数字式产品的设计方法与思路

数字式过载继电器采用微处理器技术，具有实时性好、稳定性好、保护功能多样化等特点。下面分别从硬件和软件两方面进行介绍。

1.采样电路设计

数字式过载继电器外接电流互感器，采样回路对外置电流互感器的输出信号进行采样、放大、处理。图15-6所示为三相电流输入回路中的一路I_A，信号通过放大器将交流信号放大，然后经RC滤波，最后将采样信号送入CPU进行A-D转换，信号输入端加双向二极管VD以钳位输入信号的电压值。

2.电源电路设计

电源电路采用TOP221Y型三端单片开关电源，配PS2501K光耦合器和TL431可调式精密并联稳压器，构成3路隔离输出式PWM开关电源模块。该电源电路简单，稳定性好，成本低。其电压调整率和负载调整率均为±1%，电源效率可达75%以上。

图15-6 采样电路

如图15-7所示，交流电流经过整流桥UR和电容C₃整流滤波后产生直流高压U_i，给高频变压器T₁的一次绕组供电。VD₁和VD₂能将漏感产生的尖峰电压钳位到安全值，并能衰减振铃电压。VD₁采用反向击穿电压为200V的P6KE200瞬态电压抑制器，VD₂选用1A/600V的UF4005超快恢复二极管。二次绕组电压通过VD₆、VD₇、C₁₃、C₁₇、L₂、C₁₆、C₁₈、C₇整流滤波，获得±5V电压。+5V值是由TL431提供稳定电压，R₁₆和R₁₇能设定+5V的输出值，并能为+5V提供一个假负载，用以提高轻载时的负载调整率。反馈绕组电压经VD₃、C₆整流滤波后，提供给TOP221Y所需偏压。由R₁₅和IC₄来调节控制端电流，通过改变占空比达到稳压的目的。输入电流端的共模扼流圈L₁可以由一次绕组接D端的高压开关波形所产生的共模泄漏电流。

该电源电路技术指标如下：

交流输入电压U：AC85～265V或DC120～350V；

输入电网频率f：45～65Hz；

输出电压U₁：±5（1±1%）V，U₂：+5（1±5%）V，U₃：+12（1±5%）V；

最大输出电流I：0.5A；

连续输出功率P：8.5W；

电压调整率（AC 85～265V）SV：±%

负载调整率S_i：±1%；

电源效率η：78%；

输出纹波电压的最大值：±50mV；

工作温度范围T：0～65℃。(www.xing528.com)

图15-7 电源电路

3.显示电路设计

显示单元采用独立的MCU控制，功能包括参数显示和按钮控制功能，硬件框图如图15-8所示。主控芯片采用飞思卡尔的MC9S08AW60处理器，液晶屏采用DM12864I（54mm×50mm）的液晶显示。对于被控对象的状态，显示单元用状态指示灯指示；考虑到使用环境的特殊性和要求的多样性，主体单元与显示单元之间连接也采用RS-485 Mod-bus-RTU协议连接，提高了显示与控制的可靠性，显示单元数据通信电路如图15-9所示，电路使用具有瞬变电压抑制功能的SN65LBC184差分收发器，收发方式同4通信电路中设计，这里不再赘述。

图15-8 显示电路框图

图15-9 显示电路通信接口电路

4.通信电路设计

通信电路采用Modbus-RTU通信协议，电路使用具有瞬变电压抑制功能的SN65LBC184差分收发器，如图15-10所示，显示单元的数据送入差分收发器的DI口，数据经由晶体管V₇放大，经OPT03光耦合器信号隔离进入差分收发器的DI口，收发控制电路导通，差分收发器的使能口DE（）电位为H，差分收发器开始传送数据；晶体管V7（9013）的集电极电压控制差分收发器IC₈的使能口DE

图15-10 通信电路

（）。当TXD₁有数据发送时，晶体管V₇导通，使能口DE（）电位为H，开始发送数据；当没有数据传出，收发控制晶体管V₆截止，IC₈的使能口DE（）电位为L，则差分收发器开始接收数据，由RO口传送数据至数据中心，接收数据电路采用光隔离，有效地提高了数据接收的抗干扰能力。

5.输入输出电路设计

开关量输入电路如图15-11所示，输入端限流电阻R₇、R₈为光耦合器提供输入电流，输出信号提供给主控芯片以做处理，输出信号的供电电压为+5V。继电器输出电路如图15-12所示，控制信号D04经SS8050-TO92晶体管V₁以驱动TLP181光耦合器U₂，达到信号隔离效果，晶体管的供电电压为+5V。信号经由TO92-8550晶体管V₂放大信号驱动继电器线圈，控制继电器输出，继电器的线圈供电电压为+12V。

输入、输出端采用光隔离的方法，同时也可以消除共模干扰。

图15-11 开关量输入电路