一种多功能电力仪表论文和设计-汤珍敏

全文摘要

本实用新型涉及一种多功能电力仪表，包括开关电源模块、按键模块、开关量输入模块、采样模块、直流测量模块、485通信模块、MCU、开关量输出模块、显示模块、模拟量输出模块，所述按键模块的输出端、开关量输入模块的输出端、采样模块的输出端、直流测量模块的输出端分别连接到MCU的输入端，485通信模块与MCU连接，MCU的输出端分别连接开关量输出模块的输入端、显示模块的输入端、模拟量输出模块的输入端，开关电源模块分别为按键模块、开关量输入模块、采样模块、485通信模块、MCU、开关量输出模块、显示模块及模拟量输出模块提供工作电压。本实用新型可以实现模拟量的采集和输出控制，且开关电源模块供电可靠，为各个模块提供所需的工作电压。

主设计要求

1.一种多功能电力仪表，其特征在于：包括开关电源模块、按键模块、开关量输入模块、采样模块、直流测量模块、485通信模块、MCU、开关量输出模块、显示模块、模拟量输出模块，所述按键模块的输出端、开关量输入模块的输出端、采样模块的输出端、直流测量模块的输出端分别连接到MCU的输入端，485通信模块与MCU连接，MCU的输出端分别连接开关量输出模块的输入端、显示模块的输入端、模拟量输出模块的输入端，开关电源模块分别为按键模块、开关量输入模块、采样模块、485通信模块、MCU、开关量输出模块、显示模块及模拟量输出模块提供工作电压，所述开关电源模块包括热敏电阻PTC1、电阻R1～R7、整流桥D1、电感L1～L4、电容C1～C13、二极管D2～D4、变压器T1，所述变压器T1包括初级绕组、偏置绕组、第一次级绕组和第二次级绕组，所述热敏电阻PTC1的两端连接外部交流电压，整流桥D1输入端连接到热敏电阻PTC1的两端，整流桥D1输出端的一端接地，整流桥D1输出端的另一端连接电感L1的一端，所述电容C3、电感L3、电容C4依次串联，电容C3的一端连接电感L1的一端，电容C4的一端连接电感L1的另一端，电阻R5并联在电感L3的两端，电容C3的另一端和电容C4的另一端均接地，所述电阻R2、电阻R4、二极管D3、变压器T1的初级绕组依次串联，电感L1的另一端连接电阻R2的一端，电容C2并联在电阻R2的两端，所述第一次级绕组、二极管D2、电感L2、电阻R3依次串联，电阻R1与电容C1串联，电阻R1的一端连接二极管D2的正极，电容C1的一端连接二极管D2的负极，电容C5的一端连接二极管D2的负极，电容C5的另一端连接第一次级绕组的一端，电容C7并联在电容C5两端，电容C6和电容C8均并联在电阻R3的两端，电容C6的两端输出9V直流电压，所述第二次级绕组、二极管D4、电感L4、电阻R7依次串联，电阻R6与电容C9串联，电阻R6的一端连接二极管D4的正极，电容C9的一端连接二极管D4的负极，电容C10的一端连接二极管D4的负极，电容C10的另一端连接第二次级绕组的一端，电容C12并联在电容C10两端，电容C11和电容C13均并联在电阻R7的两端，电容C11的两端输出5V直流电压，所述开关电源模块还包括电容C15、电容C16、电容C17、电容E1、电容E2、电阻R11、低压差稳压器U2，所述电阻R11和电容E2串联，电阻R11的一端连接低压差稳压器U2的EN引脚，电容E2的一端接地，电容C15并联在电容E2的两端，电阻R11的另一端和低压差稳压器U2的VIN引脚均连接5V直流电压，低压差稳压器U2的GND引脚接地，所述电容C16和电容C17串联，电容C16的一端连接低压差稳压器U2的BYP引脚，电容C17的一端连接低压差稳压器U2的VOUT引脚，电容E1并联在电容C17的两端，电容E1的两端输出3.3V直流电压。

