專利名稱：交直流二級隔離直流電源裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無人值守地震臺監(jiān)測儀器設備的供電電源技術領域，具體涉及一種交直流二級隔離直流電源裝置。
背景技術：
隨著防震減災事業(yè)和電子技術的發(fā)展，地震數(shù)字化監(jiān)測儀器設備對供電電源提出了越來越高的要求。對于傳輸不間斷觀測數(shù)據(jù)的地震臺站來說，為了得到穩(wěn)定可靠的觀測數(shù)據(jù)，一般勘選在受外界影響因素小的偏僻環(huán)境。尤其是測震臺站對基巖臺基的嚴格規(guī)定， 往往建設的土層覆蓋淺、接地條件不能完全滿足避雷要求，造成臺站遭受雷擊破壞的機率增加。為免遭雷擊，大都在電源的總入口處安裝spd。sro是指浪涌保護器，又稱電涌保護器、防雷器、避雷器，用于保護用電設備免遭雷電電磁脈沖或操作過電壓破壞。其避雷效果主要取決于sro的性能指標。由于臺站周圍環(huán)境、條件復雜，所以合理地選用、配置、安裝和嚴格進行sro施工，在實際工作中往往很難做到。對于偏遠的無人值守地震臺站來說，用人工拉閘的方式來避免儀器設備被雷擊損壞是無法做到的。而這些精密儀器多為低電壓、低功耗的昂貴設備，不論是儀器自帶的電源還是傳統(tǒng)的不間斷電源，其避雷效果完全取決于SPD的狀況，其隔離感應雷的級數(shù)不夠而遭受雷擊導致數(shù)據(jù)中斷的損失和高額的修理費用時有發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述存在的技術問題，而提供一種能夠有效避免雷擊靜電感應通過市電進入監(jiān)測儀器設備的交直流二級隔離直流電源，從而避免雷擊造成監(jiān)測儀器設備損壞和數(shù)據(jù)中斷。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的交直流二級隔離直流電源裝置，包括避雷器，所述避雷器的輸入端與市電連接，所述避雷器的輸出端連接充電模塊的輸入端，所述充電模塊的輸出端連接第二繼電器的靜觸點，所述第二繼電器的兩個動觸點分別連接第一電池組和第二電池組的輸入端，所述第一電池組和第二電池組的輸出端分別與第三繼電器的兩個動觸點相連，第三繼電器的靜觸點連接穩(wěn)壓電路的輸入端；所述第一電池組和第二電池組的輸出端連接電壓比較器模塊的輸入端，所述電壓比較器模塊的輸出端連接微控制器模塊的輸入端，所述微控制器模塊的輸出端連接繼電器驅動模塊，所述繼電器驅動模塊的三個輸出端分別連接第一繼電器、第二 繼電器和第三繼電器動作使能端，所述微控制器模塊通過SPI接口連接以太網(wǎng)控制器，所述以太網(wǎng)控制器通過以太網(wǎng)連接遠端上位機。進一步地，所述充電模塊、第一電池組和第二電池組的輸出端分別連接光電隔離模塊的信號輸入端，所述光電隔離模塊的信號輸出端連接微控制器模塊。進一步地，所述第一繼電器、第二繼電器和第三繼電器均為單線圈式磁保持繼電器。進一步地，所述電壓比較器模塊包括芯片LM339，芯片LM339的引腳4通過串聯(lián)連接的電位器R20和電阻Rll與第一電池組的正極連接，芯片LM339的引腳6串聯(lián)連接的電位器R19和電阻RlO與第二電池組的正極連接，芯片LM339的引腳5和7通過電阻R14拉到高電平，此高電平由電容C5進行去耦。 進一步地，所述光電隔離模塊包括光耦芯片TLP521-3和觸發(fā)器⑶40106，所述光耦芯片TLP521-3的引腳I通過串聯(lián)連接的電阻R2和二極管D7連接第一電池組的正極，光耦芯片TLP521-3的引腳2連接第一電池組的負極，光耦芯片TLP521-3的引腳3通過串聯(lián)連接的電阻Rl和二極管D6連接第二電池組的正極，光耦芯片TLP521-3的引腳4連接第二電池組的負極，光耦芯片TLP521-3的引腳5通過電阻R3連接充電模塊輸出端的正極，光耦芯片TLP521-3的引腳6連接充電模塊輸出端的負極，光耦芯片TLP521-3的引腳7、引腳9 和引腳11均與大地連接，引腳8、引腳10和引腳12通過5. 