CN105406296B - 家用智能安全插座 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种家用智能安全插座，解决了带电插拔时出现电弧和成本过高的问题。其方案是，包括底板1和面板2，所述面板2上设置有三孔插座3、复位按键6、蜂鸣器7、第一指示灯4和第二指示灯5，所述底板1和面板2固定连接并形成固定腔，固定腔内设置有控制电路。本发明可以在用电器带电插拔时，防止电弧的产生，保证操作人员的人身安全，有异物插入插座插孔时，指示灯和蜂鸣器7会报警，有效避免了儿童的电击伤害，避免家中无人或者入睡后，忘记关断用电器，市电停电再次来电，造成的能源浪费和安全隐患的问题，另外本发明的元器件少，成本低，应用范围广。

Description

家用智能安全插座

技术领域

本发明涉及安全用电装置技术领域，特别是家用智能安全插座。

背景技术

随着人们生活水平的提高，家用电器不断增加，在用电过程中，由于电气设备本身的缺陷、使用不当和安全技术措施不利而造成的人身触电和火灾事故，给人们的生命和财产带来了不应有的损失。

插座作为一种用电器接入市电的插口广泛应用于生活和工作中，由于不良的用电习惯，当从插座上插拔插头时，产生的电弧对操作者带来一定的伤害，尤其是儿童在不慎接触时会对儿童带来可能致命的伤害，另外有很大一部分火灾是由用电器引起的，如果插座能在用电器要发生故障的时候快速切断电源则可以降低火灾的发生机率。

目前市面上已经有儿童安全插座，但是其主要手段是通过在插孔处加挡板，防止儿童将金属制品插入来实现安全防护的，经测试，此方法对大部分5岁以上的儿童是不起作用的。

中国专利文献公开了智能化多功能安全插座（申请号：201210253171.6；公布号：CN 102780133 A），该安全插座是通过霍尔传感器、红外检测模块，并用专业的功率检测芯片，是一种检测功率和温度的方法进行保护的智能插座，但成本过高，使用范围受限，另外没有带电插拔时防电弧产生的功能，也没有市电再次供电时检测用电器状态功能。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种家用智能安全插座，有效解决了带电插拔时出现电弧和成本过高的问题。