设计方案

所述开关电源模块包括热敏电阻PTC1、电阻R1～R7、整流桥D1、电感L1～L4、电容C1～C13、二极管D2～D4、变压器T1，所述变压器T1包括初级绕组、偏置绕组、第一次级绕组和第二次级绕组，所述热敏电阻PTC1的两端连接外部交流电压，整流桥D1输入端连接到热敏电阻PTC1的两端，整流桥D1输出端的一端接地，整流桥D1输出端的另一端连接电感L1的一端，所述电容C3、电感L3、电容C4依次串联，电容C3的一端连接电感L1的一端，电容C4的一端连接电感L1的另一端，电阻R5并联在电感L3的两端，电容C3的另一端和电容C4的另一端均接地，所述电阻R2、电阻R4、二极管D3、变压器T1的初级绕组依次串联，电感L1的另一端连接电阻R2的一端，电容C2并联在电阻R2的两端，所述第一次级绕组、二极管D2、电感L2、电阻R3依次串联，电阻R1与电容C1串联，电阻R1的一端连接二极管D2的正极，电容C1的一端连接二极管D2的负极，电容C5的一端连接二极管D2的负极，电容C5的另一端连接第一次级绕组的一端，电容C7并联在电容C5两端，电容C6和电容C8均并联在电阻R3的两端，电容C6的两端输出9V直流电压，所述第二次级绕组、二极管D4、电感L4、电阻R7依次串联，电阻R6与电容C9串联，电阻R6的一端连接二极管D4的正极，电容C9的一端连接二极管D4的负极，电容C10的一端连接二极管D4的负极，电容C10的另一端连接第二次级绕组的一端，电容C12并联在电容C10两端，电容C11和电容C13均并联在电阻R7的两端，电容C11的两端输出5V直流电压，

所述开关电源模块还包括电容C15、电容C16、电容C17、电容E1、电容E2、电阻R11、低压差稳压器U2，所述电阻R11和电容E2串联，电阻R11的一端连接低压差稳压器U2的EN引脚，电容E2的一端接地，电容C15并联在电容E2的两端，电阻R11的另一端和低压差稳压器U2的VIN引脚均连接5V直流电压，低压差稳压器U2的GND引脚接地，所述电容C16和电容C17串联，电容C16的一端连接低压差稳压器U2的BYP引脚，电容C17的一端连接低压差稳压器U2的VOUT引脚，电容E1并联在电容C17的两端，电容E1的两端输出3.3V直流电压。

2.根据权利要求1所述的多功能电力仪表，其特征在于：所述开关电源模块还包括电阻R8～R10、电容C14、光耦O2、二极管D5、离线式开关芯片P2，所述电阻R8和电阻R10串联，电阻R8的一端连接偏执绕组的一端，电阻R10的一端接地，电阻R10的另一端连接离线式开关芯片P2的FB引脚，电容C14的一端接地，电容C14的另一端连接离线式开关芯片P2的BP引脚，离线式开关芯片P2的D引脚连接初级绕组的一端，离线式开关芯片P2的S引脚均接地，所述电阻R9的一端连接初级绕组的另一端，电阻R9的另一端分别连接光耦O2的正极和二极管D5的负极，光耦O2的负极和二极管D5的正极共地连接，光耦O2的发射极接地，光耦O2的集电极连接MCU的输入端。

