CN107807586A - 一种基于mos管的智能家居用电控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MOS管的智能家居用电控制系统，包含监控终端以及与其连接的家居配电终端；所述家居配电终端包含AC/DC转换电路、高频变压器、充电控制电路、蓄电池、放电控制电路、电流检测模块、电压检测模块、智能控制器、安防模块；所述智能控制器包含电能参数采集及调理模块、CPU控制模块、显示模块、通讯模块、报警模块、时钟模块、存储器模块、键盘输入模块、开关电路模块、复位电路模块、电源驱动控制模块；采用了MOS管作为功率器件，电源效率高；在设备电池充电时，能够切断电池供电，改为电源为设备供电，以保护电池，延长电池寿命；可以通过硬件和软件控制设备的开关机，还可以通过硬件复位口进行复位，从而使设备关机。

Description

一种基于MOS管的智能家居用电控制系统

技术领域

本发明属于配电智能控制领域，尤其涉及一种基于MOS管的智能家居用电控制系统。

背景技术

随着智能电网理念的提出，基于家庭智能交互终端的电能计量和营销方案已逐步形成，这意味着家居控制将迈向智能化。智能家居是近几年产生并迅速崛起的一种新型家居住宅，家居的智能化为住户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷和开放的智能化、信息化的生活空间，极大的方便了用户。因此，组建一套以家庭交互终端为核心的家居控制系统，对智能电网的改造和实施有重大的意义。

随着分布式能源（Distributed Energy Resource, DER）的渗透率在电力系统各层级的不断提高，电力系统尤其是配电网的规划和运行方式也变得相对复杂，同时对配电网的经济性和监管方式也产生了较大的影响。为应对DER规模逐渐扩大以及用户对合理电价范围内供电可靠性的期望值日益提高等一系列变化，传统配电网已逐渐从被动模式向主动模式转变。主动配电网旨在解决电网兼容及应用大规模间歇式可再生能源，提升绿色能源利用率，优化一次能源结构等问题。针对DER接入配电网可能会给电网带来诸如影响短路水平、影响无功功率和电压分布等问题，尤其是新能源以即插即用方式接入，给配电网运行带来更多的不确定性，使得配电网更加难以控制。因此，有必要开发新的供配电设备使得配电网向主动调控、自动适应的主动配电网发展；

采用锂电池供电的设备在充电时， 一般会采用充电控制电路来对充电电流进行控制，而不可直接将充电电压接入电池中，否则充电电流过大会导致电池损坏或影响寿命。充电控制电路会在充电模式时切断电池对设备的供电， 转而用充电电压供给设备和充电控制电路， 在非充电模式时自动切换回电池对设备的供电。

专利号为CN201220204041.9的实用新型公开了一种充电控制电路，包括三极管Q1～ Q4、电阻R1～R8、电容 C3、轻触开关、二极管 D1 及充电电池。该电路在开机状态下对设备进行充电时能自动切断已开启的电源，使设备处于不工作的状态，实现对设备的自动断电保护功能。但是该实用新型有以下缺点：1、使用三极管作为功率器件，电源效率较低；2、充电时设备不能工作，无法满足用户在充电时使用设备的需求；3、该电路不具有控制开关机的功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于MOS管的智能家居用电控制系统，其具有多重保护、计量准确、可靠性高、实用性和智能化强、成本低廉等特点，可以有效减少家居用电开支，帮助家居电器有效节能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种基于MOS管的智能家居用电控制系统，包含监控终端以及与其连接的家居配电终端；

所述家居配电终端包含AC/DC转换电路、高频变压器、充电控制电路、蓄电池、放电控制电路、电流检测模块、电压检测模块、智能控制器、安防模块；

所述充电控制电路包括信号控制端、充电电源端、设备供电端、电池端、三极管、第一MOS管和第二MOS管；其中，所述充电电源端通过串联的第一电阻和第二电阻接地；所述三极管的基极分别连接所述信号控制端和充电电源端，所述三极管的集电极通过第四电阻连接所述第二MOS管的栅极，还通过第三电阻连接所述第一MOS管的源极，所述三极管的发射极接地；所述第二MOS管的源极通过第一二极管连接所述充电电源端，漏极连接所述设备供电端；所述第一MOS管的源极通过第一二极管连接所述充电电源端，栅极连接所述第一电阻和第二电阻的连接点，漏极连接所述电池端；

