基于霍爾傳感器的寬量程電能表的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種寬量程電能表，特別涉及一種基于霍爾傳感器的寬量程電能表。
【背景技術(shù)】
[0002]電能表中普遍使用電磁式電流互感器作為電流傳感單元，由于其存在磁飽和及其帶寬有限的特性，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻分量和直流電流的準(zhǔn)確檢測(cè)。隨著電力電子等非線(xiàn)性設(shè)備在電網(wǎng)中的普及使用，電磁式電流互感器已經(jīng)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。
[0003]霍爾傳感器是一種寬頻帶電流傳感器，可用于各種交直流磁場(chǎng)的檢測(cè)。但是由于開(kāi)環(huán)霍爾傳感器的動(dòng)態(tài)范圍一般較窄，可檢測(cè)的磁場(chǎng)變化幅度較小，一般僅用于電機(jī)控制、霍爾開(kāi)關(guān)等對(duì)檢測(cè)精度和動(dòng)態(tài)范圍要求不尚的場(chǎng)合，而電能表的電流檢測(cè)單兀要求頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍寬，以一塊普通電能表5 (60) A的電流規(guī)格而言，其電流檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)1200:1，一般的開(kāi)環(huán)霍爾傳感器可檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍只有200:1，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)用要求，并且在強(qiáng)磁干擾下測(cè)量精度會(huì)受到影響。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]針對(duì)目前存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是提供一種寬頻帶、寬動(dòng)態(tài)范圍、高準(zhǔn)確度及具有抗外磁干擾能力的基于霍爾傳感器的寬量程電能表。
[0005]本實(shí)用新型提供的這種基于霍爾傳感器的寬量程電能表，包括霍爾電流檢測(cè)模塊、電壓檢測(cè)模塊、MCU信號(hào)處理控制模塊、計(jì)量模塊、顯示報(bào)警通信模塊及電源模塊；霍爾電流檢測(cè)模塊感應(yīng)電流變化，將測(cè)量結(jié)果傳至計(jì)量模塊和MCU信號(hào)處理控制模塊；電壓檢測(cè)模塊測(cè)量電壓并將測(cè)量結(jié)果也傳至計(jì)量模塊；計(jì)量模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并經(jīng)過(guò)補(bǔ)償校正后輸出信號(hào)至MCU信號(hào)處理控制模塊；MCU信號(hào)處理控制模塊對(duì)計(jì)量模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理并存儲(chǔ)，再在顯示報(bào)警通信模塊進(jìn)行顯示，并通過(guò)霍爾電流檢測(cè)模塊中傳來(lái)的電壓大小進(jìn)行電流檢測(cè)量程的切換控制；顯示報(bào)警通信模塊包含LCD顯示模塊、報(bào)警模塊和通信模塊，LCD模塊對(duì)消耗電能大小進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，報(bào)警模塊在電流和/或電壓過(guò)大時(shí)實(shí)行報(bào)警并通過(guò)繼電器將電源斷開(kāi)，通信模塊用于與外界實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，包括遠(yuǎn)紅外通信、GPRS通信、載波通信和485通信；電源模塊為霍爾電流檢測(cè)模塊、MCU信號(hào)處理控制模塊、計(jì)量模塊和顯示報(bào)警通信模塊供電。
[0006]所述霍爾電流檢測(cè)模塊包括一號(hào)霍爾電流傳感器和二號(hào)霍爾電流傳感器，兩個(gè)霍爾電流傳感器均為開(kāi)環(huán)霍爾傳感器，且二者在PCB板上為垂直方向放置。
[0007]所述霍爾電流檢測(cè)模塊的PCB板為U型，且在該P(yáng)CB板下方設(shè)有一供檢測(cè)電流流過(guò)的與該P(yáng)CB板同樣形狀的金屬塊。
[0008]所述一號(hào)霍爾電流傳感器的電流檢測(cè)范圍大于二號(hào)霍爾電流傳感器的電流檢測(cè)范圍；二者的量程能由編程器在線(xiàn)修改；且二者均配置有鎳鐵屏蔽罩。所述一號(hào)霍爾電流傳感器配有U型屏蔽罩。所述二號(hào)霍爾電流傳感器配有C型屏蔽罩。
[0009]所述霍爾電流檢測(cè)模塊包括一號(hào)霍爾電流傳感器Ul和二號(hào)霍爾電流傳感器U2和信號(hào)切換控制電路；信號(hào)切換控制電路包括一號(hào)信號(hào)切換控制電路和二號(hào)信號(hào)切換控制電路；一號(hào)信號(hào)切換控制電路包括三極管Q202和三極管Q204，二號(hào)信號(hào)切換控制電路包括三極管Q203和三極管Q205 ；
