第一光耦合器41的輸入端與被測工頻電壓信號相連，其輸出端通過電 阻R1與第一過零比較器43的一個輸入端相接，另一個輸入端接地。第一 過零比較器43的輸出端通過電阻R2與第一穩壓二級管D1的穩壓端相連， 穩壓二級管D1的另一端接地，穩壓二級管D1的穩壓端還與異或門45的 一個輸入端相連，並與單片機8的一個接口相連。
第二光耦合器42的輸入端與被測工頻電流信號相連，其輸出端通過電 阻R3與第二過零比較器44的一個輸入端相接，另一個輸入端接地。第二 過零比較器44的輸出端通過電阻R4與第二穩壓二級管D2的穩壓端相連，
穩壓二級管D2的另一端接地，穩壓二級管D2的穩壓端還與異或門45的 另一個輸入端相連。異或門45的輸出端與單片機8的另一個接口相連。
它的測量原理為:被測工頻電壓信號送入第一光耦合器41隔離，隔離後 電壓信號送入第一過零比較器43，第一過零比較器43輸出為正方波信號， 此電壓正方波信號與異或門45的一個輸入端相聯；被測工頻電流信號送入 第二光耦合器42隔離，隔離後電流信號送入第二過零比較器44,第二過零 比較器44輸出的為正方波信號，此電流正方波信號與異或門45的另一個輸 入端相聯；異或門45的輸出即為反映電壓與電流相位差的正方波信號，此相 位差信號與單片機8的一個輸入端相聯，此時單片機8可測出此相位差數值 並儲存它,以便進行相應的運算(如COS4)和SINci))並儲存。另夕卜，第一過零 比較器43輸出的電壓正方波信號送入單片機8的另一個輸入端相聯，單片 機8通過兩個輸入端的信號進行比較，可判斷電壓與電流信號誰超前、誰滯 後,以便顯示無功功率的正負。 實例-
本發明多功能電參數測量儀表，它的硬體電路可採用如下元件:電壓轉 換器l可採用電壓互感器，電流轉換器5可採用電流互感器，第一、第二D /A可控衰減/放大器2、 6可共同採用一個模擬開關(如CD4052、 CD4053 等)；放大器可共同採用一種運算放大器(如LM324等)，第一、第二 A/D 轉換器3、 7可共同採用各種A/D轉換器(如TLC1543等)，相位差檢測器 4的器件，第一、第二光耦合器41、42可共同採用一個光耦合器(如TLP521-2 等)；第一、第二過零比較器43、 44可共同採用一種運算放大器(如LM324 等)，單片機8可採用AT89C51和AT89C2051以及AT8086等晶片，顯示 模塊9可採用液晶和數碼管顯示，(如數碼管顯示採用HC595三態8位移位 寄存器和ULN2003驅動器來驅動數碼管或液晶顯示)，輸入模塊10可採用 標準鍵盤16鍵和普通按鍵組成，通訊模塊11可採用串行口和並行口通訊 晶片(如串口晶片RS232或SN65LBC184等)。單片機可通過通訊模塊11 與計算機相連接，進行數據通訊。
權利要求
1、一種多功能電參數測量儀，其特徵在於它包括電壓轉換器(1)、第一、第二可控衰減/放大器(2、6)、第一、第二A/D轉換器(3、7)、相位差檢測器(4)、電流轉換器(5)、單片機(8)、顯示模塊(9)和輸入模塊(10)；電壓轉換器(1)用於接收被測工頻電壓信號，經降壓後將電壓信號分別傳送給第一可控衰減/放大器(2)和相位差檢測器(4)的一端；第一可控衰減/放大器(2)用於將電壓信號衰減/放大，並根據來自於單片機(8)的控制信號對電壓信號進行實時衰減，然後對衰減的電壓信號進行放大處理並傳送給第一A/D轉換器(3)；第一A/D轉換器(3)將電壓模擬信號轉化為數值信號後傳送給單片機(8)；電流轉換器(5)用於接收被測工頻電流信號，經變流後分別傳送給第二可控衰減/放大器(6)和相位差檢測器(4)的另一端；第二可控衰減/放大器(6)對變流後的電流信號進行衰減/放大，並根據來自於單片機(8)的控制信號對電流信號進行實時衰減，然後對衰減的電流信號進行放大處理再傳送給第二A/D轉換器(7)；第二A/D轉換器(7)將電流模擬信號轉化為數值信號後傳送給單片機(8)；相位差檢測器(4)分別接收來自電壓轉換器(1)輸出的工頻電壓信號和來自電流轉換器(5)輸出的工頻電流信號，經整形轉換為反映電壓與電流相位差的正方波信號傳送給單片機(8)；輸入模塊(10)與單片機(8)相連，用於將用戶輸入的控制信號傳輸給單片機(8)，單片機(8)對接收的數據進行處理，顯示模塊(9)與單片機(8)相連，用於顯示單片機(8)輸出的數據處理結果。
2、 根據權利要求1所述的多功能電參數測量儀，其特徵在於它還包 括與單片機(8)相連的通訊模塊(11)。
3、 根據權利要求1或2所述的多功能電參數測量儀，其特徵在於相 位差檢測器(4)的結構為第一光耦合器(41)的輸入端與被測工頻電壓信號相連，其輸出端通 過電阻R1與第一過零比較器(43)的一個輸入端相接，另一個輸入端接地; 第一過零比較器(43)的輸出端通過電阻R2與第一穩壓二級管(Dl)的穩 壓端相連，穩壓二級管(Dl)的另一端接地，穩壓二級管(Dl)的穩壓端 還與異或門(45)的一個輸入端相連，並與單片機(8)的一個接口相連；第二光耦合器(42)的輸入端與被測工頻電流信號相連，其輸出端通 過電阻R3與第二過零比較器(44)的一個輸入端相接，另一個輸入端接地; 第二過零比較器(44)的輸出端通過電阻R4與第二穩壓二級管(D2)的穩 壓端相連，穩壓二級管(D2)的另一端接地，穩壓二級管(D2)的穩壓端 還與異或門(45)的另一個輸入端相連，異或門(45)的輸出端與單片機 (8)的另一個接口相連。
全文摘要
本發明公開了一種多功能電參數測量儀，包括電壓轉換器、第一、第二可控衰減/放大器、第一、第二A/D轉換器、相位差檢測器、電流轉換器、單片機、顯示模塊和輸入模塊；還可增設與單片機相連的通訊模塊。該裝置採用將可控衰減放大器與A/D轉換器相結合的方法來提高精度，並通過單片機進行實時控制，來完成對工頻電壓、電流、功率、功率因數、頻率等多參數的自動測量。該裝置具有顯示直觀、準確，使用方便可靠等優點，可廣泛應用於需自動測量工頻交流電多參數的企業和實驗室等場合。
文檔編號G01R15/12GK101187677SQ20071016850
公開日2008年5月28日 申請日期2007年11月28日 優先權日2007年11月28日
發明者軍 李, 偉 魏 申請人:華中科技大學