专利名称：电源环境监测终端的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力系统无人值班通讯站，特别是对微波通讯基站的交、直流电源以及基站内温度、湿度进行自动监控、并上传至主站服务器的微电脑自动监测设备。
背景技术：
目前，电力系统的无人值班通讯站、特别是山区的微波通讯基站的电源系统,通常采用的是220V交流供电作为主电源、48V蓄电池作为后备电源，当外部交流供电消失后将自动地切换到蓄电池供电。在实际运行中，由于缺乏远程预警，交流电源消失将造成直流蓄电池长时间供电而引起电池深度放电损坏，直至直流电源欠电造成通讯网络中断才能引起中心站值班人员的注意，从而给企业的正常工作造成影响，并带来经济损失。中国移动、中国联通公司的通讯基站，已经大范围地采用了监测终端，能将基站的工作状态，集中到中心站进行监测。但由于这些监测终端面向的用户需求差异较大，移动、联通更多的是对于通讯信道状态的监测，且每个监测终端所监测的信道数量较大，其终端的价格也较高。它不是针对电力系统无人值班通讯站电源工作状态的监测及预警而设计，不能解决通讯站电源系统实时监控的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种电源环境监测终端，以对无人值班通讯基站中交、直流电源系统的工作状态以及基站内环境温度、湿度进行实时监测。
本新型的目的是这样实现的 一种电源环境监测终端，包括单片机，LCD显示器以及上传信息至主站服务器的通讯模块，其特征是还具有，
交流滤波整流及其信号调理电路三相交流电分别顺次经Lcn型滤波器、
三相桥式整流器处理后、再经互感器和采样电阻进行幅值调整；
直流滤波及其信号调理电路5路直流电分别经电容滤波器处理后、再经分
压电阻进行幅值调整；
采样电路由上述信号调理电路来的交、直流信号分别经单8路模拟开关、以及跟随器处理后输出；
电压测量芯片接受采样电路来的信号，对其进行有效值测量，其结果输出 至所述单片机；
温度传感器与单片机连接； 湿度传感器与单片机连接。
本新型采用单片机技术监测交流电压、直流电压，同时测量现场的环境温度、 湿度，利用中国移动的GPRS网络定时将监测终端的测量数据上传到监测主站， 当测量数据越限时主动上报告警信息。数据传输通道也可以支持以太网络或 RS232方式。
本新型的有益效果是
1、 专门针对无人值班通讯基站交、直流电源系统的监控问题而设计，能实 时将基站内交、直流电源的工作状况以及环境温度、湿度等数据上传至主站服务 器，使基站设备处于正常工作状态之中，保持通信网络畅通。
2、 由于本实用新型的目的明确，在设计时就考虑到了终端的成本问题，最 终开发出来的电源环境监测终端相对具有较大的成本优势。
图l是本新型的电原理框体图； 图2是图1所示交流滤波(整流)电路图； 图3是图1所示直流滤波电路图4是图1所示交流、直流滤波后的信号调理电路图5是图1所示电压测量芯片的采样电路图6是湿度传感器电路图7是温度传感器电路图8是图1所示单片机的电路图9是以太网接口电路图10是GPRS通信电路图11是LCD屏幕段码信息图。
具体实施方式
图1示出，本新型包括单片机，LCD显示器以及上传信息至主站服务器的通讯�？椋涮卣魇腔咕哂校涣髀瞬ㄕ骷捌湫藕诺骼淼缏啡嘟涣鞯绶�
别顺次经Lcn型滤波器、三相桥式整流器处理后、再经互感器和采样电阻进行
幅值调整；直流滤波及其信号调理电路5路直流电分别经电容滤波器处理后、 再经分压电阻进行幅值调整；采样电路由上述信号调理电路来的交、直流信号 分别经单8路模拟开关、以及跟随器处理后输出；电压测量芯片接受采样电路 来的信号，对其进行有效值测量，其结果输出至所述单片机；温度传感器与单 片机连接；湿度传感器与单片机连接。参见图2图3图4，电压测量芯片型号 为CS5460A;每一单相交流滤波整流及其信号调理电路组成为电容XC11—端
