第2章检测电路模块

第2章 外磁场检测

第1节 继电器检测电路

1.1 230V电子式电能表单路继电器状态检测电路 1.1.1 电路概述

单路继电器状态检测电路是实现单路继电器开合状态检测功能电路，继电器是对用户正常用电进行控制，所以必须正确检测继电器状态。 1.1.2 工作参数及指标

参比温度 23℃±2℃。

表2-1 项目 工作电压 继电器闭合电流 继电器断开电流 最小值 161 0.26 0 230 0.407 0 工作参数及指标 最大值 400 0.688 0 单位 VAC mA mA 备注 功耗测试如下说明 额定值 功耗测试波形图如下：

下图为输入230VAC状态下R1、R2、R3、R4任意一个电阻两端在继电器闭合到断开状态时的有效电压变化图。

图2-1 有效电压变化图

继电器闭合电流=闭合时电阻两端有效电压/电阻值。由图2-1可算出230VAC输入状态下继电器闭合电流=40.1V/100k流闭合到断开状态时。继电器断开后电流近似为0。

115

a） 输入70%电压（161VAC）时，功耗测试波形如下：

图2-2 功耗测试波形图

由图可算出161VAC输入状态下继电器闭合电流=26V/100k合电流闭合到断开状。继电器断开后电流近似为0。

b） 输入400VAC时，功耗测试波形如下：

图2-3 功耗测试波形图

由2-3图可算出400VAC输入状态下继电器闭合电流=68.8V/100k流闭合到断开状态时。继电器断开后电流近似为0。

116

1.1.3 电路图 1.1.3.1 原理图

图2-4 电路原理图

1.1.3.2

PCB图

图2-5 PCB图

注：PCB图主要指明继电器检测电路必须用于压敏保护后级。 1.1.4 电路图的工作原理描述

在输入230VAC条件下，当继电器闭合导通时火线与L_RELAY接通，火线与3.3V连接，所以继电器闭合后L_RELAY对系统地电压3.3V（参照下图2-6L_RELAY波形光标AB之间测试电压为3.3V左右）。230VAC额定电压经SM520整流负半波得到半波直流电压，再经过R1～R4分压限流后，较小的工频脉冲电流流过光耦发光侧。

继电器检测口Relay_Test通过一个10k贴片电阻上拉，当光耦发光侧有电流流过时，光耦另一侧Relay_Test被拉低。由于光耦发光侧是经过半波整流后得到的工频脉冲电流，所以光耦另一侧Relay_Test相应地检测到工频脉冲信号（参照下图2-6Relay_Test波形）。当单片机检测到脉冲信号时，判断继电器为闭合状态。

117

当继电器断开时，L_RELAY与火线断开，L_RELAY对地3.3V消失，并且光耦发光侧无电流流过，光耦另一侧无脉冲信号产生。由于继电器检测口Relay_Test通过一个10k贴片电阻上拉，所以继电器断开时单片机只能检测到3.3V高电平判断为继电器断开（参照下图2-6Relay_Test波形）。

注：示波器无隔离探头，所以L_RELAY波形为L_RELAY对地波形，当继电器闭合时，L_RELAY对地3.3V。当继电器断开时，由于示波器串与L_RELAY与地之间，所以会出现半波整流波形。

图2-6 Relay_Test波形图 a） 输入161VAC时，继电器由闭合到断开时波形如下：

图2-7 继电器由闭合到断开波形图

118

b） 输入400VAC时，继电器由闭合到断开时波形如下：

图2-8 继电器由闭合到断开波形图

1.1.5 元器件清单

表2-2 参数 SM520 100k 5% 100ppm 1/8W 10k 5% 100ppm 1/10W TCLL4148 PS2501 CTR300-600 封装 1206 0603 位号 D1 R1、R2、R3、R4 R5 D2 IC1 元器件清单表 器件名称 整流二极管 贴片电阻 贴片电阻 开关二极管 光耦 备注 可用cosmo同等参数替换 1.1.6 使用时注意事项

 如果电源前端使用S20K510压敏电阻，注意半波整流二极管使用SM520，因为耐压要达到S20K510压敏电阻最大钳位电压高于1000V。并且继电器状态检测电路必须用于压敏保护电路后级（详见PCB图）。

