一种具有交流电监控防护功能的道路交通系统

技术领域

本发明涉及道路交通技术领域，尤其是一种具有交流电监控防护功能的道路交通系统。

背景技术

随着国内经济科技的发展，城市人口增加、城市车量的拥有量也井喷式扩展，这就直接带动了城市道路交通取得了飞跃式发展，主要表现在道路交通网的扩大化和复杂化。另外为了有效的管理或者最大限度的提高交通通行质量，道路交通网的智能化也在飞速发展，技术更新频率越来越快，新的设备不断地大量投入使用。

城市道路交通网的智能化主要表现在道路电子警察、流量检测、V2X(车用无线通信技术)、视频检测监控、公交优先、路口红绿灯控制、照明和网络通讯等等。这些智能化设备存在在城市的各个角落，位于各种露天环境下，它们要正常运行都需要交流电，但往往存在路口取电环境不好、拉线距离比较长、线路复杂多样、环境温湿度比较大、干扰源比较多、用电设备多能耗大等问题，这些工业现场环境问题会使得交流电源容易被干扰，比如容易被雷击、引入静电、电压波动大不稳定、浪涌等等，这些都有可能使设备不能正常工作或者永久性的损坏设备。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种具有交流电监控防护功能的道路交通系统，本发明的技术方案如下：

一种具有交流电监控防护功能的道路交通系统，该道路交通系统包括：交流滤波防雷漏电采样电路、电压电流采样电路、信号转换电路、信号运算控制电路、输出控制驱动电路；

交流滤波防雷漏电采样电路的采样输入端连接交流电进行采样，交流滤波防雷漏电采样电路引出雷击检测端子、漏电流检测端子和采样输出端，交流滤波电路在基于采样到的交流电感应到雷击时通过雷击检测端子输出雷击信号、在检测到漏电时通过漏电流检测端子输出漏电信号；

电压电流采样电路的电压采样输入端连接交流电、电流采样输入端连接交流滤波防雷漏电采样电路的采样输出端，电压电流采样电路引出电压采样输出端输出和电流采样输出端；

信号转换电路将交流滤波防雷漏电采样电路的漏电流检测端子、电压电流采样电路的电压采样输出端和电流采样输出端的三个信号中的一个信号进行信号转换后输出给信号运算控制电路；

信号运算控制电路根据雷击信号以及脉冲信号调理采样电路输出的信号控制负载开关的状态，负载开关连接在交流电至道路交通设备的供电通路上。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种具有交流电监控防护功能的道路交通系统，该装置针对工业现场复杂苛刻的道路交通用电环境，对输入的交流电实时监控，给道路交通设备提供安全防护，电路中使用的元器件都采用工业级器件，运行稳定可靠，环境适应范围宽。电路器件选型通用易替代，成本低，易于维护，本产品实现原理构思巧妙，技术成熟，安全可靠，功能实用，成本低，使用方便。

附图说明

图1是本申请公开的道路交通系统的电路结构图。

图2是本申请中的交流滤波防雷漏电采样电路的电路图。

图3是本申请中的电压电流采样电路的电路图。

图4是本申请中的信号选择电路的电路图。

图5是本申请中的有效值变换电路的电路图。

图6是本申请中的脉冲信号调理采样电路的电路图。

图7是本申请中的信号运算控制电路的电路图。

图8是本申请中的输出控制驱动电路的电路图。

图9是本申请中的交直流转换电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种具有交流电监控防护功能的道路交通系统，请参考图1，该道路交通系统包括交流滤波防雷漏电采样电路、电压电流采样电路、信号转换电路、信号运算控制电路、输出控制驱动电路。

交流滤波防雷漏电采样电路的采样输入端连接交流电进行采样，交流滤波防雷漏电采样电路引出雷击检测端子、漏电流检测端子和采样输出端，交流滤波电路在基于采样到的交流电感应到雷击时通过雷击检测端子输出雷击信号、在检测到漏电时通过漏电流检测端子输出漏电信号。