其解决的技术方案是，包括底板1和面板2，所述面板2上设置有三孔插座3、复位按键6、蜂鸣器7、第一指示灯4和第二指示灯5，所述底板1和面板2固定连接并形成固定腔，固定腔内设置有控制电路，所述控制电路包括第一行程开关SQ1、第二行程开关SQ2、微控制器MCU、继电器K1、继电器K2、继电器K3、电压采样电路、电流采样电路、阻容电路和电源模块，所述电源模块与220V市电连接提供电源5V、24V和15V，所述第一行程开关SQ1的第一触点P1与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端与光耦合器OC1的阴极连接，光耦合器OC1的阳极接电源5V，光耦合器OC1的集电极接电源5V，光耦合器OC1的发射极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与三极管VD1的基极连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，三极管VD1的集电极与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与微控制器MCU的PA0端口引脚连接，三极管VD1的集电极与电阻R23的一端连接，电阻R23的另一端接电源5V，电阻R23的一端与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极、三极管VD1的发射极和电阻R2的另一端都接地GND，第一行程开关SQ1的第二触点P2接地GND，第一行程开关SQ1的第二触点P2与第二行程开关SQ2的第二触点P4连接，第二行程开关SQ2的第一触点P3与电阻R26的一端连接，电阻R26的另一端与光耦合器OC2的阴极连接，光耦合器OC2的阳极和集电极都接电源5V，光耦合器OC2的发射极与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与三极管VD2的基极连接，电阻R4的另一端与电阻R5的一端连接，三极管VD2的集电极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与微控制器MCU的PA1端口引脚连接，三极管VD2的集电极与电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端接电源5V，电阻R24的一端与二极管D2的负极连接，二极管D2的正极、三极管VD2的发射极和电阻R5的另一端都接地GND，微控制器MCU的PA6端口引脚与电阻R27的一端连接，电阻R27的另一端与三极管VD4的基极连接，三极管VD4的集电极与电阻R28的一端连接，电阻R28的另一端接电源5V，三极管VD4的集电极还与电阻R30的一端连接，电阻R30的另一端与光耦合器OC4的阴极连接，光耦合器OC4的阳极接电源24V，光耦合器OC4的集电极接电源5V，光耦合器OC4的发射极经继电器K1线圈接地GND，微控制器MCU的PA7端口引脚与电阻R31的一端连接，电阻R31的另一端与三极管VD5的基极连接，三极管VD5的发射极与电阻R32的一端连接，电阻R32的另一端接地GND，三极管VD5的集电极与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一端接电源5V，三极管VD5的集电极与电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端与光耦合器OC5的负极连接，光耦合器OC5的正极接电源5V，光耦合器OC5的集电极接电源24V，光耦合器OC5的发射极经继电器K2线圈接地GND，微控制器MCU的PB0端口引脚与电阻R35的一端连接，电阻R35的另一端与三极管VD6的基极连接，三极管VD6的发射极与电阻R36的一端连接，电阻R36的另一端接地GND，三极管VD6的集电极与电阻R37的一端连接，电阻R37的另一端接电源5V，三极管VD6的集电极经电阻R38与光耦合器OC6的阴极连接，光耦合器OC6的阳极接电源5V，光耦合器OC6的集电极接电源24V，光耦合器OC6的发射极经继电器K3线圈接地GND，继电器K1的动触点P5和静触点P7组成的常闭触点与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极经继电器K2的触点P8与触点P9组成的常开触点与三孔插座3的L相插孔连接，三孔插座3的N相插孔经继电器K2的触点P11与触点P10组成的常开触点与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端与运算放大器U1的反相输入端连接，运算放大器U1的反相输入端与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的反相输入端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的输出端与微控制器MCU的PC1端口引脚连接，运算放大器U1的同相输入端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端接地GND，运算放大器U1的同相输入端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与电阻R15的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端与继电器K1的触点P5连接，继电器K1的触点P5与触点P6组成常开触点，继电器K1的触点P6接电源15V，三孔插座3的L相插孔与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端经继电器K3的触点P13与触点P12组成的常开触点接220V市电的L线，三孔插座3的N相插孔经继电器K3的触点P15与触点P14组成的常开触点接220V市电的N线，电阻R7的一端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与线性光耦OC3的2引脚连接，电阻R7的另一端与线性光耦OC3的3引脚和4引脚连接，线性光耦OC3的1引脚接电源24V，线性光耦OC3的5引脚接电源5V，线性光耦OC3的6引脚和7引脚分别与电阻R9的一端和电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端和电阻R10的另一端分别与运算放大器U2的同相输入端和反相输入端连接，线性光耦OC3的8引脚接地GND，运算放大器U2的反相输入端与电阻R11的一端和电容C3的一端连接，电阻R11的另一端和电容C3的另一端都与运算放大器U2的输出端连接，运算放大器U2的同相输入端与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端接地GND，运算放大器U2的输出端与微控制器U2的PC0端口引脚连接，微控制器U2的PA2端口引脚与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端接地GND，微控制器U2的PA2端口引脚与复位按键6的一端连接，复位按键6的另一端接电源5V，微控制器U2的PA3端口引脚和PA4端口引脚分别与电阻R18的一端和电阻R19的一端连接，电阻R18的另一端和电阻R19的另一端分别与第一指示灯4的一端和第二指示灯5的一端连接，微控制器MCU的PA5端口引脚与电阻R21的一端连接，电阻R21的另一端与三极管VD3的基极连接，三极管VD3的集电极接电源5V，三极管VD3的发射极与蜂鸣器7的一端连接，蜂鸣器7的另一端与电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端接地GND。

本发明可以在用电器带电插拔时，防止电弧的产生，保证操作人员的人身安全，有异物插入插座插孔时，指示灯和蜂鸣器7会报警，有效避免了儿童的电击伤害，避免家中无人或者入睡后，忘记关断用电器，市电停电再次来电，造成的能源浪费和安全隐患的问题，另外本发明的元器件少，成本低，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的家用智能安全插座的结构示意图；

图2为本发明的家用智能安全插座的控制电路连接图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

现结合图1和图2所示，本发明的一种家用智能安全插座，

所述微控制器MCU为具有8K系统内可编程Flash的8位微控制器ATmega48。

所述线性光耦OC3为HCNR200芯片。

所述三极管VD1、VD2、VD3、VD4、VD5和VD6均为NPN型三极管。

所述第一指示灯4为用电器状态指示灯。

所述第二指示灯5为过流保护指示灯。

所述电压采样电路由运算放大器U1、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17和电容C2连接而成。