市电经过依次连接的AC/DC转换电路、高频变压器、充电控制电路连接蓄电池，用于市电输入的交流电转换成直流电，经过高频变压器变压，进而通过充电控制电路给蓄电池充电；

所述蓄电池与放电控制电路连接，用于控制蓄电池放电提供家居用电；

所述电流检测模块连接充电控制电路的输出端、放电控制电路的输出端以及智能控制器的输入端，用于实时采集蓄电池的充电电流及放电电流参数，以及用于将采集的电流信号参数上传至智能控制器；

所述电压检测模块分别连接蓄电池和智能控制器，用于采集蓄电池电压，进而上传至智能控制器；

所述智能控制器还与安防模块连接，用于实现供电保护。

作为本发明一种基于MOS管的智能家居用电控制系统的进一步优选方案，所述智能控制器包含CPU控制模块以及分别与其连接的电能参数采集及调理模块、显示模块、通讯模块、报警模块、时钟模块、存储器模块、键盘输入模块、开关电路模块、复位电路模块、电源驱动控制模块。

作为本发明一种基于MOS管的智能家居用电控制系统的进一步优选方案，所述安防模块包含过压保护、过流保护和短路保护。

作为本发明一种基于MOS管的智能家居用电控制系统的进一步优选方案，所述驱动模块包含栅极驱动和基极驱动。

作为本发明一种基于MOS管的智能家居用电控制系统的进一步优选方案，所述电流检测模块采用霍尔传感器。

作为本发明一种基于MOS管的智能家居用电控制系统的进一步优选方案，所述CPU控制模块的芯片型号为ATT7035。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明对家用电设备的电压、电流、频率、有功和无功功率、功率因素进行测量，在得出测量和计算结果后通过通信模块向监控终端提供电能数据，实时等待监控终端指令，以此来控制智能控制器的开启和关断，从而控制与其相连的家居用电设备的关闭；

2、本发明具有多重保护、计量准确、可靠性高、实用性和智能化强、成本低廉等特点，可以有效减少家居电器用电开支，帮助家居电器有效节能；

3、采用了MOS管作为功率器件，电源效率高；在设备电池充电时，能够切断电池供电，改为电源为设备供电，以保护电池，延长电池寿命；可以通过硬件和软件控制设备的开关机， 还可以通过硬件复位口进行复位，从而使设备关机。

附图说明

图1是本发明家居配电终端结构原理示意图；

图2是本发明充电控制电路电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种基于MOS管的智能家居用电控制系统，包含监控终端以及与其连接的家居配电终端；所述家居配电终端包含AC/DC转换电路、高频变压器、充电控制电路、蓄电池、放电控制电路、电流检测模块、电压检测模块、智能控制器、安防模块；本发明的AC-DC转换装置省去了外部启动电路，大大降低启动部分的功耗；本发明可对家用电设备的电压、电流、频率、有功和无功功率、功率因素进行测量，在得出测量和计算结果后通过通信模块向监控终端提供电能数据，实时等待监控终端指令，以此来控制智能控制器的开启和关断，从而控制与其相连的家居用电设备的关闭；

本发明具有多重保护、计量准确、可靠性高、实用性和智能化强、成本低廉等特点，可以有效减少家居电器用电开支，帮助家居电器有效节能。

如图2所示，所述充电控制电路包括信号控制端、充电电源端、设备供电端、电池端、三极管、第一MOS管和第二MOS管；其中，所述充电电源端通过串联的第一电阻和第二电阻接地；所述三极管的基极分别连接所述信号控制端和充电电源端，所述三极管的集电极通过第四电阻连接所述第二MOS管的栅极，还通过第三电阻连接所述第一MOS管的源极，所述三极管的发射极接地；所述第二MOS管的源极通过第一二极管连接所述充电电源端，漏极连接所述设备供电端；所述第一MOS管的源极通过第一二极管连接所述充电电源端，栅极连接所述第一电阻和第二电阻的连接点，漏极连接所述电池端；采用了MOS管作为功率器件，电源效率高；在设备电池充电时，能够切断电池供电， 改为电源为设备供电，以保护电池，延长电池寿命；可以通过硬件和软件控制设备的开关机， 还可以通过硬件复位口进行复位，从而使设备关机。