电压电流采样电路的电压采样输入端连接交流电、电流采样输入端连接交流滤波防雷漏电采样电路的采样输出端，电压电流采样电路引出电压采样输出端输出和电流采样输出端。

信号转换电路将交流滤波防雷漏电采样电路的漏电流检测端子、电压电流采样电路的电压采样输出端和电流采样输出端的三个信号中的一个信号进行信号转换后输出给信号运算控制电路。

信号运算控制电路根据雷击信号以及脉冲信号调理采样电路输出的信号控制负载开关的状态，负载开关连接在交流电至道路交通设备的供电通路上。

本申请中的交流滤波防雷漏电采样电路中从采样输入端至采样输出端依次设置有雷击感应电路和浪涌抑制电路，雷击感应电路引出雷击检测端子，浪涌抑制电路引出漏电流检测端子以及交流滤波防雷漏电采样电路的采样输出端。

请参考图2所示的交流滤波防雷漏电采样电路的电路图，交流滤波防雷漏电采样电路的采样输入端连接交流电的火线FACL和零线FACN(图2中交流滤波防雷漏电采样电路的采样输入端的接插件J1的第3引脚连接火线FACL、第2引脚连接零线FACN)。交流滤波防雷漏电采样电路中从采样输入端至采样输出端依次设置有雷击感应电路和浪涌抑制电路，雷击感应电路引出雷击检测端子LJ+和LJ-，浪涌抑制电路引出漏电流检测端子LL-和LL+以及采样输出端FACI和FACN。

在本申请中，交流滤波防雷漏电采样电路中的雷击感应电路提供三级防雷处理，包括第一压敏电阻RV1、第二压敏电阻RV2、第三压敏电阻RV3、第四压敏电阻RV4、第一温度保险丝TF1、第二温度保险丝TF2、第三温度保险丝TF3、第一气体放电管G1、第二气体放电管G2、第三气体放电管G3和第一霍尔传感器H1，本申请中的第一霍尔传感器H1的型号为SCT203F1-DW。第一压敏电阻RV1、第一温度保险丝TF1和第一气体放电管G1构成的串联电路的一端连接交流电的火线FACL、另一端连接第一霍尔传感器H1的第二输入端(第2引脚)，第二压敏电阻RV2、第二温度保险丝TF2和第二气体放电管G2构成的串联电路的一端连接交流电的零线FACN、另一端连接第一霍尔传感器H1的第二输入端，交流电的火线FACL还通过第三压敏电阻RV3和第四压敏电阻RV4连接交流电的零线FACN，第三压敏电阻RV3和第四压敏电阻RV4的公共端依次连接第三温度保险丝TF3、第三气体放电管G3并连接到第一霍尔传感器H1的第二输入端，第一霍尔传感器H1的第一输入端(第1引脚)接地线，第一霍尔传感器H1的第一感应端(第4引脚)和第二感应端(第3引脚)分别引出雷击检测端子LJ+和LJ-。