 SM520的Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage与Maximum DC Blocking Voltage都为2000V。

 光耦的选型注意CTR要大于300。CTR为300光耦已经测试完成，试验结果无误。 1.2 110V电子式电能表单路继电器状态检测电路 1.2.1 电路概述

单路继电器状态检测电路是实现单路继电器开合状态检测功能电路，继电器是对用户用电进行控制，所以必须正确检测继电器状态。 1.2.2 工作参数及指标

参比温度 23℃±2℃。

119

表2-3 项目 工作电压 继电器闭合电流 继电器断开电流 最小值 76 0.292 0 110 0.407 0 工作参数及指标 最大值 250 0.877 0 单位 VAC mA mA 备注 额定值 功耗测试波形图如下：

下图2-9为输入110VAC状态下R1、R2、R3、R4任意一个电阻两端在继电器闭合到打开状态时的有效电压变化图。

继电器闭合电流=闭合时电阻两端有效电压/电阻值。

图2-9 有效电压变化图

由图2-9可算出230VAC输入状态下继电器闭合电流=19.17V/47k流闭合到打开状态时。继电器断开后电流近似为0。

a） 输入70%电压（76VAC）时，功耗测试波形如下：

图2-10 功耗波形图（76VAC）

120

由图可算出76VAC输入状态下继电器闭合电流=13.74V/47k流闭合到打开状态时。继电器断开后电流近似为0。

b） 输入250VAC时，功耗测试波形如下：

图2-11 功耗波形图（250VAC）

由图可算出250VAC输入状态下继电器闭合电流=41.24V/47k流闭合到打开状态时。继电器断开后电流近似为0。 1.2.3 电路图 1.2.3.1

原理图

图2-12 电路原理图

1.2.3.2

PCB图

PCB图同2-23PCB图。 1.2.4 电路图的工作原理描述

在输入110VAC条件下，当继电器闭合导通时火线与L_RELAY接通，火线与3.3V连接，所以继电器闭合后L_RELAY对系统地电压3.3V（参照下图2-13 L_RELAY波形光标AB之间测试电压为3.3V左右）。110VAC额定电压经SM520整流负半波得到半波直流电压，再经过R1～R4分压限流后，较小的工频脉冲电流流过光耦发光侧。

继电器检测口Relay_Test通过一个10k贴片电阻上拉，当光耦发光侧有电流流过时，光耦另一侧Relay_Test被拉低。由于光耦发光侧是经过半波整流后得到的工频脉冲电流，所以光耦另一侧Relay_Test相应地检测到工频脉冲信号（参照下图2-13 Relay_Test波形）。当单片机检测到脉冲信号时，判断继电器为闭合状态。

121

当继电器断开时，L_RELAY与火线断开，L_RELAY对地3.3V消失，并且光耦发光侧无电流流过，光耦另一侧无脉冲信号产生。由于继电器检测口Relay_Test通过一个10K贴片电阻上拉，所以继电器断开时单片机只能检测到3.3V高电平判断为继电器断开（参照下图2-13 Relay_Test波形）。

注：示波器无隔离探头，所以L_RELAY波形为L_RELAY对地波形，当继电器闭合时，L_RELAY对地3.3V。当继电器断开时，由于示波器串与L_RELAY与地之间，所以会出现半波整流波形。

图2-13 Relay_Test波形图

a） 输入76VAC时，继电器由闭合到断开时波形如下：

图2-14 继电器变化波形图（输入76VAC）

b） 输入250VAC时，继电器由闭合到断开时波形如下：

122

图2-15 继电器变化波形图（输入250VAC）

1.2.5 元器件清单

表2-4 参数 SM520 47k 5% 100ppm 1/8W 10k 5% 100ppm 1/10W TCLL4148 PS2501 CTR300-600 封装 1206 0603 位号 D1 R1、R2、R3、R4 R5 D2 IC1 元器件清单 器件名称 整流二极管 贴片电阻 贴片电阻 开关二极管 光耦 备注 可用cosmo同等参数替换 1.2.6 使用时注意事项

