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)對高頻分量和直流電流的準(zhǔn)確檢測。隨著電力電子等非線性設(shè)備在電網(wǎng)中的普及使用，電磁式電流互感器已經(jīng)不能滿足市場的需求。
[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的檢測。但是由于開環(huán)霍爾傳感器的動(dòng)態(tài)范圍一般較窄，可檢測的磁場變化幅度較小，一般僅用于電機(jī)控制、霍爾開關(guān)等對檢測精度和動(dòng)態(tài)范圍要求不尚的場合，而電能表的電流檢測單兀要求頻帶寬、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，其電流檢測動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)1200:1，一般的開環(huán)霍爾傳感器可檢測的動(dòng)態(tài)范圍只有200:1，無法滿足實(shí)用要求，并且在強(qiáng)磁干擾下測量精度會(huì)受到影響。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]針對目前存在的問題，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，包括霍爾電流檢測模塊、電壓檢測模塊、MCU信號處理控制模塊、計(jì)量模塊、顯示報(bào)警通信模塊及電源模塊；霍爾電流檢測模塊感應(yīng)電流變化，將測量結(jié)果傳至計(jì)量模塊和MCU信號處理控制模塊；電壓檢測模塊測量電壓并將測量結(jié)果也傳至計(jì)量模塊；計(jì)量模塊對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并經(jīng)過補(bǔ)償校正后輸出信號至MCU信號處理控制模塊；MCU信號處理控制模塊對計(jì)量模塊輸出的信號進(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，并通過霍爾電流檢測模塊中傳來的電壓大小進(jìn)行電流檢測量程的切換控制；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/或電壓過大時(shí)實(shí)行報(bào)警并通過繼電器將電源斷開，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模塊、MCU信號處理控制模塊、計(jì)量模塊和顯示報(bào)警通信模塊供電。
[0006]所述霍爾電流檢測模塊包括一號霍爾電流傳感器和二號霍爾電流傳感器，兩個(gè)霍爾電流傳感器均為開環(huán)霍爾傳感器，且二者在PCB板上為垂直方向放置。
[0007]所述霍爾電流檢測模塊的PCB板為U型，且在該P(yáng)CB板下方設(shè)有一供檢測電流流過的與該P(yáng)CB板同樣形狀的金屬塊。
[0008]所述一號霍爾電流傳感器的電流檢測范圍大于二號霍爾電流傳感器的電流檢測范圍；二者的量程能由編程器在線修改；且二者均配置有鎳鐵屏蔽罩。所述一號霍爾電流傳感器配有U型屏蔽罩。所述二號霍爾電流傳感器配有C型屏蔽罩。
[0009]所述霍爾電流檢測模塊包括一號霍爾電流傳感器Ul和二號霍爾電流傳感器U2和信號切換控制電路；信號切換控制電路包括一號信號切換控制電路和二號信號切換控制電路；一號信號切換控制電路包括三極管Q202和三極管Q204，二號信號切換控制電路包括三極管Q203和三極管Q205 ；
[0010]一號霍爾電流傳感器Ul的檢測電壓管腳VDEC通過電容Cl接地；其輸出管腳OUT通過電阻Rl接地，該輸出管腳還與一號信號切換控制電路連接，該輸出管腳還通過電容C3接地；該霍爾電流傳感器Ul的電源管腳VDD與電源VCC連接，該管腳還通過電容C2接地；該霍爾電流傳感器Ul的電源負(fù)極端VSS和測試管腳TEST均接地；三極管Q202的發(fā)射極通過電阻R239與一號霍爾電流傳感器Ul的輸出管腳OUT連接，其基極通過電阻R240與三極管Q204的集電極連接，其集電極作為一號信號切換控制電路的輸出端口 ；三極管Q204的發(fā)射極接模擬地，其基極通過電阻R241與MCU的1端口連接，用于傳遞MCU的切換控制信號;
[0011]二號霍爾電流傳感器U2的電路連接結(jié)構(gòu)與一號霍爾電流傳感器Ul的相同；二號信號切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)與一號信號切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)相同；二號霍爾電流傳感器U2和二號信號切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)與一號霍爾電流傳感器Ul和一號信號切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)相同；
[0012]二號信號切換控制電路的輸出端與一號信號切換控制電路的輸出端相連，輸出信號均通過電阻R245進(jìn)行采樣，采樣信號通過由電阻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]所述電壓檢測模塊采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對電壓進(jìn)行檢測，然后將信號輸出到所述計(jì)量模塊。