6K的電阻拉到高電平，并分別與觸發(fā)器⑶40106的引腳5、引腳I、引腳3連接。進一步地，所述繼電器驅動模塊包括雙向驅動芯片ULN2003A，所述雙向驅動芯片 ULN2003A的引腳14、引腳15、引腳16分別與第一繼電器、第二繼電器和第三繼電器動作使能端連接，所述雙向驅動芯片ULN2003A的引腳I、引腳2、引腳3、引腳4、引腳5分別與觸發(fā)器⑶40106的引腳2、引腳4、引腳6、引腳8、引腳10連接。進一步地，所述微控制器模塊包括型號為STC12LE5A60S2的單片機，所述 STC12LE5A60S2單片機的引腳32、引腳33、引腳34分別與觸發(fā)器CD40106的引腳2、引腳4、 引腳6連接，所述STC12LE5A60S2單片機的引腳12、引腳13分別與所述芯片LM339的引腳
I、引腳2連接。進一步地，所述以太網(wǎng)控制器為ENC28J60以太網(wǎng)控制器。本發(fā)明電源從供電的角度來消除雷電波影響，通過一套能與市電隔離二級的不間斷直流電源，以避開雷擊靜電感應通過市電進入監(jiān)測儀器設備，從而有效保護儀器設備，最大限度避免雷擊破壞。本發(fā)明設置兩個電池組，第一電池組充電備用，第二電池組給儀器設備供電。當?shù)诙姵亟M放電完畢則轉為充電，由第一電池組給設備供電，此切換過程由電壓比較器模塊和第二繼電器和第三繼電器的開關實現(xiàn)。由此便實現(xiàn)了一級雷電電磁脈沖的隔離保護。其中第一電池組和第二電池組通過第一繼電器連接市電，由市電給第一電池組和第二電池組充電，在有雷電達到時，通過遠程上位機切斷第一繼電器，隔斷充電模塊與市電的連接，這樣就又多了一道承受電磁脈沖的隔離防護，實現(xiàn)了二級隔離。本發(fā)明設計了雙組電池切換供電，即使在雷雨時期也能提供可靠的供電；通過微控制器模數(shù)轉換端口實時監(jiān)測輸出的電壓、電流信號，并反饋到上位機來掌握電源供電的信息，保證了儀器負載可靠工作；通過微控制器連接具有Ethernet網(wǎng)通信端口的以太網(wǎng)控制器，可以實時訪問數(shù)據(jù)，系統(tǒng)支持10M/100M，支持互聯(lián)網(wǎng)遠程訪問。有效地解決了無人值守臺站專業(yè)設備的供電安全問題(隔離雷電對監(jiān)測儀器設備的沖擊)、實現(xiàn)臺網(wǎng)中心對臺站電源的遠程監(jiān)測和控制，為數(shù)字地震觀測系統(tǒng)的正常運行提供了強有力的保障。


圖I為本發(fā)明結構框圖；圖2是本發(fā)明電壓比較器模塊電路圖3是光電隔離模塊電路圖；圖4是繼電器驅動模塊電路圖；圖5是微控制器模塊和以太網(wǎng)控制器電路圖；圖中1、避雷器；2、充電模塊；3、第一電池組；4、第二電池組；5、穩(wěn)壓電路；6、電壓比較器模塊；7、微控制器模塊；8、繼電器驅動模塊；9、以太網(wǎng)控制器；10、上位機；11、光電隔離模塊；K1、第一繼電器；Κ2、第二繼電器；Κ3、第三繼電器。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。如圖I所示，交直流二級隔離直流電源裝置包括避雷器1，避雷器I的輸入端與市電連接，避雷器I的輸出端通過連接充電電路2的輸入端，充電電路2的輸出端連接第二繼電器Κ2的靜觸點，第二繼電器Κ2的兩個動觸點分別連接第一電池組3和第二電池組4的輸入端，第一電池組3和第二電池組4的輸出端分別與第三繼電器Κ3的兩個動觸點相連， 第三繼電器Κ3的靜觸點連接穩(wěn)壓電路5的輸入端；第一電池組3和第二電池組4的輸出端連接電壓比較器模塊6的輸入端，電壓比較器模塊6的輸出端連接微控制器模塊7的輸入端，微控制器模塊7的輸出端連接繼電器驅動模塊8，繼電器驅動模塊8的三個輸出端分別連接第一繼電器Κ1、第二繼電器Κ2和第三繼電器Κ3動作使能端，微控制器模塊7通過SPI 接口連接以太網(wǎng)控制器9，以太網(wǎng)控制器9通過以太網(wǎng)連接遠端上位機10。