 如果电源前端使用S20K510或S20K420压敏电阻，注意半波整流二极管使用SM520，因为耐压要达到S20K510与20K420压敏电阻最大钳位电压都高于1000V。并且继电器状态检测电路必须用于压敏保护电路后级（详见PCB图）。

 SM520的Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage与Maximum DC Blocking Voltage都为2000V。

 光耦的选型注意CTR要大于300。CTR为300光耦已经测试完成，试验结果无误。 1.3 三相230VAC电能表三路路继电器同时检测电路 1.3.1 电路概述

继电器检测电路是实现三路继电器同时开合检测功能电路，继电器是对用户用电进行控制，所以必须正确检测继电器状态。 1.3.2 工作参数及指标

参比温度23℃±2℃。

表2-5

工作参数及指标

123

项目 工作电压 继电器闭合电流 继电器断开电流 最小值 3*160 3*0.287 0 额定值 3*230 3*0.410 0 最大值 3*400 3*0.712 0 单位 VAC mA mA 备注 功耗测试波形图如下：

下图为输入230VAC状态下R1～R12任意一个电阻两端在继电器闭合状态时的有效电压变化图。继电器闭合电流=闭合时电阻两端有效电压/电阻值。

图2-16 有效电压变化图

继电器闭合电流=闭合时电阻两端有效电压/电阻值=41V/100k电压器闭合状态mA。

a） 输入70%额定电压160VAC功耗测试图如下：

图2-17 功耗测试图（160VAC）

继电器闭合电流=有效电压/电阻值=28.71V/100k闭合状态mA有效电。

b）输入400VAC功耗测试图如下：

124

图2-18 功耗测试图（400VAC）

继电器闭合电流=有效电压/电阻值=71.27V/100k闭合状态mA有效电。 1.3.3 电路图 1.3.3.1

原理图

图2-19 电路原理图

1.3.3.2

PCB图

PCB图同单相PCB图。 1.3.4 电路图的工作原理描述

当继电器闭合导通时ABC与零线接通，每一相电压经SM520整流得到半波直流电压，再经过4片电阻分压限流后，由于是三相半波整流，所以流向光耦发光侧电流不是工频脉冲电流，光耦发光侧一直有电流流过，光耦另一侧一直导通3.3V被拉低，单品机检测继电器闭合。当继电器断开时，零线与火线断开无电流流过光耦发光侧，光耦另一侧只有3.3V高电平单片机检测继电器断开。详见图2-20波形：

a） 三相230VAC输入时，继电器由断开状态到闭合状态波形如下图2-20：

125

图2-20 继电器变化波形图（230VAC输入）

三相线电压输入230VAC时继电器从断开到闭合波形说明：继电器闭合时，光耦发光侧形成回路，另一次3.3V被拉低。

b） 三相161VAC输入时，继电器由断开状态到闭合状态波形如下图2-21：

图2-21 继电器变化波形图（161VAC输入）

三相线电压输入161VAC时继电器从断开到闭合波形说明：继电器闭合时，光耦发光侧形成回路，另一次3.3V被拉低。

c） 三相400VAC输入时，继电器由断开状态到闭合状态波形如下图2-22：

126

图2-22 继电器变化波形图（400VAC输入）

三相线电压输入400VAC时继电器从断开到闭合波形说明：继电器闭合时，光耦发光侧形成回路，另一次3.3V被拉低。 1.3.5 元器件清单

表2-6 参数 SM520 100k 5% 100ppm 1/8W 10k 5% 100ppm 1/10W TCLL4148 PS2501 CTR300~600 封装 1206 0603 位号 D1、D2、D3、 R1、R2、R3、R4 、R5、R6、R7、R8、 R9、R10、R11、R12 R13 D7 IC1 元器件清单 器件名称 整流二极管 贴片电阻 贴片电阻 开关二极管 光耦 备注 可用cosmo同等参数替换 1.3.6 使用时注意事项

 如果电源前端使用S20K510压敏电阻，注意半波整流二极管使用SM520，因为耐压要达到S20K510压敏电阻最大钳位电压高于1000V。并且继电器状态检测电路必须用于压敏保护电路后级。

 SM520的Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage与Maximum DC Blocking Voltage都为2000V。