所述电流采样电路由线性光耦OC3、电阻R7、R8、R9、R10、R11、R12，电容C3，运算放大器U2连接而成。

本发明的工作原理如下：

当插头完全插入插座时第一行程开关SQ1和第二行程开关SQ2闭合，此时输入至微控制器MCU的PA0端口引脚和PA1端口引脚的电平为低电平，而仅第一行程开关SQ1或第二行程开关SQ2有一个闭合时，微控制器MCU判断有异物进入插孔，仅微控制器MCU的PA0端口引脚或PA1端口引脚持续低电平超过5s时，微控制器MCU的PA5端口引脚为高电平，蜂鸣器7发出声响；

当微控制器MCU的PA0端口引脚和PA1端口引脚同时输入低电平50ms时，微控制器MCU的PA6端口引脚输出高电平，此时继电器K1得电，继电器的触点P5与触点P6组成的常开触点闭合，电容C1充电；

当电容C1充电到15V时，微控制器MCU的PA6端口引脚置低电平，微控制器MCU的PA7端口引脚置高电平，此时继电器K1的触点P5与触点P7闭合，继电器K2的触点P8与触点P9闭合，继电器K2的触点P10与触点P11闭合，由电容C1和电阻R13组成的阻容回路为插座放电；

在500ms后，微控制器MCU检测电容C1两端的电压，如果电压低于5V，则表明用电器在开机状态插入了插座插孔，如果电压为0V，则说明导体同时插入两个插座插孔，此时微控制器MCU的TC端口引脚输出低电平，继电器K3的触点P12和触点P13断开，触点P14和触点P15断开，不向插座供电，同时微控制器MCU的PA3端口引脚周期性地输出高电平，第一指示灯4闪亮，指示用电器没有关闭会发生危险，此时需关闭用电器电源，按下复位键RES，微控制器MCU的PA2端口引脚输入高电平，微控制器MCU重新工作；

如果电容C1两端的电压不变，微控制器MCU的PB0端口引脚输出高电平，此时继电器K3的触点P12和触点P13闭合，触点P14和触点P15闭合，向插座供电，同时微控制器MCU的PA3端口引脚输出高电平，第一指示灯4亮，插座安全供电；

当拔下插头时两个行程开关断开，此时输入到单片机PA0口和PA1口为高电平，此时单片机PB0口输出为低电平，使继电器在K3的触点P12和触点P13，触点P14和触点P15断开，不向插座供电，防止用电器在工作时拔下插头时，插座出现电弧伤人；

每100us微控制器MCU对电流检测一次，当电流值超过设定的值时，电阻R7的压降大于设定的值，表明负载过载，微控制器MCU的PB0端口引脚输出低电平，此时继电器K3的触点P12和触点P13断开，触点P14和触点P15断开，微控制器MCU的 PA4端口引脚输出高电平，第二指示灯5亮；

当第二指示灯5亮或者蜂鸣器7响时，按下复位按键6，微控制器 MCU对各端口状态重新检测。

本发明在使用时，

第一行程开关SQ1经光耦合器OC1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R25、三极管VD1和二极管D1构成第一开关量输入至微控制器MCU的PA0端口引脚，第二行程开关SQ2经光耦合器OC2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R26、三极管VD2和二极管D2构成第二开光量输入至微控制器MCU的PA1端口引脚，当插座插入到一定的位置时，第一行程开关SQ1和第二行程开关SQ2均闭合；

当第一行程开关SQ1或第二行程开关SQ2之一闭合时，微控制器MCU的PA0端口引脚或PA1端口引脚的输入量为低电平，微控制器MCU如果持续5s检测到微控制器MCU的PA0端口引脚或PA1端口引脚仅有一个端口引脚输入低电平时，微控制器MCU的PA5端口引脚输出高电平，蜂鸣器7发出报警声响；