[0014]所述電源模塊采用變壓器、開關(guān)電源芯片和線性低壓差穩(wěn)壓器分別對電能表各模塊進(jìn)行供電。
[0015]本實(shí)用新型能在0.05A~200A范圍內(nèi)對電流進(jìn)行計(jì)量，并且在330mT以內(nèi)的外磁干擾環(huán)境下正常工作，對于來自單向的磁場干擾，則本電能表不受任何干擾，具有交直流檢測和高頻非線性分量檢測功能。本實(shí)用新型采用開環(huán)霍爾傳感器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)明顯比閉環(huán)霍爾傳感器簡單，免除了復(fù)雜的磁路設(shè)計(jì)，非線性度可以達(dá)到5%。，通過溫度補(bǔ)償算法處理后溫漂可以控制在50ppm\°C以內(nèi)。本實(shí)用新型還可以通過實(shí)時(shí)在線修改電能表測試量程，因此本實(shí)用新型可適用于多種應(yīng)用場合。此外，通過對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)，檢測電流甚至可以達(dá)到2000A。
【附圖說明】
[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模塊的電路圖。
[0018]圖3是本實(shí)用新型的電壓檢測模塊電路圖。
[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模塊、電壓檢測模塊、MCU信號處理控制模塊、計(jì)量模塊、顯示報(bào)警通信模塊及電源模塊。
[0027]霍爾電流檢測模塊感應(yīng)電流變化，將測量結(jié)果傳至計(jì)量模塊和MCU信號處理控制模塊。電壓檢測模塊測量電壓并將測量結(jié)果也傳至計(jì)量模塊。計(jì)量模塊對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并經(jīng)過一系列補(bǔ)償校正運(yùn)算之后將數(shù)據(jù)傳至MCU信號處理控制模塊。MCU信號處理控制模塊對計(jì)量模塊輸出的信號進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，再在顯示報(bào)警通信模塊進(jìn)行顯示，并通過霍爾電流檢測模塊中傳來的電流大小來控制輸出信號量程的切換。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模塊、MCU信號處理控制模塊、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，霍爾電流檢測模塊包括一號霍爾電流傳感器Ul和二號霍爾電流傳感器U2和信號切換控制電路。信號切換控制電路包括一號信號切換控制電路和二號信號切換控制電路。一號信號切換控制電路包括三極管Q202和三極管Q204，二號信號切換控制電路包括三極管Q203和三極管Q205。
[0029]一號霍爾電流傳感器Ul的檢測電壓管腳VDEC通過電容Cl接地；其輸出管腳OUT通過電阻Rl接地，該輸出管腳還與一號信號切換控制電路連接，用于傳遞輸入電流信號INl，該輸出管腳還通過電容C3接地；該霍爾電流傳感器Ul的電源管腳VDD與電源VCC連接，該管腳還通過電容C2接地；該霍爾電流傳感器Ul的電源負(fù)極端VSS和測試管腳TEST均接地；三極管Q202的發(fā)射極通過電阻R239與一號霍爾電流傳感器Ul的輸出管腳OUT連接，其基極通過電阻R240與三極管Q204的集電極連接，其集電極作為一號信號切換控制電路的輸出端口 ；三極管Q204的發(fā)射極接模擬地，其基極通過電阻R241與MCU的1端口連接，用于傳遞MCU的切換控制信號；
[0030]二號霍爾電流傳感器U2的電路連接結(jié)構(gòu)與一號霍爾電流傳感器Ul的相同；二號信號切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)與一號信號切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)相同；二號霍爾電流傳感器U2和二號信號切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)與一號霍爾電流傳感器Ul和一號信號切換控制電路的電路連接結(jié)構(gòu)相同。
[0031]二號信號切換控制電路的輸出端與一號信號切換控制電路的輸出端相連，輸出信號均通過電阻R245進(jìn)行采樣，采樣信號通過由電阻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]霍爾電流檢測模塊只對平行方向磁場檢測；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，且該量程可以經(jīng)過編程器在線修改。
[0034]本實(shí)用新型具有直流檢測和高頻非線性分量檢測功能并且具有較好抗外磁干擾能力。
[0035]如圖3所示，電壓檢測模塊采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)