交流滤波防雷漏电采样电路中的浪涌抑制电路包括第一电感L1、第二电感L2、第五压敏电阻RV5、第六压敏电阻RV6、第七压敏电阻RV7、第四温度保险丝TF4、第五温度保险丝TF5、第六温度保险丝TF6、第四气体放电管G4、共模电感GT1、第一瞬态抑制二极管TVS1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、慢熔保险丝F1、第一负温度系数电阻TR1和第二霍尔传感器H2，本申请中的第二霍尔传感器H2的型号为SCT214F3。共模电感GT1的第一绕组的同名端通过第一电感L1连接交流电的火线FACL，共模电感GT1的第二绕组的同名端通过第二电感L2连接交流电的零线FACN，共模电感GT1的第一绕组的同名端还依次通过第五压敏电阻RV5和第四温度保险丝TF4连接到共模电感GT1的第二绕组的同名端，共模电感GT1的第一绕组的同名端还依次通过第六压敏电阻RV6和第七压敏电阻RV7连接到共模电感GT1的第二绕组的同名端；第六压敏电阻RV6和第七压敏电阻RV7的公共端依次连接第五温度保险丝TF5和第四气体放电管G4并连接第一霍尔传感器H1的第二输入端。共模电感GT1的第一绕组的异名端通过慢熔保险丝F1连接第二霍尔传感器H2的第一输入端(第1引脚)，共模电感GT1的第二绕组的异名端通过第一负温度系数电阻TR1连接第二霍尔传感器H2的第二输入端(第2引脚)。共模电感GT1的第一绕组的异名端还依次连接第一瞬态抑制二极管TVS1和第六温度保险丝TF6并连接共模电感GT1的第二绕组的异名端，共模电感GT1的第一绕组的异名端还通过第三电容C3连接共模电感GT1的第二绕组的异名端。共模电感GT1的第一绕组的异名端还通过第二电容C2连接第一霍尔传感器H1的第二输入端，共模电感GT1的第二绕组的异名端还通过第一电容C1连接第一霍尔传感器H1的第二输入端。第二霍尔传感器H2的第一输出端(第4引脚)和第二输出端(第3引脚)引出交流滤波防雷漏电采样电路的采样输出端FACI和FACN，第二霍尔传感器H2的第一输出端和第一输入端连通、第二输出端和第二输入端连通，第二霍尔传感器H2的第一感应端(第5引脚)和第二感应端(第6引脚)分别引出漏电流检测端子LL+和LL-。

电压电流采样电路的电压采样输入端连接交流电FACL和FACN、电流采样输入端连接交流滤波防雷漏电采样电路的采样输出端FACI和FACN，电压电流采样电路引出电压采样输出端DV+和DV-和电流采样输出端DL+和DL-。请参考图3所示的电压电流采样电路的电路图，在电压电流采样电路中，第三霍尔传感器H3的两个输入端分别引出电压电流采样电路的电流采样输入端连接交流滤波防雷漏电采样电路的采样输出端FACI和FACN，第三霍尔传感器H3的输出端引出电压电流采样电路的电流采样输出端DL+和DL-，电压电流采样电路的两个电流采样输出端DL+和DL-之间还连接有第四十三电阻R43和第四十一电容C41，本申请中的第三霍尔传感器H3的型号为SCT211FK。第四霍尔传感器H4的第一输入端通过第四十一电阻R41和第四十电阻R40引出电压电流采样电路的一个电压采样输入端连接交流电的火线FACL，第四霍尔传感器H4的第二输入端引出电压电流采样电路的另一个电压采样输入端连接交流电的零线FACN，第四霍尔传感器H4的两个输出端引出电压电流采样电路的电压采样输出端DV+和DV-，电压电流采样电路的两个电压采样输出端之间还连接有第四十二电阻R42和第四十电容C40，本申请中的第四霍尔传感器H4的型号为SPT204A。

信号转换电路的输入端分别连接交流滤波防雷漏电采样电路的漏电流检测端子LL-和LL+、电压电流采样电路的电压采样输出端DV+和DV-和电流采样输出端DL+和DL-，信号转换电路的输出端连接信号运算控制电路。在本申请中，信号转换电路包括信号选择电路和有效值变换电路，信号选择电路基于多通道的数字控制模拟开关实现，信号选择电路的三组输入端分别连接交流滤波防雷漏电采样电路的漏电流检测端子LL-和LL+、电压电流采样电路的电压采样输出端DV+和DV-和电流采样输出端DL+和DL-，信号选择电路的输出端AD+和AD-连接有效值变换电路的输入端，有效值变换电路基于放大电路和真有效值变换器实现，有效值变换电路的输出端连接信号运算控制电路。