 光耦的选型注意CTR要大于300。CTR为300光耦已经测试完成，试验结果无误。 1.4 三相110VAC电能表三路路继电器同时检测电路 1.4.1 电路概述

继电器检测电路是实现三路继电器同时开合检测功能电路，继电器是对用户用电进行控制，所以必须正确检测继电器状态。 1.4.2 工作参数及指标

参比温度23℃±2℃。

表2-7

工作参数及指标

127

项目 工作电压 继电器闭合电流 继电器断开电流 最小值 3*76 3*0.165 0 额定值 3*110 3*0.245 0 最大值 3*250 3*0.8 0 单位 VAC mA mA 备注 功耗测试波形图如下：

下图2-23为输入110VAC状态下R1～R12任意一个电阻两端在继电器闭合状态时的有效电压变化图。继电器闭合电流=闭合式电阻两端有效电压/电阻值。

图2-23 有效电压变化图

继电器闭合电流=闭合时电阻两端有效电压/电阻值=12.5/51000=0.245mA。

a） 输入70%额定电压76VAC功耗测试图如下：

图2-24 功耗测试图（76VAC）

继电器闭合电流=有效电压/电阻值=8.43V/51k=0.245mA。

b） 输入250VAC功耗测试图如下：

128

图2-25 功耗测试图（250VAC）

继电器闭合电流=有效电压/电阻值=45.8V/51k =0.8mA。 1.4.3 电路图 1.4.3.1

原理图

图2-26 电路原理图

129

1.4.4 电路图的工作原理描述

工作原理同三相230VAC原理描述，测试波形如下：

a） 三相110VAC输入时，继电器由断开状态到闭合状态波形如下图：

图2-27 继电器变化波形图（三相110VAC输入）

三相线电压输入110VAC时继电器从断开到闭合波形说明：继电器闭合时，光耦发光侧形成回路，另一次3.3V被拉低。

b） 三相76VAC输入时，继电器由断开状态到闭合状态波形如下图：

图2-28 继电器变化波形图（三相76VAC输入）

130

c） 三相250VAC输入时，继电器由断开状态到闭合状态波形如下图：

图2-29 继电器变化波形图（三相250VAC输入）

1.4.5 元器件清单

表2-8 参数 SM520 51k 5% 100ppm 1/8W 10k 5% 100ppm 1/10W TCLL4148 PS2501 CTR300~600 封装 1206 0603 元器件清单表 位号 器件名称 整流二极管 贴片电阻 贴片电阻 开关二极管 光耦 备注 cosmo同等参数可替换 D1、D2、D3、 R1、R2、R3、R4 、R5、R6、R7、R8、 R9、R10、R11、R12 R13 D7 IC1 1.4.6 使用时注意事项

 如果电源前端使用S20K510压敏电阻，注意半波整流二极管使用SM520，因为耐压要达到S20K510压敏电阻最大钳位电压高于1000V。并且继电器状态检测电路必须用于压敏保护电路后级。

 SM520的Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage与Maximum DC Blocking Voltage都为2000V。

 光耦的选型注意CTR要大于300。CTR为300光耦已经测试完成，试验结果无误。 1.5 三相电能表三路继电器检测电路 1.5.1 电路概述

三路继电器检测电路是实现三路继电器开合检测功能电路，三路继电器检测电路有两种一种采用三路光耦检测电路（参照1），另一种采用三路三极管开关检测电路，下文针对三极管检测电路经行描述。此电路兼容110VAC/230VAC电能表。 1.5.2 工作参数及指标

参比温度23℃±2℃。

131

表2-9 项目 最小值 额定值 110 3*0.181 0 工作电压（ABC三相） 76 继电器闭合电流 继电器断开电流 3*0.132 0 230 工作参数及指标 额定值 110的2.3倍 230的1.7倍 单位 250 3*0.418 0 400 3*0.705 0 VAC mA mA 备注 3*0.372 0 功耗测试波形图如下：

