CN107608275A - 一种智能节能插座 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种智能节能插座，包括电能计量模块、控制器模块、LCD显示模块、继电器模块、无线通信模块和电源供电模块。本发明采用专为住宅用单相电能表或智能插座设计的集成芯片HLW8012，准确的实现对家用电器用电情况的计量，并结合单片机技术和无线通信技术，可远程控制插座对家用电器的智能开启或关闭，节约了电能，延长了家用电器使用寿命，提升了便捷性，其结构简单，体积小巧，成本低廉，系统功耗低，测量精度高，可靠性和稳定性好，具有良好的可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及物联网智能家居技术领域，特别涉及一种智能节能插座。
背景技术
新能源和节能环保是未来几十年发展的必然趋势，随着人们生活水平的提高以及科学技术的发展，节能环保意识的不断深入人心，人们对身边的“无意识浪费”开始关注起来，比如家庭内部浪费电能的情况：家用电器在未使用情况下的长期待机状态造成的电量消耗。
现在市场上有很多电源插座，在使用时经常因家用电器待机而未关闭电源，造成用电量的增加和家用电器设备老化，造成不必要损失。由于长时间未关闭电源造成的电量流失日积月累下来费用相当可观，同时较贵重的家用电器设备的使用寿命也会大大缩短，严重的会造成电器设备损坏，损失更大，既造成家庭开支增加，又浪费宝贵的电力资源，与所提倡的环保节能理念相违背。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种智能节能插座，采用专为住宅用单相电能表或智能插座设计的集成芯片HLW8012，准确的实现对家用电器用电情况的计量，并结合单片机技术和无线通信技术，可远程控制插座对家用电器的智能开启或关闭。
(二)技术方案
一种智能节能插座，包括电能计量模块、控制器模块、LCD显示模块、继电器模块、无线通信模块和电源供电模块；
所述电能计量模块与所述控制器模块相连接，测量家用电器负载的电流有效值、电压有效值和功率；
所述控制器模块读取所述电能计量模块测量的家用电器负载电流有效值、电压有效值和功率；
所述LCD显示模块与所述控制器模块相连接，显示所述电能计量模块测量的家用电器负载电流有效值、电压有效值和功率；
所述继电器模块与所述控制器模块相连接，开启或关闭家用电器负载的电源；
所述无线通信模块与所述控制器模块相连接，所述控制器模块通过所述无线通信模块将所述继电器模块的开关状态、工作时间及所述电能计量模块测量的家用电器负载电流有效值、电压有效值和功率数据传输给上位机，并接收用户移动终端发送的家用电器负载开启和关闭指令；
所述电源供电模块外接AC市电，给其它各模块提供电压。
进一步的，所述电源供电模块包括AC-DC转换单元、稳压降压单元和DC-DC转换单元；所述AC-DC转换单元将AC市电的220V转换成12V电源，供给所述继电器模块；所述稳压降压单元将所述12V电源降到5V，供给所述控制器模块和所述电能计量模块；所述DC-DC转换单元将所述12V电源转换为3.3V，供给所述无线通信单元和所述LCD显示单元。
再进一步的，所述AC-DC转换单元包括AC-DC芯片、整流器、变压器、电感、第一～第三二极管、第一～第五电容和第一～第八电阻，其中所述AC-DC芯片为8pin SY50103B。
再进一步的，所述稳压降压单元选用稳压芯片78L05。
再进一步的，所述DC-DC转换单元选用开关型DC-DC变换器AIC1596-33。
再进一步的，所述电能计量模块包括电能计量芯片、采样电阻、第六～第九电容和第九～第十七电阻，其中所述电能计量芯片为8pin HLW8012，所述采样电阻为锰铜电阻。
再进一步的，所述控制器模块选用8位单片机NEC9234。
再进一步的，继电器模块选用规格为12V 10A的继电器。
再进一步的，所述无线通信模块选用VT6656 WiFi模块。
再进一步的，所述LCD显示模块选用20pin LCD12864HZ液晶显示器。
(三)有益效果
本发明提供了一种智能节能插座，采用专为住宅用单相电能表或智能插座设计的集成芯片HLW8012，准确的实现对家用电器用电情况的计量，并结合单片机技术和无线通信技术，可远程控制插座对家用电器的智能开启或关闭，节约了电能，延长了家用电器使用寿命，提升了便捷性，其结构简单，体积小巧，成本低廉，系统功耗低，测量精度高，可靠性和稳定性好，具有良好的可扩展性。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种智能节能插座的系统结构框图。
图2为本发明所涉及的一种智能节能插座的电源供电单元结构框图。
图3为本发明所涉及的一种智能节能插座的AC-DC转换单元电路原理图。
图4为本发明所涉及的一种智能节能插座的电能计量模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