3.根据权利要求1或2所述的多功能电力仪表，其特征在于：所述模拟量输出模块包括电阻R12～R21、电容C18～C20、光耦O1、运算放大器U1A、运算放大器U1B、三极管Q1，所述电阻R12的一端连接3.3V直流电压，电阻R12的另一端连接光耦O1的正极，光耦O1的负极连接MCU的输出端，光耦O1的发射极接地，光耦O1的集电极分别连接电阻R13的一端和电阻R14的一端，电阻R13的另一端连接9V直流电压，电阻R14的另一端连接运算放大器U1A的同相输入端，运算放大器U1A的输出端连接运算放大器的反相输入端，电阻R15、电阻R17、电阻R18依次串联，电阻R15的一端连接运算放大器U1A的输出端，电阻R15的另一端分别连接电容C18的一端和电阻R16的一端，电阻R18的一端连接电容C19的一端，电容C18的另一端、电阻R16的另一端、电容C19的另一端共地连接，电阻R18的另一端连接运算放大器U1B的同相输入端，运算放大器U1B的输出端分别连接电容C20的一端和电阻R20的一端，电容C20的另一端分别连接运算放大器U1B的反相输入端和电阻R19的一端，电阻R19的另一端分别连接电阻R21的一端和三极管Q1的发射极，电阻R21的另一端接地，电阻R20的另一端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极输出模拟量信号。

4.根据权利要求1或2所述的多功能电力仪表，其特征在于：所述直流测量模块包括电阻R22～R25、电容C21～C22，所述电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25依次串联，电容C21与电容C22串联，所述电阻R22的一端和电阻R25的一端连接外部模拟量信号，电容C21的一端连接电阻R22的另一端，电容C22的一端连接电阻R25的另一端，电容C22的另一端与电阻R23的一端共地连接，电容C21的一端与电容C22的一端分别连接至MCU的输入端。

5.根据权利要求1或2所述的多功能电力仪表，其特征在于：所述MCU采用NuMicro M051系列中的M052微控制器。

6.根据权利要求1或2所述的多功能电力仪表，其特征在于：所述低压差稳压器U2的型号为CAT6219。

7.根据权利要求2所述的多功能电力仪表，其特征在于：所述离线式开关芯片P2的型号为LNK625。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种电力仪表，尤其涉及一种多功能电力仪表。

背景技术

多功能电力仪表是自主研发时一种具有可编程测量、显示、数字通讯和电能脉冲变送输出等多功能智能仪表，能够完成电量测量、电能计量、数据显示、采集及传输，是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦等电力智能监控和电能计量需求而设计。现有的多功能电力仪表存在以下缺陷：1.仅设置有开关量的输入和输出，不能对一些模拟量进行采集和输出控制；2.电力仪表内为各模块供电电压等级不同导致电源部分存在电路复杂、供电不可靠的缺点。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种可以实现模拟量输出控制和采集、生产成本低、供电电压可靠的多功能电力仪表。

为了实现以上目的，本实用新型采用这样一种多功能电力仪表，包括开关电源模块、按键模块、开关量输入模块、采样模块、直流测量模块、485通信模块、MCU、开关量输出模块、显示模块、模拟量输出模块，所述按键模块的输出端、开关量输入模块的输出端、采样模块的输出端、直流测量模块的输出端分别连接到MCU的输入端，485通信模块与MCU连接，MCU的输出端分别连接开关量输出模块的输入端、显示模块的输入端、模拟量输出模块的输入端，开关电源模块分别为按键模块、开关量输入模块、采样模块、485通信模块、MCU、开关量输出模块、显示模块及模拟量输出模块提供工作电压，

上述电力仪表具有直流测量模块和模拟量输出模块，可以实现模拟量的采集和输出控制，而且开关电源模块连接简单、生产成本低，供电可靠，其输出9V直流电压、5V直流电压、3.3V直流电压为不同的元器件提供工作电压，满足各个模块的供电需求。

本实用进一步设置为开关电源模块还包括电阻R8～R10、电容C14、光耦O2、二极管D5、离线式开关芯片P2，所述电阻R8和电阻R10串联，电阻R8的一端连接偏执绕组的一端，电阻R10的一端接地，电阻R10的另一端连接离线式开关芯片P2的FB引脚，电容C14的一端接地，电容C14的另一端连接离线式开关芯片P2的BP引脚，离线式开关芯片P2的D引脚连接初级绕组的一端，离线式开关芯片P2的S引脚均接地，所述电阻R9的一端连接初级绕组的另一端，电阻R9的另一端分别连接光耦O2的正极和二极管D5的负极，光耦O2的负极和二极管D5的正极共地连接，光耦O2的发射极接地，光耦O2的集电极连接MCU的输入端。