[0010]一號(hào)霍爾電流傳感器Ul的檢測(cè)電壓管腳VDEC通過(guò)電容Cl接地；其輸出管腳OUT通過(guò)電阻Rl接地，該輸出管腳還與一號(hào)信號(hào)切換控制電路連接，該輸出管腳還通過(guò)電容C3接地；該霍爾電流傳感器Ul的電源管腳VDD與電源VCC連接，該管腳還通過(guò)電容C2接地；該霍爾電流傳感器Ul的電源負(fù)極端VSS和測(cè)試管腳TEST均接地；三極管Q202的發(fā)射極通過(guò)電阻R239與一號(hào)霍爾電流傳感器Ul的輸出管腳OUT連接，其基極通過(guò)電阻R240與三極管Q204的集電極連接，其集電極作為一號(hào)信號(hào)切換控制電路的輸出端口 ；三極管Q204的發(fā)射極接模擬地，其基極通過(guò)電阻R241與MCU的1端口連接，用于傳遞MCU的切換控制信號(hào);
[0011]二號(hào)霍爾電流傳感器U2的電路連接結(jié)構(gòu)與一號(hào)霍爾電流傳感器Ul的相同；二號(hào)信號(hào)切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)與一號(hào)信號(hào)切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)相同；二號(hào)霍爾電流傳感器U2和二號(hào)信號(hào)切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)與一號(hào)霍爾電流傳感器Ul和一號(hào)信號(hào)切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)相同；
[0012]二號(hào)信號(hào)切換控制電路的輸出端與一號(hào)信號(hào)切換控制電路的輸出端相連，輸出信號(hào)均通過(guò)電阻R245進(jìn)行采樣，采樣信號(hào)通過(guò)由電阻R217、電阻R218和電容C209、電容C210組成的濾波網(wǎng)絡(luò)濾波后與所述計(jì)量模塊連接，電阻R245與電阻R218連接端與模擬地連接，電容C209和電容C210的不與計(jì)量模塊連接端與模擬地連接。
[0013]所述電壓檢測(cè)模塊采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)，然后將信號(hào)輸出到所述計(jì)量模塊。
[0014]所述電源模塊采用變壓器、開(kāi)關(guān)電源芯片和線(xiàn)性低壓差穩(wěn)壓器分別對(duì)電能表各模塊進(jìn)行供電。
[0015]本實(shí)用新型能在0.05A~200A范圍內(nèi)對(duì)電流進(jìn)行計(jì)量，并且在330mT以?xún)?nèi)的外磁干擾環(huán)境下正常工作，對(duì)于來(lái)自單向的磁場(chǎng)干擾，則本電能表不受任何干擾，具有交直流檢測(cè)和高頻非線(xiàn)性分量檢測(cè)功能。本實(shí)用新型采用開(kāi)環(huán)霍爾傳感器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)明顯比閉環(huán)霍爾傳感器簡(jiǎn)單，免除了復(fù)雜的磁路設(shè)計(jì)，非線(xiàn)性度可以達(dá)到5%。，通過(guò)溫度補(bǔ)償算法處理后溫漂可以控制在50ppm\°C以?xún)?nèi)。本實(shí)用新型還可以通過(guò)實(shí)時(shí)在線(xiàn)修改電能表測(cè)試量程，因此本實(shí)用新型可適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合。此外，通過(guò)對(duì)霍爾傳感器下方電流流經(jīng)的金屬條結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，檢測(cè)電流甚至可以達(dá)到2000A。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
[0017]圖2是本實(shí)用新型的霍爾電流檢測(cè)模塊的電路圖。
[0018]圖3是本實(shí)用新型的電壓檢測(cè)模塊電路圖。
[0019]圖4是本實(shí)用新型的計(jì)量模塊電路圖。
[0020]圖5是本實(shí)用新型的MCU信號(hào)處理控制模塊電路圖。
[0021]圖6是本實(shí)用新型的繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖。
[0022]圖7是本實(shí)用新型的遠(yuǎn)紅外通信電路圖。
[0023]圖8是本實(shí)用新型的485通信電路圖。
[0024]圖9是本實(shí)用新型的電源模塊部分電路圖。
[0025]圖10是本實(shí)用新型的計(jì)量電源電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所示，本實(shí)用新型包括霍爾電流檢測(cè)模塊、電壓檢測(cè)模塊、MCU信號(hào)處理控制模塊、計(jì)量模塊、顯示報(bào)警通信模塊及電源模塊。