如图1所示，一种智能节能插座，包括电能计量模块、控制器模块、LCD显示模块、继电器模块、无线通信模块和电源供电模块；电能计量模块与控制器模块相连接，测量家用电器负载的电流有效值、电压有效值和功率；控制器模块读取电能计量模块测量的家用电器负载电流有效值、电压有效值和功率；LCD显示模块与控制器模块相连接，显示电能计量模块测量的家用电器负载电流有效值、电压有效值和功率；继电器模块与控制器模块相连接，开启或关闭家用电器负载的电源；无线通信模块与控制器模块相连接，控制器模块通过无线通信模块将继电器模块的开关状态、工作时间及电能计量模块测量的家用电器负载电流有效值、电压有效值和功率数据传输给上位机，并接收用户移动终端发送的家用电器负载开启和关闭指令；电源供电模块外接AC市电，给其它各模块提供电压。
如图2所示，电源供电模块包括AC-DC转换单元、稳压降压单元和DC-DC转换单元；AC-DC转换单元将AC市电的220V转换成12V电源，供给继电器模块；稳压降压单元将12V电源降到5V，供给控制器模块和电能计量模块；DC-DC转换单元将12V电源转换为3.3V，供给无线通信单元和LCD显示单元。
如图3所示，AC-DC转换单元包括AC-DC芯片U1、整流器DB1、变压器T1、电感L1、二极管D1～D3、电容C1～C5和电阻R1～R8，其中AC-DC芯片U1为8pin SY50103B。
稳压降压单元选用稳压芯片78L05。
DC-DC转换单元选用开关型DC-DC变换器AIC1596-33。
将交流220V经AC-DC转换成12V电源，采用SY50103B芯片，可以提供1A的电流，纹波控制在100mV以内。开关电源的优势在于功率小，转换效益高，同时体积也小，适合放入较小体积的插座内。由于单片机和电能计量芯片需提供5V电源，而无线通信模块和LCD显示模块采用的是3.3V电源供电，所以12V电源出来之后，分为两路，一路使用稳压芯片78L05，将电源降到5V，给单片机和电能计量芯片提供电源；另一路采用DC-DC芯片，将12V转为3.3V给无线通信模块提供电源。
如图4所示，电能计量模块包括电能计量芯片U2、采样电阻Ri、电容C6～C9和电阻R9～R17，其中电能计量芯片U2为8pin HLW8012，采样电阻Ri为锰铜电阻。HLW8012是专为住宅用单相电能表或智能插座设计的一款集成芯片，可精确测量电流有效值IRMS、电压有效值VRMS、有功功率和电量。HLW8012内部由2个可编程增益放大器、2个Δ-Σ调制器、配套的高速滤波器、功率计算、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。两个可编程放大器采集电压和电流数据，Δ-Σ调制器对模拟量采样处理，滤取可用电压和电流数字信号，并将计算的功率值、电压有效值和电流有效值通过脉冲指示方式对外输出。HLW8012的V1P和V1N引脚输入电流信号波，电流通道集成一个固定增益放大器，允许的最大差分输入信号为±43.75mV，电压通道允许的最大输入信号是±700mV。HLW8012芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。
电路包括电流信号采样和电压信号采样两部分。电压采样采集的是零线上的电压，由于电压信号较大，有效值是220V，需要通过电阻网络降压的方法实现采样，通过串联6个470K的电阻R11～R16和1个1K的电阻R17进行分压，然后接入HLW8012的电压输入采样端V2P引脚。HLW8012的V1P和V1N引脚是电流采样通道，采集锰铜电阻Ri两端的电压降，电流流经锰铜电阻Ri后，会产生一个压降，不同阻值电压降不同，一般选用2毫欧或5毫欧，阻值不宜过大。当有大电流通过的时候，锰铜电阻Ri的阻值过大容易造成发热，电阻会产生温漂，影响测量结果的精确度。HLW8012的内部DSP具有一定的增益，经过频率转换模块后，有功功率输出频率为电流有效值输出频率为电压有效值输出频率为其中V1为电流通道引脚上的电压信号，V2为电压通道引脚上的电压信号，fosc为内置晶振，典型频率约为3.579MHz，VREF为内置基准源，典型电压为2.43V。
控制器模块选用8位单片机NEC9234，内置上电清零电路和低电压检测电路，具有26个通用I/O端口、4通道定时器、1通道UART接口和4通道10位分辨率A/D转换器，供电电压为2.0～5.5V，工作环境温度为-40～+85℃。单片机NEC9234是整个电路的核心控制器，读取家用电器负载电流有效值、电压有效值及功率，采用5V作为工作电源，为消除串行通讯波特率误差，将晶振设为11.0592MHz。
继电器模块选用规格为12V 10A的继电器，12V继电器相比5V继电器的成本更低。单片机NEC9234通过继电器对家用电器负载的电源进行开启或关闭。