请参考图4所示的信号选择电路的电路图，信号选择电路基于CD4052的数字控制模拟开关实现，数字控制模拟开关CD4052的三组输入端分别连接漏电流检测端子LL-和LL+、电压采样输出端DV+和DV-和电流采样输出端DL+和DL-，数字控制模拟开关CD4052的输出端AD+和AD-连接有效值变换电路的输入端。

请参考图5所示的有效值变换电路的电路图，在有效值变换电路中，第一运算放大器U1的反相输入端通过第一电阻R1连接信号选择电路的输出端AD-，第一运算放大器U1的同相输入端通过第二电阻R2连接信号选择电路的输出端AD+。第一运算放大器U1的反相输入端分别通过第三电阻R3和第九电容C9连接第一运算放大器U1的输出端，第一运算放大器U1的同相输入端通过第四电阻R4和第十电容C10接地。第一运算放大器U1的输出端连接第二运算放大器U2的同相输入端，第二运算放大器U2的同相输入端还通过第十一电容C11接地。第二运算放大器U2的反相输入端通过第五电阻R5连接第二运算放大器U2的输出端，第二运算放大器U2的输出端还分别通过第十二电容C12和第七电阻R7接地，第二运算放大器U2的输出端通过第六电阻R6连接真有效值变换器U0的输入引脚(Vin引脚)，真有效值变换器U0的输出引脚(Out引脚)通过第八电阻R8连接引出信号转换电路的输出端DETLD连接信号运算控制电路，本申请中的真有效值变换器U0采用AD536。真有效值变换器U0的输入引脚还连接第五二极管D5的阳极和第六二极管D6的阴极，第五二极管D5的阴极连接直流电源+V50，第六二极管D6的阳极连接直流电源-V50。真有效值变换器U0的Cc引脚和Com引脚之间连接第十四电容C14、Out引脚和Cf引脚之间连接第十六电容C16，真有效值变换器U0的-Vs引脚连接直流电源-V50，真有效值变换器U0的Cav引脚通过第十五电容C15连接直流电源-V50，真有效值变换器U0的Out引脚还通过第九电阻R9接地，信号转换电路的输出端DETLD还通过第十七电容C17接地。

可选的，本申请中雷击信号并不直接输出给信号运算控制电路，因为感应到的雷击信号是一个瞬时脉冲信号，它的特点是时间短，电流大，因此本申请利用脉冲信号调理采样电路采用20000：1的电流感应霍尔器件来检测这个雷击放电的过程。也即本申请还包括脉冲信号调理采样电路，脉冲信号调理采样电路的输入端连接交流滤波防雷漏电采样电路的雷击检测端子、输出端连接信号运算控制电路；脉冲信号调理采样电路将交流滤波防雷漏电采样电路的雷击检测端子输出的雷击信号进行调理采样后输出给信号运算控制电路。

脉冲信号调理采样电路的输入端连接交流滤波防雷漏电采样电路的雷击检测端子LJ+和LJ-、输出端DETLJ连接信号运算控制电路。请参考图6所示的脉冲信号调理采样电路的电路图，该在脉冲信号调理采样电路中，脉冲信号调理采样电路的第一输入端LJ+通过第十电阻R10和第十二电阻R12连接第三运算放大器U3的同相输入端，脉冲信号调理采样电路的第二输入端LJ-通过磁珠FB1接地。第三运算放大器U3的反相输入端通过第十三电阻R13连接第三运算放大器U3的输出端，脉冲信号调理采样电路的两个输入端之间还分别并联有第二瞬态抑制二极管TVS2和第十一电阻R11，第一电阻R10和第十二电阻R12之间还分别并联有第一齐纳二极管Z1和第十八电容C18；第三运算放大器U3的同相输入端还分别通过第二齐纳二极管Z2和第十九电容C19接地，第三运算放大器U3的同相输入端还通过第七二极管D7连接工作电源VCC。第三运算放大器U3的输出端还通过第二十电容C20接地，第三运算放大器U3的输出端还通过第十四电阻R14连接第四运算放大器U4的同相输入端，第四运算放大器U4的输出端通过第十七电阻R17连接第五运算放大器U5的同相输入端，第四运算放大器U4的输出端还依次连接第十五电阻R15和第十六电阻R16并接地，第十五电阻R15和第十六电阻R16的公共端连接第四运算放大器U4的反相输入端，第四运算放大器U4的输出端还通过第二十一电容C21接地。第五运算放大器U5的反相输入端分别通过第十九电阻R19和第二十二电容C22接地，第五运算放大器U5的反相输入端还通过第十八电阻连接直流电源+V50，第五运算放大器U5的输出端引出脉冲信号调理采样电路的输出端DETLJ连接信号运算控制电路，第五运算放大器U5的输出端还分别通过第二十电阻R20和第二十三电容C23接地。第三运算放大器U3、第四运算放大器U4和第五运算放大器U5由四运算放大芯片LM324中的三个通道分别实现。