a） 输入76VAC状态下R1、R2、R3、R4任意一个电阻两端在继电器闭合到打开状态时的有效电压变化如下图：

图2-30 有效电压变化图（76VAC）

注：测得均方根值为光标ab之间波形值

继电器闭合电流=闭合时电阻两端有效电压/电阻值。继电器闭合电流=13.2V/100k器闭合到打开状态时；继电器断开电流近似为0。

b）

输入110VAC状态下R1、R2、R3、R4任意一个电阻两端在继电器闭合到打开状态时

的有效电压变化如下图。继电器闭合电流=有效电压/电阻值。

图2-31 有效电压变化图（76VAC）

132

继电器闭合电流=18.1V/100k器闭合到打开状态时；继电器断开电流近似为0。

c）

输入230VAC状态下R1、R2、R3、R4任意一个电阻两端在继电器闭合到打开状态时

的有效电压变化如下图。继电器闭合电流=有效电压/电阻值。

图2-32 有效电压变化图（230VAC）

继电器闭合电流=37.2V/100k器闭合到打开状态时；继电器断开电流近似为0。

d）

输入250VAC状态下R1、R2、R3、R4任意一个电阻两端在继电器闭合到打开状态时

的有效电压变化如下图。继电器闭合电流=有效电压/电阻值。

图2-33 有效电压变化图（250VAC）

继电器闭合电流=41.8V/100k器闭合到打开状态时；继电器断开电流近似为0。

133

e） 输入400VAC状态下R1、R2、R3、R4任意一个电阻两端在继电器闭合到打开状态时

的有效电压变化如下图。继电器闭合电流=有效电压/电阻值。

图2-34 有效电压变化图（400VAC）

继电器闭合电流=70.5V/100k器闭合到打开状态时；继电器断开电流近似为0。 1.5.3 电路图 1.5.3.1

三极管检测原理图

图2-35 三极管检测原理图

1.5.4 电路图的工作原理描述

对于三极管检测电路来说，交流电压经过SM520整流负半波后，电流从+3V3流过R5～D1后，在R6前端（原理图2-35中A点）产生一个较小的工频信号（测试波形中浅蓝色波形），经过三极管Q1放大后在Relay-TEST处产生放大工频信号（测试波形中深蓝色波形），单片机通过检测放大工频信号（高电平为3.3V）判断为继电器状态；当继电器断开时无信号送入三极管，单片机无法检测到工频信号，判断为继电器断开。详见如下测试波形。

134

a） 输入76VAC时继电器从闭合到断开时测得波形如下图：

图2-36 继电器变化波形图（输入76VAC）

b） 输入110VAC时继电器从闭合到断开时测得波形如下图：

图2-37 继电器变化波形图（输入110VAC）

135

c） 输入230VAC时继电器从闭合到断开时测得波形如下图：

图2-38 继电器变化波形图（输入230VAC）

d） 输入250VAC时继电器从闭合到断开时测得波形如下图：

图2-39 继电器变化波形图（输入250VAC）

136

e） 输入400VAC时继电器从闭合到断开时测得波形如下图：

图2-40 继电器变化波形图（输入400VAC）

1.5.5 元器件清单

表2-10 参数 SM520 100k 5% 100ppm 1/8W 10k 5% 100ppm 1/10W BC807 封装 1206 0603 三极管检测电路元器件清单 位号 D1 R1、R2、R3、R4 R5、R6、R7 Q1 器件名称 整流二极管 贴片电阻 贴片电阻 PNP 1.5.6 使用时注意事项

 如果电源前端使用S20K510压敏电阻，注意半波整流使用SM520，因为耐压要达到S20K510压敏电阻最大钳位电压1355V以上。

 此电路用于三相带继电器电子表中，原理图中+3V3与s零线连接。

137

第2节 缺零线检测电路

2.1 电路名称

缺零线检测电路。 2.2 电路概述

缺零线检测电路是实现检测零线是否正确接入电子表（三相四线电能表）内的功能电路。由于ABC三相电之间存在120之相角，所以三相四线电能表在不接入零线时输入至少两相线电压电能表可以正常工作。所以单相表不需要缺零线检测功能，三相电能表首先要检测至少有两相相电压输入的情况下，才能开启缺零线检测电路。 2.3 工作参数及指标

 参比温度 23℃±2℃。  工作电压VAC3*230 VAC。  有零线时电流3*0.53 mA。  无零线时电路3*0.48 mA。 2.4 电路图 2.4.1 原理图