无线通信模块选用VT6656WiFi模块，VT6656模块内嵌TCP/IP协议栈，降低了设计的难度，同时大大提高了单片机NEC9234处理其他数据的能力。VT6656与NEC9234的连接非常简单，二者可以通过标准的USB接口直接相连。VT6656模块采用54Mbps标准的802.11g无线以太网访问，比基于802.11b协议的快5倍；采用USB2.0接口最高比USB1.0接口快40倍；新的天线技术支持更远距离的无线访问；支持所有标准的802.11g和802.11b无线路由器及接入点；支持64/128/152位WEP加密；支持WPA/WPA2、WPA-PSK/WPA2-PSK等高级加密与安全机制。单片机NEC9234通过WiFi模块可以将继电器的开关状态、工作时间及HLW8012测量的家用电器负载电流有效值、电压有效值和功率数据传输给上位机，上位机对数据进行存储和分析，以达到更加智能化的控制目的。同时单片机NEC9234通过WiFi模块接收用户移动终端发送的家用电器负载开启和关闭指令，从而控制继电器切断电源来实现与之接驳的家用电器负载的开关，实现远程智能控制家中电器。
LCD显示模块选用20pin LCD12864HZ液晶显示器，LCD12864HZ自带汉字字库，可显示汉字、字符及图形，使用方便。LCD12864HZ采用3.3V电压供电，便于与NEC9234的I/O口电平匹配。为简化电路，节约I/O口开支，LCD12864HZ与NEC9234的接口采用串行接口进行通信。
本发明提供了一种智能节能插座，采用专为住宅用单相电能表或智能插座设计的集成芯片HLW8012，准确的实现对家用电器用电情况的计量，并结合单片机技术和无线通信技术，可远程控制插座对家用电器的智能开启或关闭，节约了电能，延长了家用电器使用寿命，提升了便捷性，其结构简单，体积小巧，成本低廉，系统功耗低，测量精度高，可靠性和稳定性好，具有良好的可扩展性。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种智能节能插座，其特征在于：包括电能计量模块、控制器模块、LCD显示模块、继电器模块、无线通信模块和电源供电模块；
所述电能计量模块与所述控制器模块相连接，测量家用电器负载的电流有效值、电压有效值和功率；
所述控制器模块读取所述电能计量模块测量的家用电器负载电流有效值、电压有效值和功率；
所述LCD显示模块与所述控制器模块相连接，显示所述电能计量模块测量的家用电器负载电流有效值、电压有效值和功率；
所述继电器模块与所述控制器模块相连接，开启或关闭家用电器负载的电源；
所述无线通信模块与所述控制器模块相连接，所述控制器模块通过所述无线通信模块将所述继电器模块的开关状态、工作时间及所述电能计量模块测量的家用电器负载电流有效值、电压有效值和功率数据传输给上位机，并接收用户移动终端发送的家用电器负载开启和关闭指令；
所述电源供电模块外接AC市电，给其它各模块提供电压。
2.根据权利要求1所述的一种智能节能插座，其特征在于：所述电源供电模块包括AC-DC转换单元、稳压降压单元和DC-DC转换单元；所述AC-DC转换单元将AC市电的220V转换成12V电源，供给所述继电器模块；所述稳压降压单元将所述12V电源降到5V，供给所述控制器模块和所述电能计量模块；所述DC-DC转换单元将所述12V电源转换为3.3V，供给所述无线通信单元和所述LCD显示单元。
3.根据权利要求2所述的一种智能节能插座，其特征在于：所述AC-DC转换单元包括AC-DC芯片、整流器、变压器、电感、第一～第三二极管、第一～第五电容和第一～第八电阻，其中所述AC-DC芯片为8pin SY50103B。
4.根据权利要求2所述的一种智能节能插座，其特征在于：所述稳压降压单元选用稳压芯片78L05。
5.根据权利要求2所述的一种智能节能插座，其特征在于：所述DC-DC转换单元选用开关型DC-DC变换器AIC1596-33。
6.根据权利要求2所述的一种智能节能插座，其特征在于：所述电能计量模块包括电能计量芯片、采样电阻、第六～第九电容和第九～第十七电阻，其中所述电能计量芯片为8pinHLW8012，所述采样电阻为锰铜电阻。
7.根据权利要求2所述的一种智能节能插座，其特征在于：所述控制器模块选用8位单片机NEC9234。
8.根据权利要求2所述的一种智能节能插座，其特征在于：所述继电器模块选用规格为12V 10A的继电器。
9.根据权利要求2所述的一种智能节能插座，其特征在于：所述无线通信模块选用VT6656WiFi模块。
10.根据权利要求2所述的一种智能节能插座，其特征在于：所述LCD显示模块选用20pin LCD12864HZ液晶显示器。
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Cited By (3)
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| CN111679121A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-09-18 | 国网天津市电力公司 | 一种智能家居用电监控装置及其功耗检测方法 |
| CN114253142A (zh) * | 2020-09-24 | 2022-03-29 | 深圳绿米联创科技有限公司 | 模式的配置方法、控制方法及装置、系统、设备及介质 |
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2017
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