市电经过依次连接的AC/DC转换电路、高频变压器、充电控制电路连接蓄电池，用于市电输入的交流电转换成直流电，经过高频变压器变压，进而通过充电控制电路给蓄电池充电；

所述蓄电池与放电控制电路连接，用于控制蓄电池放电提供家居用电；

所述电流检测模块连接充电控制电路的输出端、放电控制电路的输出端以及智能控制器的输入端，用于实时采集蓄电池的充电电流及放电电流参数，以及用于将采集的电流信号参数上传至智能控制器；

所述电压检测模块分别连接蓄电池和智能控制器，用于采集蓄电池电压，进而上传至智能控制器；

所述智能控制器还与安防模块连接，用于实现供电保护。

所述智能控制器包含电能参数采集及调理模块、CPU控制模块、显示模块、通讯模块、报警模块、时钟模块、存储器模块、键盘输入模块、开关电路模块、复位电路模块、电源驱动控制模块；

所述电能参数采集及调理模块与CPU控制模块连接，用于将采集的电压及电流信号上传至CPU控制模块；

所述CPU控制模块与通讯模块连接，用于配电终端与监控终端的数据传输；

所述CPU控制模块与报警模块连接，用于当智能安防模块出现异常时发出警报；

所述CPU控制模块与时钟模块连接，用于实时记录时间；

所述CPU控制模块与存储器模块连接，用于进行数据存储；

所述CPU控制模块与显示模块连接，用于实时显示电能参数采集及调理模块采集的电压及电流信号；

所述CPU控制模块与键盘输入模块连接，用于输入及设定参数阈值；

所述CPU控制模块与开关电路模块连接，用于开关船用电器和船用动力所需电能；

所述CPU控制模块与复位电路模块，用于智能控制器复位；

所述CPU控制模块与电源驱动控制模块，用于提供智能控制器所需电能。

所述安防模块包含防雷保护、过压保护、过流保护、短路保护。

所述驱动模块包含栅极驱动和基极驱动。

所述电流检测模块采用霍尔传感器。

本发明所选用的智能控制器需要随时接收智能互动终端的指令信号来控制继电器实现自身的开启和关断，因此CPU系统控制模块在设计上应该选取体积小、能耗低、外设接口丰富、处理和计算速度快的控制芯片。对于这样的芯片，应符合以下几点要求：

（1）合适的存储器。可充分利用控制芯片内存储空间，以便系统更加紧凑，且可有效解决接口能力、指令系统、寻址方式及功耗等问题；

（2）具备配套开发系统。可进行软件调试，使用相应的开发系统进行功能性调试扩展；

（3）体积小，成本低。芯片体积要求越小越好，集成度要高，成本尽量要低，能够在用户的承受范围之内。

结合上述几点要求，选取单相电能专用SOC计量芯片ATT7035芯片，它是一款具有国际领先水平的专用单相电能计量SOC（system-on-chip），片内集成处理器单元、单相电能计量单元、电源管理、时钟管理单元以及PLL倍频和JTAG调试等功能。

ATT7035芯片非常适合家居智能控制器的开发与设计，其集成了丰富的外设接口，可以直接驱动外围相关的电路，大大降低了电路的复杂性，因此，选用ATT7035作为CPU系统主控制芯片。在图2中，ATT7035芯片集成了很多电能计量的外部电路，使得设计中电路可以尽量小型化、简单化和模块化，适合本文智能控制器的开发。

CPU系统控制模块主要实现功能为：接收来自电能参数采集与调理模块及计量模块的测量数据，进行快速正确的计算和处理，并将计算和处理结果实时发送到显示模块并控制其显示，与此同时通过ZigBee通信模块将数据发送到智能家居系统中的智能手机、平板等智能交互终端，接受来自智能交互终端的指令信息，这些指令信息控制和决定当前网络智能家电的运行状态，当家电网络中出现过压、过流、漏电、用电负荷异常等情况时，向开关电路中的继电器发出指令，自动切断当前电源，从而达到保护的作用。当然，除核心控制、处理计算电能调理参数信号外，该核心处理芯片还配置相关的外部驱动外设，如图2中的LCD显示模块、键盘、非易失存储器、蜂鸣器、复位电路等。

