CN102565744A - 一种采用电容降压式电源的指针式仪表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用电容降压式电源的指针式仪表，包括电容降压电路、整流电路、保护电路、滤波电容、DC-DC电压转换电路和电源滤波电容，所述表头控制电路包括键盘电路、单片机、积分电路和限流电阻，其中，降压电路、整流电路、保护电路、滤波电容、DC-DC电压转换电路、电源滤波电容依次连接；键盘电路与单片机的I/O引脚电连接，单片机将检测电路所采集到的电压、功率等物理量转换成数字量信号，经运算、修正后由脉宽调制PWM模块输出，再经积分电路滤波后再经限流电阻驱动指针式仪表表头。本发明一种采用电容降压式电源的指针式仪表具有精确度高，电源体积小，产生热量少，生产成本低，电路的抗冲击性增强，电源的使用寿命增长。

Description

一种采用电容降压式电源的指针式仪表

技术领域

本发明涉及一种指针式仪表，特别涉及一种运用电容降压式电源的高线性度指针式仪表。

背景技术

目前，各类船舶上都习惯用指针式电压表、功率表、功率因数表、频率表等指示船舶上发电机的运行状况。这类表功耗低，其电源大都采用通过电阻将220V或380V降低到仪表所需电压；或者用变压器将220V或380V电压降低到仪表所需电压。而各类船舶上一般都有一至多个发电机通过并网使用，根据需要可以随时开启或关闭某个或多个发电机，这样对电网的冲击较大。降低了以上各类仪表的使用寿命。第一种电阻降压电源工作时会产生较多的热量，使仪表内部温度升高，影响仪表的精确度；第二种变压器降压成本高，电源体积大。目前，其他电容降压式电源电路，无DC-DC电压转换电路，强电对电源有串行干扰，只能用于控制，不能用于检测。指针式仪表表头所指示的数据与输入的电流成非线性，精确度低。

发明内容

为了解决现有技术精确度低、成本高、产生热量多等问题，本发明提供一种精确度高、降压成本低、产生热量极少、抗冲击、使用寿命长的指针式仪表。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种采用电容降压式电源的指针式仪表，包括：

电容降压电路、整流电路、保护电路、滤波电容、DC-DC电压转换电路和电源滤波电容，表头控制电路包括键盘电路、单片机、检测电路、积分电路、限流电阻和指针式仪表表头，所述电容降压电路的输入端与外部交流电源电连接，所述电容降压电路的输出端与整流电路的输入端电连接，所述整流电路的输出端与保护电路的输入端电连接，所述保护电路的输出经滤波电容后与DC-DC电压转换电路的输入端电连接，DC-DC电压转换电路的输出再经电源滤波电容后作为电源的输出；所述表头控制电路中键盘电路与单片机引脚电连接，单片机上的脉宽调制PWM模块的输出与积分电路的输入端电连接，积分电路的输出端与限流电阻电连接，所述限流电阻与指针式仪表表头串联连接。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述电容降压电路包括降压电容，所述降压电容与阻值大于等于10兆欧的电阻并联，所述电阻用于停电时放掉电容两极板所储存的电荷。

进一步，所述电容降压电路包括第一降压电容，第二降压电容，所述第一降压电容与交流电源输入端U_N电连接，所述第二降压电容与交流电源输入端U_L电连接，所述第一降压电容和第二降压电容的电容量相等，降压电容的容抗值由仪表的功耗电流I及电网电压V所决定，

当外部交流电源为单相交流电时，降压电容的容抗为：

$X_C=\frac{V}{I}---\left(1\right),$

这时，降压电容的电容量可通过(2)式求得：

$X_C=X_{C1}+X_{C2}=\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_1}+\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_2}---\left(2\right),$

其中ω＝2πf，f为交流电的频率，X_C1为第一降压电容的容抗，X_C2为第二降压电容的容抗，X_C为两降压电容串联后的总容抗；C₁为第一降压电容的电容量，C₂为第二降压电容的电容量；

当外部交流电源为三相交流电时，所述电容降压电路包括第一降压电容，第二降压电容，第三降压电容，所述第一降压电容与交流电源输入端U_a电连接，所述第二降压电容与交流电源输入端U_b电连接，所述第三降压电容与交流电源输入端U_c电连接，所述第一降压电容、第二降压电容和第三降压电容的电容量相等，仪表的功耗电流为：

$I=\frac{U_a}{X_{\mathrm{ca}}}+\frac{U_b}{X_{\mathrm{cb}}}+\frac{U_c}{X_{\mathrm{cc}}}=\frac{U_a}{\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_5}}+\frac{U_b}{\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_6}}+\frac{U_c}{\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_7}}---\left(3\right),$