图2-41 缺零线检测电路原理图

工作原理：COM是公共地，刚上电时，Test_control = 1；COM与UN连接，无论接不接UN，都有电流回来，Testin = 0；先将Test_control 置0；COM和UN断开，如果之前未接入UN，Testin 由低变高，如果之前已经接入UN，Testin仍然保持低电平。 2.5 电路图的工作原理描述

原理图中，PS7141-1B固态继电器通过输入控制端test_control产生触发信号控制输出端的通断。

138

PS7141-1B的输出端分别接UN（电压零线的进线端）和COM（COM端根据不同的方案通过电感和电表内的3.3V连接或者系统地连接）。

ABC三相电压分别正确接入VA、VB、VC，零线接入UN时，光耦发光侧形成回路，同时光耦另一侧testin高电平3.3V被拉低供单片机检测。

test_control为高电平时不进行缺零线检测，三极管T15关断，PS7141-1B的输入控制端无触发信号，输出受控端不动作，UN和COM连通，不管是否接入零线光耦V9的输入端可以形成回路。test_control为低电平时进行缺零线检测，三极管T15 导通，PS7141-1B输入控制端产生触发信号，接入PS7141-1B输出端的UN和COM断开，通过检测TESTNI的电平来判断是否缺零线（测试波形图）。只有电表中接入零线时光耦IC1发光侧才能形成回路，可以产生触发信号。没有零线接入时，光耦IC1发光侧不会形成回路，testin一直为高电平。

软件处理说明：

设置的缺零线检测的间隔时间是10s，表计检测频率为1200Hz，检测过程如下：

a） 每10s的间隔时间到，判断当前是否有存在两相电压>160V（只有在存在两相或者三相都存在时才开启检测（意思电表正常工作时）），此时控制光耦继电器断开零线，开启定时器中断（中断频率>=1000）。

b） 中断中进行缺零线检测，两个计数器，一个累加高电平（认为缺零线）次数，一个累加低电平（认为零线存在）次数，两个数据相加为24即停止检测，合上零线。

c） 累加的电平状态24次中，只要低电平次数大于高电平次数则判断零线存在，相反零线缺失。 2.6 测试波形 2.6.1 功耗测试波形

230VAC输入有零线时R1到R12任意一个电阻两端的有效电压测试图如下：

图2-42 有效电压测试图

139

根据示波器测得有效电压算的功耗电流=39.8/75k电压算的功耗电流，230VAC输入无零线时R1到R12任意一个电阻两端的有效电压测试图如下：

图2-43 测试图

根据示波器测得有效电压算的功耗电流=35.8/75k电压算的功耗电流mA。 2.6.2 工作波形测试

a）

输入三相230VAC时，有零线至无零线波形变化图：

140

图2-44 有零线至无零线波形变化图

b） 输入任意两项230VAC有零线测试图如下：

波形说明：在零线存在的前提下，因为输入为任意两项电压，所以在一个周期内缺少120明电流，所以下图波形中一个周期内有三分之一的高电平出现。

141

图2-45 有零线测试图

c） 输入任意两项230VAC无零线测试图如下：

波形说明：在输入任意两项线电压时，拿掉零线后的状态下，假设任意两项电压为A相与B相，A相与B相存在120明相位差。所以在某一时刻A相处于半波正半部分B相处于负半部分，电流方向从A流向B；在另一时刻A相处于半波负半部分B相处于正半部分，电流从B流向A，这两个时刻间隔大约为10ms，详见下图波形。

图2-46 无零线测试图

2.7 元器件清单

表2-11 参数 SM520 2000V 1A 75k 5% 100ppm 240R 2k 20k PNP CTR300%~600% PS7141-1B/AQV414 X1Y2-250V-1nF 封装 0805 0603 0603 0603 Sot-23 位号 D1、D2、D3、 R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12 R13 R14、R16 R15 Q1 IC1 V1 CX1 贴片电阻 贴片电阻 贴片电阻 PNP 贴片光耦PS2501 固体继电器 瓷片电容 元器件清单 器件名称 整流二极管 贴片电阻 备注 2.8 使用时注意事项