第一行程开关SQ1和第二行程开关SQ2同时闭合，微控制器MCU的PA0端口引脚和PA1端口引脚的输入量均为低电平，此时微控制器MCU检测到微控制器MCU的PA0端口引脚和PA1端口引脚的电平由高电平变为低电平，且高电平持续200ms后，微控制器MCU的PA6端口引脚置高电平，此时继电器K1触点P5与触点P6断开，与触点P7闭合，微控制器MCU检测到电容C1两端的电压为15V后，微控制器MCU的PA6端口引脚输出低电平，微控制器MCU的PA7输出为高电平，延时500ms后，微控制器MCU的PA7端口引脚置低电平，电容C1停止向插座放电，微控制器MCU检测电容C1两端的电压低于5V，说明插座接入的等效电阻较小，对插座供电可能会有危险，并损伤用电器，此时微控制器MCU的PA3端口引脚以一定周期，交替输出高低电平，第一指示灯4闪烁，如果电容C1两端电压大于12V时，说明接入的插座的等效负载电阻比较大，给插座供电没有产生电弧的危险，此时微控制器MCU的PB0端口引脚输出高电平，此时插座给用电器供电。此时微控制器MCU的PA3端口引脚输出高电平，第二指示灯5亮；

当第一指示灯4闪烁时，表明用电器开关在闭合状态下接入了插座，须将用电器的开关断开，再按下复位按键6，实现插座的供电。

如果微控制器MCU检测到微控制器MCU的PA0端口引脚或PA1端口引脚其中的一个由高电平变为低电平时，说明插座拔出用电器，当微控制器MCU的PA0端口引脚或PA1端口引脚之中的一个低电平持续50ms时，微控制器MCU的PB0端口引脚输出低电平，插座将停止供电，微控制器MCU的PA3端口引脚输出低电平，第一指示灯4熄灭；

微控制器MCU的PC1端口引脚时刻检测由电流采样电路采样的电流，当检测采样电流值大于设定值时，微控制器PB0端口引脚输出低电平，同时微控制器MCU的PA4端口引脚输出高电平，第二指示灯5亮，表明插座遇到过流故障，须对用电器进行检测，检查是否有安全隐患。

本发明在用电器带电插拔时，防止电弧的产生，保证操作人员的人身安全，有异物插入插座插孔时，指示灯和蜂鸣器同时报警，有效避免了儿童的电击伤害，避免家中无人或者入睡后，忘记关断用电器，市电停电再次来电，造成的能源浪费和安全隐患的问题，另外本发明的元器件少，成本低，应用范围广。

Claims (5)