以及环形共模电感FD1的抽头1均接于该相线，FD1的抽头2接于电容XC21 一端后，再接至三相桥式整流器的一个相电压输入端，XC11和XC21的另一端 均接于零线，FD1的抽头7接于零线、抽头8接至三相桥式整流器的接地电压输 入端，三相桥式整流器的信号输出端接于互感器T3初级线圈的抽头1， T3初级 线圈的抽头3串联电阻R31后接地，T3次级线圈的抽头2、抽头4之间串接有 采样电阻R32，抽头2接至采样电路；每一路直流滤波及其信号调理电路组成为 直流正极接地，电容XC1串接在直流正、负极之间，直流负极串接分压电阻R21 后接至采样电路。每一单相交流滤波整流及其信号调理电路中，还具有两个呈串 联设置的环形共模电感FD2、 FD3， FD2的抽头1接于环形共模电感FD1的抽头2， FD3的抽头2接于三相桥式整流器的一个相电压输入端，且三相桥式整流器的相 电压输出端上还串接有共模电感L12。环形共模电感FD1、 FD2、 FD3的电感量分 别为5mH、 1.5mH、 15mH;共模电感L12的电感量为20mH;电容XCll、 XC21、 XC1 均为0.1 u K/275V;分压电阻R21为120KQ 。每一单相交流滤波整流及其信号调 理电路中，相线与零线之间串接有起防雷保护作用的压敏电阻MYG1;每一路直 径滤波及其信号调理电路中，直流正、负极之间串接有起防雷保护作用的压敏电 阻MYGll。参见图5，采样电路组成为来自三相交流电的信号分别接于单八路 模拟开关CD4051B输入端，CD4051B输出端接于跟随器0P07的3脚，0P07的2 脚接地，OP07的6脚串接电阻R26后接于电压测量芯片CS5460A的16脚；来自 直流电的5路信号分别接至单八路模拟开关CD4051B输入端，CD4051B输出端接 于跟随器0P07的3脚，0P07的2脚接地，0P07的6脚接于CS5460A的9脚。参 见图8，单片机型号为MSP430F449;电压测量芯片CS5460的5、 23、 6、 7、 19脚分别接于单片机的84、 96、 97、 2、 95脚。参见图6图7，湿度传感器组成为-传感器HS1101串接在集成块7555的6脚与地之间，集成块7555的3脚串接电 阻R51后接于单片机MSP430F449的85脚；温度传感器的型号为DS18B20， DS18B20 的2脚接于单片机MSP430F449的65脚。参见图9，通讯�？槲糜诶靡蕴� 络与主站服务器连接的嵌入式网络�？閆NE-10T， ZNE-10T与单片机串口连接。 参见图10，通讯模块为MC55, MC55与单片机连接。
交、直流输入电压经过防雷和滤波处理后，交流电压经过限流电阻、互感器、 采样电阻，然后送至电子切换开关；直流电压经过分压电阻采样后，送至电子切 换开关。电压测量采用CS5460A芯片，依次从电子切换开关取得被测信号，并将 测量结果送至主CPU。主CPU采用Ti公司16位单片机MSP430F449，温度传感 器采用DALLAS公司的DS18B20单线式数字传感器，湿度传感器采用法国Humirel 公司的HS1101并进行误差校正。测量结果通过主CPU的段码显示输出至专门设 计的128段位的LCD屏，实现当地显示功能和人机交互。电源环境监测终端测量 到的交流电压、直流电压、温度、湿度及告警信息，通过GPRS方式、或者以太 网络、或者直接采用RS232方式，上传至监测系统的主站服务器，并在出现异常 时通过短信息主动提示运行维护人员，实现电源环境监测的远程预警功能。
1、 交流滤波电路(含整流)
交流滤波电路如附图2所示，采用3只14K681的氧化锌压敏元件(压敏电 阻)实现防雷保护起用；安规电容XCll、 XC12、 XC13、 XC21、 XC22、 XC23及环 型共模电感FD1、 FD2、 FD3组成三相交流滤波器，实现电磁兼容EMI，其中FD1、 FD2、 FD3的参数值通过电磁兼容试验确定为5mH、 1. 5mH、 15mH左右；8只硅整 流二极管组成三相桥式整流电路，以确保输入的三相交流电源在两组断线时(可 以是零相断线)仍然可以有直流整流电压输出；整流后的直流电压再次经过一只 20mH的共模电感L12以强化抗电磁兼容的能力，输出的电压+V经过后面的开关 电源回路产生+5.0V直流电压供装置工作所需，电解电容C3、 C3A串联以满足耐 压要求。