 缺零线检测电路仅用于三相四线电子表内，单相表不需要缺零线检测电路，三相电子表 要确保

至少有两相相电压输入的情况下才能开启缺零线检测功能。

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 缺零线检测电路需用于压敏保护电路后级。 达到压敏电阻最大钳位电压1355V以上。

 如果电源前端使用S20K510压敏电阻，注意半波整流二极管使用SM520，因为二极管反向耐压要

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第3节 开盖检测电路

3.1 电路名称

开盖检测电路设计。 3.2 电路概述

为了提高电表的安全性，检测用户在使用过程中是否打开表盖进行非法的操作，就需要对用户的开盖事件进行检测并做相应的记录。此电路广泛应用于各种电能表产品。此电路可用于开上盖检测和开端子盖检测，具体使用可根据需求定。 3.3 工作参数及指标

参比温度 23℃±2℃。

表2-12 工作参数及指标 项目 工作电压VCC 静态电流 IO口输入阻抗 高电平信号（数据1） 低电平信号（数据0） 最小值 3.0 4.67 2.60 -0.04 最佳值 3.3 最大值 3.6 1.8 2.96 0.16 单位 V μA M. V V 备注

3.4 电路图 3.4.1 原理图

图2-47 电路原理图

3.5 电路图的工作原理描述

如图2-47，“COVER”连接单片机的I/O检测口，当罩盖盖上时压住按键使“COVER”输入为低

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电平，表明罩盖未被打开，如果检测到“COVER”输入为高电平就表明罩盖被打开。图2-47中C1为1nF的贴片电容，起延时消抖作用，R1使罩盖被打开时“COVER” 保持高电平，此处R1选择很大的电阻是为了降低静态功耗。 3.6 元器件清单

表2-13 物料编码 R01040 C01003 G01003 参数 2M 5% 200PPM 1/10W 1nF10% 50V X7R 橡胶按钮 封装 0603 0603 ANJ 元器件清单表 位号 R1 C1 COVER1 器件名称 贴片电阻 贴片电容 按钮 备注 MCU不是TDK单片机时C1选择100nF 3.7 使用时注意事项

 优先考虑接单片机中断口。

 开盖检测按钮分为橡胶按键和微动开关，按下时开关接通。

 为提高橡胶按键接触灵敏度，在制作PCB时需要将按键碳膜化处理。  上电时VCC来源于主电源，下电后VCC由电池供电。

 PCB布局走线应尽量远离变压器，C1应尽量靠近单片机I/O口。 3.8 其他

图2-47所示的电路原理图可用于开上盖检测和开端子盖检测，当用于开上盖检测时网络标号按图2-47中的标识。当用于开端盖检测时图2-47中的“COVER ”网络标号变为“TERM”，橡胶按钮变为微动开关或者轻触开关，此处注意端盖盖上时开关状态为闭合，端盖打开后开关状态为断开。

图2-48 按键断开及闭合瞬间cover点波形图（R1=1M，C1=1nF）

图2-48所示当窃电事件发生时，表上盖或者端盖打开，开关由闭合变为断开，VCC通过R1向电容C1充电，当充到电压达到单片机IO口高电平最小输入电压时，单片机响应中断，程序就会将此次开盖事件记录到存储器中以备查询。或者单片机通过查询IO口的电平状态判断是否发生开盖事件，从图2-48中可以看到由低电平上升到高电平的时间仅需20ms左右，所以此电路灵敏度高、设计简单，被广泛应用于开盖检测中。

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第4节 外磁场检测

4.1 电路名称

磁检测电路。 4.2 电路概述

磁检测电路是检测电能表附近是否存在外部磁场。在电表中主要应用检测外部磁场进行事件记录以及磁唤醒。其中磁唤醒用于电表在没有按键的情况下，通过芯片检测外部磁场的变换产生触发，对电表进行操作。