上述离线式开关芯片P2及其外围元器件能大大简化开关电源模块的电路构成，极大降低了开关电源部分的生产成本，且具有先进的故障保护特性和高效节能的优点。

本实用进一步设置为模拟量输出模块包括电阻R12～R21、电容C18～C20、光耦O1、运算放大器U1A、运算放大器U1B、三极管Q1，所述电阻R12的一端连接3.3V直流电压，电阻R12的另一端连接光耦O1的正极，光耦O1的负极连接MCU的输出端，光耦O1的发射极接地，光耦O1的集电极分别连接电阻R13的一端和电阻R14的一端，电阻R13的另一端连接9V直流电压，电阻R14的另一端连接运算放大器U1A的同相输入端，运算放大器U1A的输出端连接运算放大器的反相输入端，电阻R15、电阻R17、电阻R18依次串联，电阻R15的一端连接运算放大器U1A的输出端，电阻R15的另一端分别连接电容C18的一端和电阻R16的一端，电阻R18的一端连接电容C19的一端，电容C18的另一端、电阻R16的另一端、电容C19的另一端共地连接，电阻R18的另一端连接运算放大器U1B的同相输入端，运算放大器U1B的输出端分别连接电容C20的一端和电阻R20的一端，电容C20的另一端分别连接运算放大器U1B的反相输入端和电阻R19的一端，电阻R19的另一端分别连接电阻R21的一端和三极管Q1的发射极，电阻R21的另一端接地，电阻R20的另一端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极输出模拟量信号。

上述模拟量输出模块通过MCU输出可调的PWM方波，依次通过光耦的隔离、运算放大器的运放输出4-20mA的模拟量信号。

本实用进一步设置为直流测量模块包括电阻R22～R25、电容C21～C22，所述电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25依次串联，电容C21与电容C22串联，所述电阻R22的一端和电阻R25的一端连接外部模拟量信号，电容C21的一端连接电阻R22的另一端，电容C22的一端连接电阻R25的另一端，电容C22的另一端与电阻R23的一端共地连接，电容C21的一端与电容C22的一端分别连接至MCU的输入端。

上述直流测量模块可通过改变电阻R22～R25的阻值来测量不同模拟信号值。

本实用进一步设置为MCU采用NuMicro M051系列中的M052微控制器。

上述NuMicro M051系列中的M052微控制器的I\/O端口、EBI(外部总线接口)、PWM、看门狗定时器和欠压检测等功能集成在微控制器内部，减少系统外围元器件数量，节省电路板空间和系统成本。

本实用进一步设置为低压差稳压器U2的型号为CAT6219。

本实用进一步设置为离线式开关芯片P2的型号为LNK625。

附图说明

图1是本实用新型实施例原理方框图。

图2是本实用新型实施例开关电源模块电路原理图。

图3是本实用新型实施例开关电源模块电路原理图。

图4是本实用新型实施例开关电源模块电路原理图。

图5是本实用新型实施例开关电源模块电路原理图。

图6是本实用新型实施例模拟量输出模块电路原理图。

图7是本实用新型实施例模拟量输出模块电路原理图。

图8是本实用新型实施例模拟量输出模块电路原理图。

图9是本实用新型实施例直流测量模块电路原理图。

图10是本实用新型实施例MCU电路原理图。

具体实施方式

如图1、2、3、10所示，本实用新型是一种多功能电力仪表，包括开关电源模块、按键模块、开关量输入模块、采样模块、直流测量模块、485通信模块、MCU、开关量输出模块、显示模块、模拟量输出模块，MCU采用NuMicro M051系列中的M052微控制器，所述按键模块的输出端、开关量输入模块的输出端、采样模块的输出端、直流测量模块的输出端分别连接到MCU的输入端，485通信模块与MCU连接，MCU的输出端分别连接开关量输出模块的输入端、显示模块的输入端、模拟量输出模块的输入端，开关电源模块分别为按键模块、开关量输入模块、采样模块、485通信模块、MCU、开关量输出模块、显示模块及模拟量输出模块提供工作电压，