充電電路2、第一電池組3和第二電池組4的輸出端分別連接光電隔離模塊11的信號輸入端，光電隔離模塊11的信號輸出端連接微控制器模塊7。第一繼電器Κ1、第二繼電器Κ2和第三繼電器Κ3均為單線圈式磁保持繼電器，繼電器斷開后觸點的間距很大，能夠有效地避免雷電波浪涌及雜波對負載設備的侵害，在蓄電池切換過程中能夠保持穩(wěn)定的電平輸出，沒有瞬間斷電現(xiàn)象，省電、性能穩(wěn)定、體積小、承載能力大的優(yōu)點。電壓比較器模塊6包括芯片LM339，如圖2所示，芯片LM339的引腳4通過串聯(lián)連接的電位器R20和電阻Rll與第一電池組3的正極連接，芯片LM339的引腳6串聯(lián)連接的電位器R19和電阻RlO與第二電池組4的正極連接，芯片LM339的引腳5通過串聯(lián)連接的電阻R14和電容C5與大地連接，電阻R14和電容C5均與電路供電電壓VCC連接，電位器 R19和電位器R20均與大地連接。電壓比較器模塊6的工作原理為，當供電的電池(市電或第一電池組3或第二電池組4)的正極低于設定的下限電平(INl+端電位)時，電壓比較器 LM339的引腳I或引腳2輸出高電平信號，微控制器模塊7檢測到此高電平后，由微控制器模塊7的I/O 口輸出低電平到繼電器驅動模塊8控制繼電器動作，并將第二繼電器Κ2和第三繼電器Κ3的連接狀態(tài)互換，實現(xiàn)自動充電與供電。當交流停電時，先由第一電池組3或第二電池組4中的一組電池供電，放電完畢后由另一組供電。若兩組蓄電池均放電完畢或者在更換蓄電池期間則，啟用旁路模式，由充電電路直接給監(jiān)測儀器設備供電。
光電隔離模塊11包括光耦芯片TLP521-3和觸發(fā)器⑶40106，如圖3所示，光耦芯片TLP521-3的引腳I通過串聯(lián)連接的電阻R2和二極管D7連接第一電池組3的正極，光耦芯片TLP521-3的引腳2連接第一電池組3的負極，光耦芯片TLP521-3的引腳3通過串聯(lián)連接的電阻Rl和二極管D6連接第二電池組4的正極，光耦芯片TLP521-3的引腳4連接第二電池組4的負極，光耦芯片TLP521-3的引腳5通過電阻R3連接充電電路2輸出端的正極，光耦芯片TLP521-3的引腳6連接充電電路2輸出端的負極，光耦芯片TLP521-3的引腳 12通過電阻R4與電路供電電壓VCC連接，光耦芯片TLP521-3的引腳11、引腳9和引腳7均與大地連接，引腳10通過電阻R6與電路供電電壓VCC連接、引腳8通過電阻R5與電路供電電壓VCC連接，光耦芯片TLP521-3的引腳12、引腳10、引腳8分別與觸發(fā)器⑶40106的引腳3、引腳I、引腳5連接。光電隔離模塊11的工作原理為，第一電池組3、第二電池組4 和充電電路2經(jīng)過3k的電阻限流，進入光耦芯片TLP521-3，當?shù)谝浑姵亟M3、第二電池組4 和充電電路2接入時，通電的一路使發(fā)光二極管開通，對應的三極管導通，從而將集電極拉倒低電平，經(jīng)過CD40106施密特觸發(fā)器反向后變?yōu)楦唠娖捷斎氲轿⒖刂破髂K7，微控制器模塊7將第一電池組3、第二電池組4和充電電路2的供電狀態(tài)反饋到上位機中，實時監(jiān)測地震臺儀器設備供電狀態(tài)。
如圖4所示的繼電器驅動模塊8，包括雙向驅動芯片ULN2003A，雙向驅動芯片 ULN2003A的引腳14、引腳15、引腳16分別與第一繼電器K1、第二繼電器K2和第三繼電器 K3動作使能端連接，雙向驅動芯片ULN2003A的引腳I、引腳2、引腳3、引腳4、引腳5分別與觸發(fā)器⑶40106的引腳2、引腳4、引腳6、引腳8、引腳10連接。繼電器驅動模塊8的工作原理為，雙向驅動芯片ULN2003A內(nèi)部有消線圈反電動勢的二極管，輸出端允許通過IC 電流200mA，輸出電流大，具有高電壓輸出特性，根據(jù)微控制器模塊7的命令，雙向驅動芯片 ULN2003A直接驅動第一繼電器Kl、第二繼電器K2、第三繼電器K3的導通或斷開。