请参考图7，本申请中的信号运算控制电路基于型号为STC15W401AS-35C-SOP20的主控芯片，主控芯片的第13引脚连接脉冲信号调理采样电路的输出端DETLJ，第20引脚连接信号转换电路的输出端DETLD，主控芯片的第17引脚还通过三极管Q5连接蜂鸣器B1。主控芯片的第3引脚CTRL连接输出控制驱动电路。主控芯片的第11引脚(RXD)和第12引脚(TXD)还引出接插件J3作为通讯预留端子，以便调试。

输出控制驱动电路控制负载开关的状态，负载开关连接在交流电至道路交通设备的供电通路上，请参考图8所示的输出控制驱动电路的电路图，在输出控制驱动电路中，PNP型的第一三极管Q1的发射极连接工作电源VCC、基极CTRL连接信号运算控制电路，第一三极管Q1的发射极与基极之间还连接第二十二电阻R22，第一三极管Q1的集电极通过第二十三电阻R23连接第一光耦P1的正输入端，电压监控器T3的供电引脚通过第二十一电阻R21连接工作电源VCC、重置引脚连接NPN型的第二三极管Q2的基极，第二三极管Q2的发射极接地、集电极连接第一光耦P1的负输入端。第一光耦P1的输出端分别连接PNP型的第三三极管Q3和第四三极管Q4的基极，第三三极管Q3的发射极连接供电电源V12、集电极连接第一继电器K1，第一继电器控制的第一负载开关连接在交流电的火线FACL与道路交通设备的正极之间的供电通路上，如图8中接插件J2的第1引脚引出连接道路交通设备的正极。第四三极管Q4的发射极连接供电电源V12、集电极连接第二继电器K2，第二继电器控制的第二负载开关连接在交流电的零线与道路交通设备的负极之间的供电通路上，如图8中接插件J2的第2引脚引出连接道路交通设备的负极。本申请的NPN型三极管采用SS8050，PNP型三极管采用SS8550，电压监控器T3采用CAT803SN500T1G。

在本申请中，该道路交通系统还包括交直流转换电路，交直流转换电路用于将交流电转换为+/-5V的直流电源并提供给上述各个电路提供电路工作所需的稳定直流电。请参考图9所示的电路图，在交直流转换电路中，变压器VT1的初级线圈的一端通过第二负温度系数电阻TR2引出交直流转换电路的一个交流输入端连接交流电的火线FACL，变压器VT1的初级线圈的另一端引出交直流转换电路的另一个交流输入端连接交流电的零线FACN，变压器VT1的初级线圈的两端之间还连接第八压敏电阻RV8。变压器VT1的次级线圈的两端之间连接第三瞬态抑制二极管TVS3，变压器VT1的次级线圈的一端连接第一二极管D1的阴极，第一二极管D1的阳极连接第三二极管D3的阳极，第三二极管D3的阴极连接变压器VT1的次级线圈的另一端，变压器VT1的次级线圈的一端还连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极还连接第四二极管D4的阴极，第四二极管D4的演技还连接变压器VT1的次级线圈的另一端。第二二极管D2和第四二极管D4的公共端通过第十一二极管D11连接第一电源芯片T1的输入端，第一二极管D1和第三二极管D3的公共端接地，第四二极管D4的阳极通过第四电解电容C4接地、阴极通过第五电解电容C5接地；第一电源芯片T1的输出端连接第二电源芯片T2的输入端，第一电源芯片T1的输出端还通过第六电解电容C6接地，第二电源芯片T2的输出端引出直流电源+V50和-V50连接其他电路供电。本申请中的第一电源芯片T1的型号为LM7805，第二电源芯片T2的型号为E0505S-2WR3。