所述开关电源模块还包括电容C15、电容C16、电容C17、电容E1、电容E2、电阻R11、低压差稳压器U2，低压差稳压器U2的型号为CAT6219，所述电阻R11和电容E2串联，电阻R11的一端连接低压差稳压器U2的EN引脚，电容E2的一端接地，电容C15并联在电容E2的两端，电阻R11的另一端和低压差稳压器U2的VIN引脚均连接5V直流电压，低压差稳压器U2的GND引脚接地，所述电容C16和电容C17串联，电容C16的一端连接低压差稳压器U2的BYP引脚，电容C17的一端连接低压差稳压器U2的VOUT引脚，电容E1并联在电容C17的两端，电容E1的两端输出3.3V直流电压。

如图4、5、10所示，开关电源模块还包括电阻R8～R10、电容C14、光耦O2、二极管D5、离线式开关芯片P2，离线式开关芯片P2的型号为LNK625，所述电阻R8和电阻R10串联，电阻R8的一端连接偏执绕组的一端，电阻R10的一端接地，电阻R10的另一端连接离线式开关芯片P2的FB引脚，电容C14的一端接地，电容C14的另一端连接离线式开关芯片P2的BP引脚，离线式开关芯片P2的D引脚连接初级绕组的一端，离线式开关芯片P2的S引脚均接地，所述电阻R9的一端连接初级绕组的另一端，电阻R9的另一端分别连接光耦O2的正极和二极管D5的负极，光耦O2的负极和二极管D5的正极共地连接，光耦O2的发射极接地，光耦O2的集电极连接MCU的输入端。

如图6、7、8、10所示，模拟量输出模块包括电阻R12～R21、电容C18～C20、光耦O1、运算放大器U1A、运算放大器U1B、三极管Q1，所述电阻R12的一端连接3.3V直流电压，电阻R12的另一端连接光耦O1的正极，光耦O1的负极连接MCU的输出端，光耦O1的发射极接地，光耦O1的集电极分别连接电阻R13的一端和电阻R14的一端，电阻R13的另一端连接9V直流电压，电阻R14的另一端连接运算放大器U1A的同相输入端，运算放大器U1A的输出端连接运算放大器的反相输入端，电阻R15、电阻R17、电阻R18依次串联，电阻R15的一端连接运算放大器U1A的输出端，电阻R15的另一端分别连接电容C18的一端和电阻R16的一端，电阻R18的一端连接电容C19的一端，电容C18的另一端、电阻R16的另一端、电容C19的另一端共地连接，电阻R18的另一端连接运算放大器U1B的同相输入端，运算放大器U1B的输出端分别连接电容C20的一端和电阻R20的一端，电容C20的另一端分别连接运算放大器U1B的反相输入端和电阻R19的一端，电阻R19的另一端分别连接电阻R21的一端和三极管Q1的发射极，电阻R21的另一端接地，电阻R20的另一端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极输出模拟量信号。

如图9所示，直流测量模块包括电阻R22～R25、电容C21～C22，所述电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25依次串联，电容C21与电容C22串联，所述电阻R22的一端和电阻R25的一端连接外部模拟量信号，电容C21的一端连接电阻R22的另一端，电容C22的一端连接电阻R25的另一端，电容C22的另一端与电阻R23的一端共地连接，电容C21的一端与电容C22的一端分别连接至MCU的输入端。

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一种多功能电力仪表论文和设计

一种多功能电力仪表论文和设计-汤珍敏

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