这时，降压电容的电容量可通过(3)式求得，其中ω＝2πf，f为交流电的频率，X_ca为第一降压电容的容抗，X_cb为第二降压电容的容抗，X_cc为第三降压电容的容抗，C5为第一降压电容的电容量，C6为第二降压电容的电容量，C7为第三降压电容的电容量。

进一步，所述保护电路为稳压二极管，所述稳压二极管的负极与整流桥的正极输出电连接，稳压二极管的正极与整流桥的负极输出电连接。

进一步，所述整流桥为二相整流桥或三相整流桥。

进一步，所述DC-DC电压转换电路的输入电压大于仪表所需电压，并且最高为50V，DC-DC电压转换电路的输出电压为仪表所需电压，即所述DC-DC电压转换电路的输入电压小于等于50V，此两种表述方式具有相同涵义，DC-DC电压转换电路的输出电压为仪表所需电压，为单片机、检测电路等供电。

进一步，所述表头控制电路还包括检测电路，用于采集电压、功率、功率因数、频率等物理量，单片机将采集到的物理量转换成数字量后经脉宽调制PWM模块输出。单片机中的脉宽调制PWM模块为2路8位PWM，其输出组成16位D/A转换，所述16位D/A转换分为高8位和低8位，所述高8位输出为PWMO，与第一积分电阻电连接，所述低8位输出为PWM1，与第二积分电阻电连接。

进一步，所述积分电路包括两个积分电阻，一个积分电容，所述积分电路两个输入端分别接第一积分电阻和第二积分电阻，第一积分电阻与第二积分电阻的输出端电连接后与积分电容第一引脚电连接，所述积分电容的第二引脚与电源地电连接。

进一步，所述第一积分电阻阻值R由指针式仪表表头满量程时功耗电流I_s和单片机工作电压V决定：

$R\≈\frac{V}{I_S}$

第二积分电阻阻值为所述第一积分电阻阻值的2⁸倍，考虑到PWM输出的最高电平达不到单片机的电源电压，第一积分电阻与第二积分电阻的实际阻值应小于计算值。限流电阻作为校准时的微调电阻。校准时通过程序让2路PWM输出最大脉宽，微调限流电阻使指针式仪表表头指针指到满量程，通过调整限流电阻的阻值实现驱动电路与指针式仪表表头的匹配。

进一步，所述键盘电路用于修正指针式仪表的非线性，校准仪表时将其接插到电路板上，校准完毕取下，即正常使用时无键盘电路，可减小仪表的成本及体积。

本发明的有益效果是：利用降压电容对交流电网电压进行降压，电源的体积小，成本低、产生热量少；采用滤波电容对电源进行滤波，采用稳压二极管对电路进行保护，因此电源具有抗冲击，使用寿命长；利用单片机程序控制流入指针式仪表表头的电流，修正其与表头的非线性，使仪表的精确度升高。

附图说明

图1为本发明检测单相交流电各项参量的指针式电表的电源结构图；

图2为本发明检测三相三线制或三相四线制交流电各项参量的指针式电表的电源结构图；

图3为本发明指针式仪表表头控制电路结构图；

图4为本发明三相电压相对于零线的相位波形示意图；

图5为指针式仪表表头偏转角度与驱动电流间的关系示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、外部交流电源输入端，2、电容降压电路，3、整流电路，4、保护电路，5、滤波电容，6、DC-DC电压转换电路，7、电源滤波电容，8、仪表的其他部分电路，9、电阻R1，10、降压电容C1，11、电阻R2，12、降压电容C2，13、外部交流电源输入端U_N，14、外部交流电源输入端U_L，15、整流二极管D1，16、整流二极管D2，17、整流二极管D3，18、整流二极管D4，19、外部交流电源输入端U_a，20、外部交流电源输入端U_b，21、外部交流电源输入端U_c，22、电阻R3，23、电容C5，24、电阻R4，25、电容C6，26、电阻R5，27、电容C7，28、整流二极管D6，29、整流二极管D7，30、整流二极管D8，31、整流二极管D9，32、整流二极管D10，33、整流二极管D11，34、键盘电路，35、检测电路，36、单片机，37、积分电路，38、限流电阻R8，39、指针式仪表表头，40、第一积分电阻R6，41、第二积分电阻R7，42、积分电容C