微控制器模塊7包括型號為STC12LE5A60S2的單片機，如圖5所示， STC12LE5A60S2的引腳32、引腳33、引腳34分別與觸發(fā)器CD40106的引腳2、引腳4、引腳6 連接，STC12LE5A60S2單片機的引腳12、引腳13分別與所述芯片LM339的引腳I、引腳2連接。本發(fā)明選用STC12LE5A60S2的單片機，具有待機功耗低、高速、高可靠、強抗靜電和強抗干擾能力的優(yōu)點。以太網(wǎng)控制器9為ENC28J60以太網(wǎng)控制器，外設SPI接口，ENC28J60與微控制器STC12LE5A60S2通過SPI接口連接，支持10Mbps。微控制器STC12LE5A60S2通過 SPI接口發(fā)送命令，訪問ENC28J60的寄存器或讀寫接收/發(fā)送緩沖區(qū)。ENC28J60的復位也通過SPI接口由內(nèi)部固化的軟件實現(xiàn)，軟件復位不影響SYS_RST引腳的狀態(tài)。ENC28J60有兩個中斷輸出，分別用于事件中斷觸發(fā)和網(wǎng)絡喚醒主機。軟件采用宏定義實現(xiàn)SPI 口讀寫操作。SOSPDR為SPI數(shù)據(jù)寄存器，該雙向寄存器存儲數(shù)據(jù)，為SPI提供發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。 發(fā)送數(shù)據(jù)通過寫該寄存器提供，SPI接收的數(shù)據(jù)從該寄存器讀出。SOSPSR為SPI狀態(tài)寄存器，在對SPI接口進行操作之前對其初始化。本發(fā)明的工作過程為I、當電壓比較器模塊6檢測出第一電池組3電壓低時，微控制器模塊7控制繼電器驅動模塊8，驅動第一繼電器Kl使其導通、第二繼電器K2與第一電池組吸合、第三繼電器 K3與第二電池組吸合，使第一電池組3進入充電模式，第二電池組4進入供電模式。2、當電壓比較器模塊6檢測出第二電池組4電壓低時，微控制器模塊7控制繼電器驅動模塊8，驅動第一繼電器Kl使其導通、第二繼電器K2與第二電池組吸合、第三繼電器K3與第一電池組吸合，使第一電池組3進入供電模式，第二電池組4進入充電模式。此過程的隔離由K3實現(xiàn)，稱為直流隔離。3、工作過程I和2交替進行，循環(huán)往復，實現(xiàn)不間斷供電。當雷雨天氣到來時，臺網(wǎng)中心工作人員可以操作上位機10通過以太網(wǎng)來遠程控制第一繼電器Kl斷開實現(xiàn)交流隔離，防止雷擊靜電感應通過交流市電進入監(jiān)測儀器設備。
本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
權利要求
1.一種交直流二級隔離直流電源裝置，包括避雷器(I)，所述避雷器(I)的輸入端與市電連接，其特征在于所述避雷器(I)的輸出端連接充電模塊(2)的輸入端，所述充電模塊 (2)的輸出端連接第二繼電器(K2)的靜觸點，所述第二繼電器(K2)的兩個動觸點分別連接第一電池組(3)和第二電池組(4)的輸入端，所述第一電池組(3)和第二電池組(4)的輸出端分別與第三繼電器(K3)的兩個動觸點相連接，第三繼電器(K3)的靜觸點連接穩(wěn)壓電路(5)的輸入端；所述第一電池組(3)和第二電池組(4)的輸出端連接電壓比較器模塊(6)的輸入端，所述電壓比較器模塊(6)的輸出端連接微控制器模塊(7)的輸入端，所述微控制器模塊⑵的輸出端連接繼電器驅動模塊(8)，所述繼電器驅動模塊⑶的三個輸出端分別連接第一繼電器(Kl)、第二繼電器(K2)和第三繼電器(K3)動作使能端，所述微控制器模塊(7)通過SPI接口連接以太網(wǎng)控制器(9)，所述以太網(wǎng)控制器(9)通過以太網(wǎng)連接上位機(10)。