2、 直流滤波电路
直流输入电源的滤波就相对简单多了，考虑到5组直流被测量都是48V、且 正极共地，因此采用了压敏电阻14K151进行防雷，磁珠和安规电容进行滤波后，再进行信号的幅值调整，参见附图3。
3、 信号调理
信号调理的目的是将被测量的交流电压、直流电压的幅值限幅在CS5460A 的测量范围内，同时确保信号的不失真。直流测量电压的信号幅值调整采用电阻 分压方式，交流测量电压的信号幅值调整采用互感器和采样电阻，如附图4所示。 所有电阻都是精度0.1%的精密电阻。
4、 采样回路
如附图5所示，5路直流输入信号经U21模拟开关和U13跟随器、3路交流 输入信号经U30模拟开关和U31跟随器，分别进入CS5460A进行有效值测量，然 后单片机通过SPI总线读取测量数据。单片机循环控制U21和U30的输入端来 选择8路输入信号的其中之二， ICL7660转换-5V为U13、 U31提供工作电源。
5、 温度/湿度传感器
如附图6所示，湿度测量采用HS1101传感器，通过测量频率方式和HS1101 的湿度-频率特性，得到湿度值。精密电阻R50、 R52、 R53采用上图所示的参数 时，U12必须采用Harris品牌的7555。
温度测量采用DS18B20单线式温度传感器，测量的数据直接送至单片机进行 处理(参见图7，温度传感器采用了2只， 一只用于监测装置的内部温度，另一 只通过装置的端子排接口，与外部的温度传感器连接，连接是采用专用的屏蔽电 缆)。
6、 主CPU电路 参见附图8。
主CPU采用Ti公司MSP430F449，装置上电时由U27 (SP708S)产生上电复 位信号，使单片机开始进入正常工作状态；U20采用铁电存储器，型号为 FM31256S，用于存贮运行参数及相关设置参数；U6型号为AT24C32N用于存贮 校准数据，并有硬件写保存跳线J1，当J1短接时才能向U6中写入数据，完成 装置的交流电压、直流电压、湿度的校准后应将J1断开使U6处于写保护状态， 以免单片机程序跑飞或单片机受干扰时将校准数据改写，增加装置的可靠性。U24 为时钟日历芯片，型号为HT1381，为单片机提供日期和时间信息。
MSP430F449自身带有4X40段位的输出，与专门设计的4X32段位的LCD屏配合，进行测量信息的显示输出，包括时间、直流电压、交流电压、温度、湿 度及各种状态信息。同时，通过跳线选择，可以采用GPRS、以太网、RS232方式 与主站服务器进行数据交互。主站的IP地址、端口、通讯方式等设置信息，可 以通过MSP430F449的RS232接口进行设置。
装置上电时，首先进行自检，然后采用巡检方式，测量并显示装置时间、5 组直流电压、3组交流电压、2组温度、l组湿度，同时根据设置的主站IP地址、 端口和通讯方式，将测量数据定时上传到主站服务器，并接受主站服务器的指令。 当测量数据越限时，主动上报告警代码和测量数据。主站系统除在应用程序的界 面弹出告警信息窗口外，也按照终端装置设置的责任人的信息，发送短信息进行 报警提示。
7、 以太网接口
采用ZNE-200T嵌入式网络模块，实现串口与以太网之间的数据传输。通过 通讯方式的跳线选择，可将装置利用以太网络与主站服务器连接，参见附图9。
8、 GPRS通讯电路
参见附图IO， GPRS�？椴捎肕C55 (西门子公司的一款GPRS通讯�？�)，并 通过跳线进行通讯方式的选择。
9、 显示回路及LCD屏
LCD屏的显示信息(图11)的规划，而显示驱动回路直接采用了 MSP430F449 的内置段码显示功能。
权利要求1、一种电源环境监测终端，包括单片机，LCD显示器以及上传信息至主站服务器的通讯�？椋涮卣魇腔咕哂校涣髀瞬ㄕ骷捌湫藕诺骼淼缏啡嘟涣鞯绶直鹚炒尉璍C∏型滤波器、三相桥式整流器处理后、再经互感器和采样电阻进行幅值调整；直流滤波及其信号调理电路5路直流电分别经电容滤波器处理后、再经分压电阻进行幅值调整；采样电路由上述信号调理电路来的交、直流信号分别经单8路模拟开关、以及跟随器处理后输出；电压测量芯片接受采样电路来的信号，对其进行有效值测量，其结果输出至所述单片机；温度传感器与单片机连接；湿度传感器与单片机连接。