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，对于检测单相交流电各参量的仪表的供电电路，所述电容降压电路2的输入端与外部单相交流电源输入端1电连接，所述电容降压电路2的输出端与整流电路3的输入端电连接，所述整流电路3的输出端与保护电路4的输入端电连接，所述保护电路4的输出经滤波电容5滤波后与DC-DC电压转换电路6的输入端电连接，DC-DC电压转换电路6的输出再经电源滤波电容7滤波后为仪表的其他部分电路8如表头控制电路中单片机、检测电路等供电。

电容降压电路2为降压电容C1 10与一阻值大于等于10兆欧的电阻R19并联，降压电容C2 12与一阻值大于等于10兆欧的电阻R2 11并联，电阻R1 9、R2 11用于停电时放掉电容两极板所储存的电荷，正常工作时流经电阻R1 9、R2 11的电流非常微弱，可忽略不计。

降压电容C1 10、降压电容C2 12的电容量C相等，耐压值远大于电网电压，电容的容抗值由仪表的功耗电流I及电网电压V所决定，对于单相交流电，由图1可知电容的容抗为

$X_C=\frac{V}{I}---\left(1\right),$

降压电容C1 10、降压电容C2 12的电容量可通过下式求得

$X_C=X_{C1}+X_{C2}=\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_1}+\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_2}---\left(2\right),$

其中ω＝2πf，f为交流电的频率，X_C1为第一降压电容C1 10的容抗、X_C2为第二降压电容C2 12的容抗，X_C为两降压电容串联后的总容抗；C₁为第一降压电容C1 10的电容量、C₂为第二降压电容C2 12的电容量。

保护电路4为稳压二极管，所述稳压二极管的正极与整流电路3的负极输出电连接，稳压二极管的负极与整流电路3的正极输出电连接。

整流电路3为二相整流桥。

已知仪表的功耗电流，可依据(1)式及(2)式求出降压电容C1 10、降压电容C2 12的电容量。实际降压电容C1 10、降压电容C2 12电容量可比计算值略大一些。防止电网电压波动。保护电路4中的稳压二极管是为了防止电压偏高而设定，当电网电压波动或仪表功耗偏低时，滤波电容5两端电压高于保护电路4中的稳压二极管的反向击穿电压时，保护电路4中的稳压二极管反向导通，保护了后续电路。电流对滤波电容5充电，经DC-DC电压转换电路6转换成仪表所需电源，为单片机、检测电路等供电。

DC-DC电压转换电路6输入电压大于仪表所需电压，并且小于等于50V，即最高为50V，输出电压为仪表所需电压，为单片机、检测电路等供电。

外部交流电源1为单向交流电。

当交流电处于正半周的第一个1/4周期时，电流由外部交流电源输入端u_N 13流入电源电路，经降压电容C1 10、整流二极管D1 15、滤波电容5、整流二极管D4 18、降压电容C2 12、外部交流电源输入端u_L 14流出，该过程电流对降压电容C1 10、滤波电容5、降压电容C2 12充电；正半周的第二个1/4周期时，电流由交流电源输入端u_L 14流入电源电路，经降压电容C2 12、整流二极管D2 16、滤波电容5、整流二极管D3 17、降压电容C1 10、外部交流电源输入端u_N 13流出，该过程电流对降压电容C1 10、降压电容C2 12放电，对滤波电容5充电。

当交流电处于负半周的第一个1/4周期时，电流由外部交流电源输入端u_L 14流入电源电路，经降压电容C2 12、整流二极管D2 16、滤波电容5、整流二极管D3 17、降压电容C1 10、外部交流电源输入端u_N 13流出，该过程电流对降压电容C1 10、滤波电容5、降压电容C2 12充电。负半周的第二个1/4周期时，电流由外部交流电源输入端u_N 13流入电源电路，经降压电容C1 10、整流二极管D1 15、滤波电容5、整流二极管D4 18、降压电容C2 12、交流电源输入端u_L 14流出，该过程电流对降压电容C1 10、降压电容C2 12放电，对滤波电容5充电。不论是正半周还是负半周，电流总是对滤波电容5充电，对降压电容C1 10、降压电容C2 12正反方向的充放电交替进行。

如图3所示，表头控制电路中键盘电路34与单片机36的I/0引脚电连接，单片机将检测电路所采集到的物理量(如电压、功率、功率因数、频率等)转换成数字量，经运算、修正后再经脉宽调制(PWM)模块输出。单片机36上的脉宽调制(PWM)模块的输出与积分电路37的输入端电连接。

所述积分电路37包括两个积分电阻R6 40、R7 41，一个积分电容C 42，所述积分电路两个输入端分别接第一积分电阻R6 40和第二积分电阻R7 41，第一积分电阻R6 40与第二积分电阻R7 41的输出端电连接后与积分电容C42第一引脚电连接，所述积分电容的第二引脚与电源地电连接。