1.家用智能安全插座，包括底板（1）和面板（2），其特征在于，所述面板（2）上设置有三孔插座（3）、复位按键（6）、蜂鸣器（7）、第一指示灯（4）和第二指示灯（5），所述底板（1）和面板（2）固定连接并形成固定腔，固定腔内设置有控制电路，所述控制电路包括第一行程开关SQ1、第二行程开关SQ2、微控制器MCU、继电器K1、继电器K2、继电器K3、电压采样电路、电流采样电路、阻容电路和电源模块，所述电源模块与220V市电连接提供电源5V、24V和15V，所述第一行程开关SQ1的第一触点P1与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端与光耦合器OC1的阴极连接，光耦合器OC1的阳极接电源5V，光耦合器OC1的集电极接电源5V，光耦合器OC1的发射极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与三极管VD1的基极连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，三极管VD1的集电极与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与微控制器MCU的PA0端口引脚连接，三极管VD1的集电极与电阻R23的一端连接，电阻R23的另一端接电源5V，电阻R23的一端与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极、三极管VD1的发射极和电阻R2的另一端都接地GND，第一行程开关SQ1的第二触点P2接地GND，第一行程开关SQ1的第二触点P2与第二行程开关SQ2的第二触点P4连接，第二行程开关SQ2的第一触点P3与电阻R26的一端连接，电阻R26的另一端与光耦合器OC2的阴极连接，光耦合器OC2的阳极和集电极都接电源5V，光耦合器OC2的发射极与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与三极管VD2的基极连接，电阻R4的另一端与电阻R5的一端连接，三极管VD2的集电极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与微控制器MCU的PA1端口引脚连接，三极管VD2的集电极与电阻R24的一端连接，电阻R24的另一端接电源5V，电阻R24的一端与二极管D2的负极连接，二极管D2的正极、三极管VD2的发射极和电阻R5的另一端都接地GND，微控制器MCU的PA6端口引脚与电阻R27的一端连接，电阻R27的另一端与三极管VD4的基极连接，三极管VD4的集电极与电阻R28的一端连接，电阻R28的另一端接电源5V，三极管VD4的集电极还与电阻R30的一端连接，电阻R30的另一端与光耦合器OC4的阴极连接，光耦合器OC4的阳极接电源24V，光耦合器OC4的集电极接电源5V，光耦合器OC4的发射极经继电器K1线圈接地GND，微控制器MCU的PA7端口引脚与电阻R31的一端连接，电阻R31的另一端与三极管VD5的基极连接，三极管VD5的发射极与电阻R32的一端连接，电阻R32的另一端接地GND，三极管VD5的集电极与电阻R33的一端连接，电阻R33的另一端接电源5V，三极管VD5的集电极与电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端与光耦合器OC5的负极连接，光耦合器OC5的正极接电源5V，光耦合器OC5的集电极接电源24V，光耦合器OC5的发射极经继电器K2线圈接地GND，微控制器MCU的PB0端口引脚与电阻R35的一端连接，电阻R35的另一端与三极管VD6的基极连接，三极管VD6的发射极与电阻R36的一端连接，电阻R36的另一端接地GND，三极管VD6的集电极与电阻R37的一端连接，电阻R37的另一端接电源5V，三极管VD6的集电极经电阻R38与光耦合器OC6的阴极连接，光耦合器OC6的阳极接电源5V，光耦合器OC6的集电极接电源24V，光耦合器OC6的发射极经继电器K3线圈接地GND，继电器K1的动触点P5和静触点P7组成的常闭触点与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极经继电器K2的触点P8与触点P9组成的常开触点与三孔插座（3）的L相插孔连接，三孔插座（3）的N相插孔经继电器K2的触点P11与触点P10组成的常开触点与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端与运算放大器U1的反相输入端连接，运算放大器U1的反相输入端与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的反相输入端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的输出端与微控制器MCU的PC1端口引脚连接，运算放大器U1的同相输入端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端接地GND，运算放大器U1的同相输入端与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与电阻R15的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端与继电器K1的触点P5连接，继电器K1的触点P5与触点P6组成常开触点，继电器K1的触点P6接电源15V，三孔插座（3）的L相插孔与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端经继电器K3的触点P13与触点P12组成的常开触点接220V市电的L线，三孔插座（3）的N相插孔经继电器K3的触点P15与触点P14组成的常开触点接220V市电的N线，电阻R7的一端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与线性光耦OC3的2引脚连接，电阻R7的另一端与线性光耦OC3的3引脚和4引脚连接，线性光耦OC3的1引脚接电源24V，线性光耦OC3的5引脚接电源5V，线性光耦OC3的6引脚和7引脚分别与电阻R9的一端和电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端和电阻R10的另一端分别与运算放大器U2的同相输入端和反相输入端连接，线性光耦OC3的8引脚接地GND，运算放大器U2的反相输入端与电阻R11的一端和电容C3的一端连接，电阻R11的另一端和电容C3的另一端都与运算放大器U2的输出端连接，运算放大器U2的同相输入端与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端接地GND，运算放大器U2的输出端与微控制器U2的PC0端口引脚连接，微控制器U2的PA2端口引脚与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端接地GND，微控制器U2的PA2端口引脚与复位按键（6）的一端连接，复位按键（6）的另一端接电源5V，微控制器U2的PA3端口引脚和PA4端口引脚分别与电阻R18的一端和电阻R19的一端连接，电阻R18的另一端和电阻R19的另一端分别与第一指示灯（4）的一端和第二指示灯（5）的一端连接，微控制器MCU的PA5端口引脚与电阻R21的一端连接，电阻R21的另一端与三极管VD3的基极连接，三极管VD3的集电极接电源5V，三极管VD3的发射极与蜂鸣器（7）的一端连接，蜂鸣器（7）的另一端与电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端接地GND。

2.根据权利要求1所述的家用智能安全插座，其特征在于，所述微控制器MCU为具有8K系统内可编程Flash的8位微控制器ATmega48。

3.根据权利要求1所述的家用智能安全插座，其特征在于，所述线性光耦OC3为HCNR200芯片。

4.根据权利要求1所述的家用智能安全插座，其特征在于，所述第一指示灯（4）为用电器状态指示灯。

5.根据权利要求1所述的家用智能安全插座，其特征在于，所述第二指示灯（5）为过流保护指示灯。