基于本申请公开的电路结构，交流滤波防雷漏电采样电路首先对输入的交流电进行三级防雷滤波处理，同时对共模浪涌有一定的抑制作用，并过滤掉电网中带来的干扰信号，交流电的火线和零线输入的交流电经过交流滤波防雷漏电采样电路的上述有序层层处理后能够有效保护后续的负载，避免电网带来的冲击。同时，交流滤波防雷漏电采样电路引出雷击检测端子LJ+和LJ-可以给后级电路提供雷击信号，引出漏电流检测端子LL-和LL+可以给后级电路提供，这样如果发生了雷击或者负载存在漏电的情况，交流滤波防雷漏电采样电路就能把检测的信号传输给后面的电路处理，通过这两个检测端子也就能实时检测雷击和漏电的情况。电压电流采样电路用高可靠的霍尔元件对输入的交流电电压大小和电流大小转换成一定系数的小信号，输出电压信号DV-、DV+和输出电流信号DL-、DL+。信号选择电路对输入的三组输入DV-和DV+、DL-和DL+以及LL+和LL-进行轮流选择输出给有效值变换电路，待处理完一路然后切换的另一路信号处理，如此循环处理这三路信号，数字控制模拟开关可以完全隔离这三路信号不让它们相互间有影响。有效值变换电路把信号选择电路输入的信号通过差分运算放大器放大，然后通过电压跟随器增大输入阻抗减小输出阻抗，最后经过真有效值变换器把模拟信号变换成等值的直流电平信号输出，这个直流电平信号就可以提供给后面的信号运算控制电路进行采样。

脉冲信号调理采样电路连接交流滤波防雷漏电采样电路的雷击检测端子LJ+和LJ-，但是因为感应到的雷击信号是一个瞬时脉冲信号，它的特点是时间短，电流大，因此本申请利用脉冲信号调理采样电路采用20000：1的电流感应霍尔器件来检测这个雷击放电的过程。感应到的信号通过多层限幅，限流网络把这个信号控制在一个安全的范围；然后通过一个电容和电压跟随器来把这个脉冲信号的持续时间拉长到秒级，最后通过运算放大器(针对那些比较小的雷击或则静电感应)和电压比较器把这个信号变成一个+5V的电平信号(这个信号只需要采样有无)，这个信号就可以被后面的信号运算控制电路检测到并有时间做出处理。最后信号运算控制电路把输入的模拟信号DETLD以及DETLJ进行AD转换得到真实的电压、电流、漏电流大小，检测有无雷击，最后对这些信号进行运算做出一些控制输出，比如通过蜂鸣器和发光二极管报警，数据上传，通过输出控制驱动电路控制负载开关的通断等。由于信号运算控制电路输出给输出控制驱动电路的CTRL信号的驱动电流比较小，电压低，如果要控制继电器则必须把这个信号放大，提高它的驱动电压和驱动电流才能满足要求；该电路有两路继电器分别控制交流的火线和零线为负载提供高压交流电源，这样当输入的电源不稳定时，或则有雷击时可以把负载的交流输入断开，从而保护设备不被损坏。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。