单片机36脉宽调制(PWM)模块的2路8位PWM输出可组成16位D/A转换，PWMO作为高8位，PWM1作为低8位，高8位PWM输出与第一积分电阻R6 40电连接，低8位PWM输出与第二积分电阻R7 41电连接。

第一积分电阻R6 40阻值由指针式仪表表头满量程时功耗电流Is和单片机36工作电压V决定：

$R\≈\frac{V}{I_S}$

第二积分电阻R7 41阻值为所述第一积分电阻R6 40阻值的2⁸倍。

所述键盘电路34用于修正指针式仪表的非线性，校准仪表时将其接插到电路板上，校准完毕取下，即正常使用时无键盘电路，可减小仪表的成本及体积。

图5中横坐标代表校准用信号源输出信号，即仪表用于校准的测量信号；从0到仪表指示满量程区间划分成若干相等的小区间，如10个小区间，从0到10这11个数据中，0代表信号源输出信号为0，10代表信号源输出信号对应仪表满量程。纵坐标代表仪表指针的偏转量，对应横坐标输入的11个信号量，纵坐标呈现的量应与其呈线性关系，由于指针式仪表表头39指针转动的角度与输入的电流呈非线性，所以在每一个输入点上都应通过键盘34予以校准，校准量存入单片机36的EEPROM，根据两点确定一线的原理，两点间的其它连续的点可认为在该区间是线性的，由此可计算出应修正的量。

实施例2

如图2所示，实施例2与实施例1区别在于检测三相交流电各参量的仪表，即供电电路为三相交流电，且与外部交流电源输入端u_a 19、u_b 20、u_c 21电连接，整流电路3为三相整流桥，有三个降压电容C5 23、C6 25、C7 27，且C5 23、C6 25、C7 27电容量相等，耐压值远高于电力线电压。

对三相四线制的电力线参数检测的仪表的电源，可只从三根火线中取能量，零线不接，同三相三线制。三相电压u_a、u_b、u_c相对于零线的电压的相位依次相差

如图4所示，每一时刻三者的代数和为零。a、b、c三相的负载可以近似认为只有C5 23、C6 25、C7 27的容抗X_ca、X_cb、X_cc。

仪表的功耗电流：

$I=\frac{U_a}{X_{\mathrm{ca}}}+\frac{U_b}{X_{\mathrm{cb}}}+\frac{U_c}{X_{\mathrm{cc}}}=\frac{U_a}{\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_5}}+\frac{U_b}{\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_6}}+\frac{U_c}{\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_7}}---\left(3\right)$

降压电容的电容量可通过(3)式求得，其中ω＝2πf，f为交流电的频率，如50Hz，X_ca为第一降压电容C5 23的容抗，X_cb为第二降压电容C6 25的容抗，X_cc为第三降压电容C7 27的容抗，第一降压电容C5 23的电容量C5，第二降压电容C6 25的电容量C6，第三降压电容C7 27的电容量C7，U_a、U_b、U_c为外部待测电网相电压。

已知仪表的功耗电流，可依据上式求出降压电容C5 23、降压电容C6 25、降压电容C7 27的电容量。实际降压电容C5 23、降压电容C6 25、降压电容C7 27电容量可比计算值略大一些。防止电网电压波动。保护电路4中的稳压二极管是为了防止电压偏高而设定，当电网电压波动或仪表功耗偏低时，滤波电容5两端电压高于保护电路4中的稳压二极管的反向击穿电压时，保护电路4中的稳压二极管反向导通，保护了后续电路。电流对滤波电容5充电，经DC-DC电压转换电路6转换成仪表所需电源，为仪表的其他部分电路8如表头控制电路中的单片机、检测电路等供电。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用电容降压式电源的指针式仪表，包括电容降压电路、整流电路、保护电路、滤波电容、DC-DC电压转换电路和电源滤波电容，表头控制电路包括键盘电路、单片机、检测电路、积分电路、限流电阻和指针式仪表表头，其特征在于：所述电容降压电路的输入端与外部交流电源电连接，所述电容降压电路的输出端与整流电路的输入端电连接，所述整流电路的输出端与保护电路的输入端电连接，所述保护电路的输出经滤波电容后与DC-DC电压转换电路的输入端电连接，DC-DC电压转换电路的输出再经电源滤波电容后作为电源的输出；所述表头控制电路中键盘电路与单片机引脚电连接，单片机上的脉宽调制PWM模块的输出与积分电路的输入端电连接，积分电路的输出端与限流电阻电连接，所述限流电阻与指针式仪表表头串联连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用电容降压式电源的指针式仪表，其特征在于：所述电容降压电路包括降压电容，所述降压电容与阻值大于等于10兆欧的电阻并联，所述电阻用于停电时放掉电容两极板所储存的电荷。