4.3 工作参数及指标

极限参数

表2-14 参数 电源 功率损耗 储存温度范围 工作温度范围 输出电流 符号 VDD（MAX） Pd Ts Ta Iout

量值 7 300 -55～150 -40～85 5 单位 V mW ℃ ℃ mA 电特性TA=25℃， VDD=2.75V

表2-15 项目 电源电压 符号 VDD IAWK 电源电流 ISLP IAVG 唤醒时间 周期 占空因数 检测模块电路电流 TAWK TP IAWK ISLP 测试条件 Awake，VDD=2.75V Sleep，VDD=2.75V VDD=2.75V Awake，VDD=3.3V，R=100k Sleep，VDD=3.3V，R=100k 量值 最小 2.4 典型 - 3 2 2.75 45 180 0.025 36 2 最大 5.5 5 4 5.25 90 360 单位 V mA μA μA μs ms μA μA 磁特性 TA=25℃， VDD=2.75V。

表2-16 参数 工作点 释放点 回差 符号 BOP BRP BH 最小 - ±RPD 量值 典型 ±OPD ±RPD 5.0 最大 ±OPD - 8.0 单位 mT mT mT 4.4 霍尔效应原理介绍

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为：

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U=K·I·B/d

其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦磁力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。

图2-49 霍尔效应的原理图

由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。

霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。 4.5 芯片工作原理介绍

公司采用的是型号为AH3661的磁检测芯片。电源电压范围从2.4V到5.5V， 最大输出电流达到5mA.它由反向霍尔电压发生器、内置动态消除漂移的前置放大器、差分比较器等部分组成。

功能方框图如图2-50。

图2-50 功能方框图

该芯片一直运行在工作与眠模式交替进行的状态下，工作与休眠的周期时间见图2-51。在这种状态下，可以保证芯片保持低功耗。

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图2-51 工作与休眠的周期时间

4.6 电路图的工作原理描述

图2-52 电路原理图

当在正常工作无磁场的情况下，芯片输出OUT为高电平。有磁场靠近磁场感应强度超过导通阀值BOP时，芯片内部输出管导通，输出低电平如图2-53。之后，B再增加，仍保持导通状态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平如图2-54。我们称BOP为工作点，BPR为释放点，BOP-BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。磁电转换特性见图2-7与磁特性数值。

图2-53 磁场超过导通磁场强度BOP后电压输出

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图2-54 磁场低于截止导通磁场强度BRP后电压输出

图2-55 磁电转换特性图

4.7 电阻R的选取

掉电状态下，电池对电表供电仍要对磁场进行检测，就需要考虑电阻R的选取。因为在检测到磁场的状态下，模块的功耗较大，会较快消耗完电池电量。以MSP430F4371的P2.0脚为输入脚为例，测试电阻R与模块电流、输出电压的关系。 TA=25℃， VDD=3.3V。

表2-17 上拉电阻R （Ω） 100k 330 k 680 k 2M 测试电阻与模块电流、电压关系表 休眠电流ISLP （μA） 2 2 2 2 输出电压Vout （V） 3.22 3.05 3.01 2.66 工作电流IAWK VDD=3.3V（μA） 36 11 6.8 3.2 由于不同单片机或同单片机管脚内部电阻不同，以上数据仅做参考。

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4.8 磁场检测距离

测试设备：特斯拉计SHF6、恒定磁铁DPMT-300、万用表。

表2-18 芯片与磁铁的方向 水平 垂直 测量数据 距离（mm） 120 40 其中用特斯拉计测试恒定磁铁DPMT-300相对距离的磁场强度。

表2-19 磁场强度 200MT 100MT 测量数据 距离（mm） 8 20

图2-56 水平测试图

4.9 元器件清单

表2-20 参数 100k 5％ 200PPM 1/10W 100nF 10% 50V X7R AH-3661 元器件清单表 封装 0603 0603 SOT-23 位号 R C U 器件名称 电阻 电容 磁检测芯片 150

4.10 注意事项

在电表中磁检测主要应用在检测外部磁场进行事件记录。主要是记录表中互感器，变压器等对磁场敏感器件受到磁场干扰的信息。在PCB布板中将磁感应电路布在对磁场敏感的器件附近，如图2-57。如果互感器离开较远，可以设计一个小板靠近互感器，如图2-58。

图2-57 靠近磁场敏感器件

图2-58 靠近互感器

磁唤醒方面，主要可以较容易地检测到磁场并且对其他器件尽可能地不产生影响，建议将电路放在器件较少的板边缘位置。

由于近红外光电头带磁铁，避免产生误动作，布板时须远离近红外。

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