2.根據(jù)權利要求I所述的交直流二級隔離直流電源裝置，其特征在于所述充電模塊(2)、第一電池組(3)和第二電池組⑷的輸出端分別連接光電隔離模塊(11)的信號輸入端，所述光電隔離模塊(11)的信號輸出端連接微控制器模塊(7)。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的交直流二級隔離直流電源裝置，其特征在于所述第一繼電器(Kl)、第二繼電器(K2)和第三繼電器(K3)均為單線圈式磁保持繼電器。
4.根據(jù)權利要求I所述的交直流二級隔離直流電源裝置，其特征在于所述電壓比較器模塊(6)包括芯片11039，芯片11039的引腳4通過串聯(lián)連接的電位器1 20和電阻1 11與第一電池組(3)的正極連接，芯片LM339的引腳6串聯(lián)連接的電位器R19和電阻RlO與第二電池組⑷的正極連接，芯片LM339的引腳5和7通過電阻R14拉到高電平，此高電平由電容C5進行去耦。
5.根據(jù)權利要求3所述的交直流二級隔離直流電源裝置，其特征在于所述光電隔離模塊(11)包括光耦芯片TLP521-3和觸發(fā)器⑶40106，所述光耦芯片TLP521-3的引腳I通過串聯(lián)連接的電阻R2和二極管D7連接第一電池組(3)的正極，光耦芯片TLP521-3的引腳 2連接第一電池組(3)的負極，光耦芯片TLP521-3的引腳3通過串聯(lián)連接的電阻Rl和二極管D6連接第二電池組(4)的正極，光耦芯片TLP521-3的引腳4連接第二電池組(4)的負極，光耦芯片TLP521-3的引腳5通過電阻R3連接充電模塊(2)輸出端的正極，光耦芯片 TLP521-3的引腳6連接充電模塊(2)輸出端的負極，光耦芯片TLP521-3的引腳7、引腳9 和引腳11均與大地連接，引腳8、引腳10和引腳12通過5. 6K的電阻拉到高電平，并分別與觸發(fā)器⑶40106的引腳5、引腳I、引腳3連接。
6.根據(jù)權利要求5所述的交直流二級隔離直流電源裝置，其特征在于所述繼電器驅動模塊(8)包括雙向驅動芯片ULN2003A，所述雙向驅動芯片ULN2003A的引腳14、引腳15、 引腳16分別與第一繼電器(Kl)、第二繼電器(K2)和第三繼電器(K3)動作使能端連接，所述雙向驅動芯片ULN2003A的引腳I、引腳2、引腳3、引腳4、引腳5分別與觸發(fā)器⑶40106 的引腳2、引腳4、引腳6、引腳8、引腳10連接。
7.根據(jù)權利要求5所述的交直流二級隔離直流電源裝置，其特征在于所述微控制器模塊(7)包括STC12LE5A60S2單片機，所述STC12LE5A60S2單片機的引腳32、引腳33、引腳 34分別與觸發(fā)器CD40106的引腳2、引腳4、引腳6連接，所述STC12LE5A60S2單片機的引腳、12、引腳13分別與所述芯片LM339的引腳I、引腳2連接。
8.根據(jù)權利要求5所述的交直流二級隔離直流電源裝置，其特征在于所述以太網(wǎng)控制器(9)為ENC28J60以太網(wǎng)控制器。
全文摘要
本發(fā)明涉及交直流二級隔離直流電源裝置，包括避雷器，其輸入端與市電連接，其輸出端連接充電模塊的輸入端，充電模塊的輸出端連接第二繼電器，第二繼電器連接第一電池組和第二電池組的輸入端，其輸出端分別與第三繼電器相連，第三繼電器連接穩(wěn)壓電路的輸入端；第一電池組和第二電池組的輸出端連接電壓比較器模塊的輸入端，電壓比較器模塊的輸出端連接微控制器模塊的輸入端，微控制器模塊的輸出端連接繼電器驅動模塊，繼電器驅動模塊輸出端分別連接三個繼電器，微控制器模塊通過SPI接口連接以太網(wǎng)控制器，以太網(wǎng)控制器通過以太網(wǎng)連接遠端上位機。本發(fā)明裝置有效地避開了雷擊靜電感應通過市電進入監(jiān)測儀器設備，大大降低了地震監(jiān)測儀器設備遭雷擊破壞的概率。
文檔編號H02J7/00GK102624064SQ20121011619
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權日2012年4月19日
發(fā)明者彭宏偉 申請人:彭宏偉