ATT7035作为CPU系统控制模块的核心，提供单相电能计量所需要的全部功能，提供有功、无功、视在电能脉冲输出，并开放脉冲计数寄存器，包括有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值、电流有效值及频率计算等，具有三路ADC同步采样波形数据，支持单相两线制、单相三线制，支持灵活的防窃电方案和校表方案，窃电阈值可通过寄存器灵活设置，提供多种电能累加方式选择，支持增益误差、相位误差的软件校表，支持防潜动功能，潜动阈值可灵活发明。同时还具有直流偏置自动校正，多种能量计算模式，开放快速脉冲计数寄存器，防止上、下电时丢失电能，脉冲输出PF/QF/SF脉宽可选，无功移相补偿，有功P和无功Q偏置校正等功能。

电源驱动控制模块：该部分将220 V的交流电压进行AC-DC变换，输出电路系统中需要的直流电压。本发明发明的智能控制器用到的工作电压有+5 V和+3.3 V两种，其中前者为图2中的电能参数采集与调理模块、时钟模块、显示模块提供电源，后者为CPU核心控制模块、ZigBee无线通信模块等提供电源，并考虑电磁兼容性能。目前工业上常见的交流电转低压直流电的技术方案主要有三种：开关电源模块方案、阻容降压方案和变压器降压整流滤波方案。其中开关电源方案的优点是体积小、效率高、自身抗干扰能力强，但是输出的电源是非隔离的，不安全，不能用于大功率负载，抗电网浪涌能力差；阻容降压方案是利用电容在交流电中容抗来限制电流的原理，简单地利用电阻保护的方法，该方法成本较低，受电压波动影响较大；采用第三种变压器降压整流滤波方案的优点是安全、稳定，但是体积较大。

因此本发明选用先通过变压器（变比为220:9）降压再整流（由四个二级管组成的桥式整流电路）滤波的电源驱动模块。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于MOS管的智能家居用电控制系统，其特征在于：包含监控终端以及与其连接的家居配电终端；

所述家居配电终端包含AC/DC转换电路、高频变压器、充电控制电路、蓄电池、放电控制电路、电流检测模块、电压检测模块、智能控制器、安防模块；

所述充电控制电路包括信号控制端、充电电源端、设备供电端、电池端、三极管、第一MOS管和第二MOS管；其中，所述充电电源端通过串联的第一电阻和第二电阻接地；所述三极管的基极分别连接所述信号控制端和充电电源端，所述三极管的集电极通过第四电阻连接所述第二MOS管的栅极，还通过第三电阻连接所述第一MOS管的源极，所述三极管的发射极接地；所述第二MOS管的源极通过第一二极管连接所述充电电源端，漏极连接所述设备供电端；所述第一MOS管的源极通过第一二极管连接所述充电电源端，栅极连接所述第一电阻和第二电阻的连接点，漏极连接所述电池端；

市电经过依次连接的AC/DC转换电路、高频变压器、充电控制电路连接蓄电池，用于市电输入的交流电转换成直流电，经过高频变压器变压，进而通过充电控制电路给蓄电池充电；

所述蓄电池与放电控制电路连接，用于控制蓄电池放电提供家居用电；

所述电流检测模块连接充电控制电路的输出端、放电控制电路的输出端以及智能控制器的输入端，用于实时采集蓄电池的充电电流及放电电流参数，以及用于将采集的电流信号参数上传至智能控制器；

所述电压检测模块分别连接蓄电池和智能控制器，用于采集蓄电池电压，进而上传至智能控制器；

所述智能控制器还与安防模块连接，用于实现供电保护。

2.根据权利要求1所述的一种基于MOS管的智能家居用电控制系统，其特征在于：所述智能控制器包含CPU控制模块以及分别与其连接的电能参数采集及调理模块、显示模块、通讯模块、报警模块、时钟模块、存储器模块、键盘输入模块、开关电路模块、复位电路模块、电源驱动控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于MOS管的智能家居用电控制系统，其特征在于：所述安防模块包含过压保护、过流保护和短路保护。

4.根据权利要求1所述的一种基于MOS管的智能家居用电控制系统，其特征在于：所述驱动模块包含栅极驱动和基极驱动。

5.根据权利要求1所述的一种基于MOS管的智能家居用电控制系统，其特征在于：所述电流检测模块采用霍尔传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于MOS管的智能家居用电控制系统，其特征在于：所述CPU控制模块的芯片型号为ATT7035。