3.根据权利要求2所述的一种采用电容降压式电源的指针式仪表，其特征在于：所述电容降压电路的降压电容包括第一降压电容，第二降压电容，所述第一降压电容与交流电源输入端U_N电连接，所述第二降压电容与交流电源输入端U_L电连接；

所述第一降压电容和第二降压电容的电容量相等，降压电容的容抗值由仪表的功耗电流I及电网电压V所决定，

当外部交流电源为单相交流电时，降压电容的容抗为：

$X_C=\frac{V}{I}---\left(1\right),$

这时，降压电容的电容量可通过(2)式求得：

$X_C=X_{C1}+X_{C2}=\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_1}+\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_2}---\left(2\right),$

其中ω＝2πf，f为交流电的频率，X_C1为第一降压电容的容抗，X_C2为第二降压电容的容抗，X_C为两降压电容串联后的总容抗；C₁为第一降压电容的电容量，C₂为第二降压电容的电容量；

当外部交流电源为三相交流电时，所述电容降压电路包括第一降压电容，第二降压电容，第三降压电容，所述第一降压电容与交流电源输入端U_a电连接，所述第二降压电容与交流电源输入端U_b电连接，所述第三降压电容与交流电源输入端U_c电连接，所述第一降压电容、第二降压电容和第三降压电容的电容量相等，仪表的功耗电流为：

$I=\frac{U_a}{X_{\mathrm{ca}}}+\frac{U_b}{X_{\mathrm{cb}}}+\frac{U_c}{X_{\mathrm{cc}}}=\frac{U_a}{\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_5}}+\frac{U_b}{\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_6}}+\frac{U_c}{\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_7}}---\left(3\right),$

这时，降压电容的电容量可通过(3)式求得，其中ω＝2πf，f为交流电的频率，X_ca为第一降压电容的容抗，X_cb为第二降压电容的容抗，X_cc为第三降压电容的容抗，C5为第一降压电容的电容量，C6为第二降压电容的电容量，C7为第三降压电容的电容量。

4.根据权利要求1所述的一种采用电容降压式电源的指针式仪表，其特征在于：所述保护电路为稳压二极管，所述稳压二极管的负极与整流桥的正极输出电连接，稳压二极管的正极与整流桥的负极输出电连接。

5.根据权利要求4所述的一种采用电容降压式电源的指针式仪表，其特征在于：所述整流桥为二相整流桥或三相整流桥。

6.根据权利要求1至5任一所述的一种采用电容降压式电源的指针式仪表，其特征在于：所述DC-DC电压转换电路的输入电压大于仪表所需电压，并且最高为50V，DC-DC电压转换电路的输出电压为仪表所需电压，用于为单片机、检测电路等供电。

7.根据权利要求1至5任一所述的一种采用电容降压式电源的指针式仪表，其特征在于：所述表头控制电路还包括检测电路，用于采集电压、功率、功率因数、频率等物理量，单片机将采集到的物理量转换成数字量后经脉宽调制PWM模块输出。单片机中的脉宽调制PWM模块为2路8位PWM，其输出组成16位D/A转换，所述16位D/A转换分为高8位和低8位，所述高8位输出为PWMO，与第一积分电阻电连接，所述低8位输出为PWM1，与第二积分电阻电连接。

8.根据权利要求1所述的一种采用电容降压式电源的指针式仪表，其特征在于：所述积分电路包括两个积分电阻，一个积分电容，所述积分电路两个输入端分别接第一积分电阻和第二积分电阻，第一积分电阻与第二积分电阻的输出端电连接后与积分电容第一引脚电连接，所述积分电容的第二引脚与电源地电连接。

9.根据权利要求8所述的一种采用电容降压式电源的指针式仪表，其特征在于：所述第一积分电阻的计算阻值由指针式仪表表头满量程时功耗电流I_s和单片机工作电压V决定：

$R\≈\frac{V}{I_S}$

第二积分电阻的计算阻值为所述第一积分电阻阻值的2⁸倍。第一积分电阻与第二积分电阻的实际阻值小于计算值，通过调整限流电阻的阻值实现驱动电路与表头的匹配。

10.根据权利要求1所述的一种采用电容降压式电源的指针式仪表，其特征在于：所述键盘电路用于修正指针式仪表的非线性，校准仪表时将其接插到电路板上，校准完毕取下。

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