[0027]霍爾電流檢測(cè)模塊感應(yīng)電流變化，將測(cè)量結(jié)果傳至計(jì)量模塊和MCU信號(hào)處理控制模塊。電壓檢測(cè)模塊測(cè)量電壓并將測(cè)量結(jié)果也傳至計(jì)量模塊。計(jì)量模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并經(jīng)過(guò)一系列補(bǔ)償校正運(yùn)算之后將數(shù)據(jù)傳至MCU信號(hào)處理控制模塊。MCU信號(hào)處理控制模塊對(duì)計(jì)量模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，再在顯示報(bào)警通信模塊進(jìn)行顯示，并通過(guò)霍爾電流檢測(cè)模塊中傳來(lái)的電流大小來(lái)控制輸出信號(hào)量程的切換。顯示報(bào)警通信模塊包含LCD顯示模塊、報(bào)警模塊和通信模塊；LCD模塊對(duì)消耗電能大小進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；報(bào)警模塊當(dāng)電流電壓過(guò)大時(shí)可實(shí)行報(bào)警保護(hù)操作；通信模塊可以實(shí)行電能表與外界實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，包括遠(yuǎn)紅外通信、GPRS通信和485通信。電源模塊與霍爾電流檢測(cè)模塊、MCU信號(hào)處理控制模塊、計(jì)量模塊和顯示報(bào)警通信模塊相連并為其供電。
[0028]如圖2所示，霍爾電流檢測(cè)模塊包括一號(hào)霍爾電流傳感器Ul和二號(hào)霍爾電流傳感器U2和信號(hào)切換控制電路。信號(hào)切換控制電路包括一號(hào)信號(hào)切換控制電路和二號(hào)信號(hào)切換控制電路。一號(hào)信號(hào)切換控制電路包括三極管Q202和三極管Q204，二號(hào)信號(hào)切換控制電路包括三極管Q203和三極管Q205。
[0029]一號(hào)霍爾電流傳感器Ul的檢測(cè)電壓管腳VDEC通過(guò)電容Cl接地；其輸出管腳OUT通過(guò)電阻Rl接地，該輸出管腳還與一號(hào)信號(hào)切換控制電路連接，用于傳遞輸入電流信號(hào)INl，該輸出管腳還通過(guò)電容C3接地；該霍爾電流傳感器Ul的電源管腳VDD與電源VCC連接，該管腳還通過(guò)電容C2接地；該霍爾電流傳感器Ul的電源負(fù)極端VSS和測(cè)試管腳TEST均接地；三極管Q202的發(fā)射極通過(guò)電阻R239與一號(hào)霍爾電流傳感器Ul的輸出管腳OUT連接，其基極通過(guò)電阻R240與三極管Q204的集電極連接，其集電極作為一號(hào)信號(hào)切換控制電路的輸出端口 ；三極管Q204的發(fā)射極接模擬地，其基極通過(guò)電阻R241與MCU的1端口連接，用于傳遞MCU的切換控制信號(hào)；
[0030]二號(hào)霍爾電流傳感器U2的電路連接結(jié)構(gòu)與一號(hào)霍爾電流傳感器Ul的相同；二號(hào)信號(hào)切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)與一號(hào)信號(hào)切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)相同；二號(hào)霍爾電流傳感器U2和二號(hào)信號(hào)切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)與一號(hào)霍爾電流傳感器Ul和一號(hào)信號(hào)切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)相同。
[0031]二號(hào)信號(hào)切換控制電路的輸出端與一號(hào)信號(hào)切換控制電路的輸出端相連，輸出信號(hào)均通過(guò)電阻R245進(jìn)行采樣，采樣信號(hào)通過(guò)由電阻R217、電阻R218和電容C209、電容C210組成的濾波網(wǎng)絡(luò)濾波后與計(jì)量模塊連接，電阻R245與電阻R218的連接端與模擬地連接，電容C209和電容C210的不與計(jì)量模塊相連端與模擬地連接。
[0032]霍爾電流檢測(cè)模塊只對(duì)平行方向磁場(chǎng)檢測(cè)；兩塊霍爾電流傳感器在PCB板上垂直放置，并分別配有U型和C型屏蔽罩，且屏蔽罩均可由鎳鐵屏蔽罩進(jìn)行保護(hù)，起到了很好的抗磁干擾作用。
[0033]霍爾電流檢測(cè)模塊的兩塊霍爾電流傳感器芯片生成±5A和±200A兩組量程，可實(shí)現(xiàn)0.05A-200范圍內(nèi)的電流檢測(cè)，且該量程可以經(jīng)過(guò)編程器在線(xiàn)修改。
[0034]本實(shí)用新型具有直流檢測(cè)和高頻非線(xiàn)性分量檢測(cè)功能并且具有較好抗外磁干擾能力。
[0035]如圖3所示，電壓檢測(cè)模塊采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)