2、 根据权利要求1所述电源环境监测终端，其特征是所述电压测量芯片 型号为CS5460A;每一单相交流滤波整流及其信号调理电路组成为电容XC11一端以及环形共模电感FD1的抽头1均接于该相线，FD1的抽头2接于电容XC21 一端后，再接至三相桥式整流器的一个相电压输入端，XC11和XC21的另一端均 接于零线，FD1的抽头7接于零线、抽头8接至三相桥式整流器的接地电压输入 端，三相桥式整流器的信号输出端接于互感器T3初级线圈的抽头1， T3初级线 圈的抽头3串联电阻R31后接地，T3次级线圈的抽头2、抽头4之间串接有采样 电阻R32，抽头2接至采样电路；每一路直流滤波及其信号调理电路组成为直流正极接地，电容XC1串接在 直流正、负极之间，直流负极串接分压电阻R21后接至采样电路。
3、 根据权利要求2所述电源环境监测终端，其特征是所述每一单相交流 滤波整流及其信号调理电路中，还具有两个呈串联设置的环形共模电感FD2、 FD3， FD2的抽头1接于环形共模电感FD1的抽头2， FD3的抽头2接于三相桥式 整流器的一个相电压输入端，且三相桥式整流器的相电压输出端上还串接有共模 电感L12。 -
4、 根据权利要求3所述电源环境监测终端，其特征是所述环形共模电感 rai、 FD2、 FD3的电感量分别为5mH、 1.5mH、 15mH;共模电感L12的电感量为20mH;电容XCll、 XC21、 XC1均为0. 1 u K/275V;分压电阻R21为120KQ 。
5、 根据权利要求4所述电源环境监测终端，其特征是所述每一单相交流 滤波整流及其信号调理电路中，相线与零线之间串接有起防雷保护作用的压敏电 阻MYG1;每一路直径滤波及其信号调理电路中，直流正、负极之间串接有起防 雷保护作用的压敏电阻MYG11 。
6、 根据权利要求5所述电源环境监测终端，其特征是所述采样电路组成 为来自三相交流电的信号分别接于单八路模拟开关CD4051B输入端，CD4051B 输出端接于跟随器0P07的3脚，0P07的2脚接地，0P07的6脚串接电阻R26 后接于电压测量芯片CS5460A的16脚；来自直流电的5路信号分别接至单八路 模拟开关CD4051B输入端，CD4051B输出端接于跟随器0P07的3脚，OP07的2 脚接地，OP07的6脚接于CS5460A的9脚。
7、 根据权利要求1 6任一权利要求所述电源环境监测终端，其特征是所 述单片机型号为MSP430F449;电压测量芯片CS5460的5、 23、 6、 7、 19脚分别 接于单片机的84、 96、 97、 2、 95脚。
8、 根据权利要求7所述电源环境监测终端，其特征是所述湿度传感器组 成为传感器HS1101串接在集成块7555的6脚与地之间，集成块7555的3脚 串接电阻R51后接于单片机MSP430F449的85脚;温度传感器的型号为DS18B20， DS18B20的2脚接于单片机MSP430F449的65脚。
9、 根据权利要求8所述电源环境监测终端，其特征是所述通讯�？槲� 于利用以太网络与主站服务器连接的嵌入式网络�？閆NE-200T， ZNE-200T与单 片机串口连接。
10、 根据权利要求8所述电源环境监测终端，其特征是所述通讯�？槲� MC55， MC55与单片机连接。
专利摘要一种电源环境监测终端，包括单片机，LCD显示器以及上传信息至主站服务器的通讯模块，还具有交流滤波整流及其信号调理电路、直流滤波及其信号调理电路、采样电路、电压测量芯片、温度传感器以及湿度传感器。它对微波通讯基站的交、直流电源以及基站内温度、湿度进行自动监控、兼上传至主站服务器，使基站设备在监测状态下运行，保持通讯网络畅通，具有工作稳定可靠、成本低的优势。
文档编号G01N27/04GK201290068SQ20082006519
公开日2009年8月12日 申请日期2008年9月18日 优先权日2008年9月18日
发明者云 张 申请人:四川省电力公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
