CN109066657B - 一种多工作模式节能电源插座板的电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工作模式节能电源插座板的电路结构，包括主电路和控制电路，主电路包括依次串接的三相市电插头、继电器常开触点和多孔插座单元；控制电路包括单片机、电流互感器、电流/电压变换器、电压比较器、单刀多掷开关及继电器控制接口；电流互感器输入端串接在外部电器供电电流回路中，输出端通过依次连接的电流/电压变换器、电压比较器连接到单片机。本发明采用一个电流/电压变换器和一个电压比较器先后对检测信号进行处理，提高了电流互感器的线性度、负载能力和便于单片机对检测信号的识别。

Description

一种多工作模式节能电源插座板的电路结构

技术领域

本发明涉及一种多工作模式节能电源插座板的电路结构，属于插座板技术领域。

背景技术

众所周知，电能是重要的二次能源，应用于现代社会各个方面。我国是仅次于美国的发电大国，而其中80%左右是火力发电，一方面每天要消耗大量的人类有限的能源资源--煤和石油，另一方面也给我们的生存环境造成严重的污染。从当今世界煤炭、石油等一次能源的开采和消耗速度来看，能源形势非常严峻。因此，世界各国纷纷倡导建设生态文明社会，以形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式和消费模式，使人类社会以绿色环保的方式可持续地发展下去。这也是时代赋予我们的使命，每个人都应该积极践行。

随着科技的进步和人们生活水品的提高，世界范围内，各类家用电器，如：电视机、DVD、空调和电脑等大量进入家庭和工作单位，由于这些产品的人性化设计——待机状态，给人们带来使用上方便的同时，也造成了电能源的极大浪费；据相关统计资料显示，在国内仅电脑一项的待机能耗已经到了惊人的地步，数以每年亿度电计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种多工作模式节能电源插座板的电路结构，以解决上述现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种多工作模式节能电源插座板的电路结构，包括主电路和控制电路，主电路包括三相市电插头P1及串接在三相市电插头P1两端的继电器J1上的两个常开触点J1-1、J1-2和多孔插座单元S1。控制电路包括单片机U5、电流互感器U1、电流/电压变换器U2、电压比较器U4、单刀多掷开关K3、单刀多掷开关K4，三相市电插头P1上的一端与电流互感器U1输入端、熔断电阻RF1和继电器J1上常开触点J1-2顺次串接后连接到多孔插座单元S1的一端；三相市电插头P1上的另一端通过继电器J1上常开触点J1-1连接到多孔插座单元S1的另一端；电流互感器U1输出端通过依次连接的电流/电压变换器、电压比较器连接到单片机U5，单刀多掷开关K3和单刀多掷开关K4连接到单片机上。

优选的，上述控制电路还包括与三相市电插头P1两端分别串联的继电器J2上的两个常开触点开关J2-1、J2-2以及双触点联动通电按键开关K1；双触点联动通电按键开关K1的两个触点开关分别与继电器J2上的两个常开触点开关J2-1、J2-2并联后连接到降压变压器T1初级绕组的两个输入端，降压变压器T1的次级绕组连接到由四个整流二级管D5-D8组成的桥式整流电路上，桥式整流电路的正极电压输出端经串接的稳压二级管D11连接到三端稳压器U3的输入端，三端稳压器U3的输入端口并联两个滤波电容C6、C7，三端稳压器U3的输出端口并联两个滤波电容C4、C5；变压器T1、整流二级管D5-D8、稳压二极管D11、滤波电容C4、C5、C6、C7和三端稳压器U3等构成+5V和+12V内部控制单元电源，桥式整流电路D5-D8的正极电压输出端还连接到继电器J1和继电器J2，继电器J1通过三极管Q1连接到电阻R7，继电器J2通过三极管Q2连接到电阻R8，电阻R7和电阻R8分别连接到单片机的P3.3口和P3.4口，三极管Q2的发射极和基极间连接有断电按键开关K2。

优选的，上述降压变压器T1初级绕组输入端并接有电阻R9和发光二极管D9，多孔插座单元S1两输出端并接有电阻R10和发光二极管D10。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

（1）本发明采用一个电流/电压变换器和一个电压比较器先后对检测信号进行处理，能够提高电流互感器U1的线性度、负载能力和便于单片机对检测信号的识别；

（2）本发明通过单片机实现插座板的多种模式控制，在具备通用市电电源插座板功能的基础上，还能够自动检测电器的待机或关机状态，并按照用户预先设置好的工作模式，通过对电器待机时间的限定避免电器长时间待机，以达到既方便电器的使用又节省电能的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的通电时间设置开关和断电时间设置开关安装处示意图；

图3是本发明的内部电路结构示意图；

图4是本发明的内部电路原理示意图。

图中， 1、三相市电插头；2、电源线；3、插座盒；4、通电时间设置开关；5、断电时间设置开关；6、多孔插座单元；7、插座通电LED指示灯 8、断电按键开关、9、通电按键开关、10、控制单元LED指示灯；11、通断电继电器；12、电流互感器；13、电流检测接口；14、插座通断电接口；15、控制单元电源；16、单片机。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图4所示， 一种多工作模式节能电源插座板的电路结构，包括主电路和控制电路，主电路包括依次串接的三相市电插头P1、继电器J1上的常开触点J1-1.J1-2和多孔插座单元S1；控制电路包括单片机U5、电流互感器U1、电流/电压变换器U2、电压比较器U4、单刀多掷开关K3、单刀多掷开关K4及由继电器J1、J2、三极管Q1、Q2、二极管D2、D4、电阻R7、R8、断电按键开关K2等组成的继电器J1、J2控制接口，三相市电插头P1上的一端与电流互感器U1输入端、熔断电阻RF1和继电器J1上常开触点J1-2顺次串接后连接到多孔插座单元S1的一端；三相市电插头P1上的另一端通过继电器J1上常开触点J1-1连接到多孔插座单元S1的另一端；电流互感器U1输出端通过依次连接的电流/电压变换器、电压比较器连接到单片机U5的P3.2口，单刀多掷开关K3的0-7个档位和单刀多掷开关K4的0-7个档位分别连接到单片机U5上的P1.0-P1.7口和P2.0- P2.7口。

优选的，上述控制电路还包括与三相市电插头P1两端分别串联的继电器J2上的两个常开触点开关J2-1、J2-2以及双触点联动通电按键开关K1；双触点联动通电按键开关K1的两个触点开关分别与继电器J2上的两个常开触点开关J2-1、J2-2并联后连接到降压变压器T1初级绕组的两个输入端，降压变压器T1的次级绕组连接到由D5-D8四个整流二级管组成的桥式整流电路上，桥式整流电路D5-D8的正极电压输出端经串接的稳压二级管D11连接到三端稳压器U3的输入端，两个滤波电容C6、C7并联在三端稳压器U3的输入端口，另外两个滤波电容C4、C5并联在三端稳压器U3的输出端口；变压器T1、整流二级管D5-D8、稳压二极管D11、滤波电容C4、C5、C6、C7和三端稳压器U3等构成+5V和+12V内部控制单元电源，桥式整流电路D5-D8的正极电压输出端还连接到继电器J1和继电器J2，继电器J1通过三极管Q1连接到电阻R7，继电器J2通过三极管Q2连接到电阻R8，电阻R7和电阻R8分别连接到单片机的P3.3口和P3.4口，三极管Q2的发射极和基极间连接有断电按键开关K2。

优选的，上述降压变压器T1初级绕组输入端并接有电阻R9和发光二极管D9，多孔插座单元S1两输出端并接有电阻R10和发光二极管D10。

实施例2：如图1-图4所示，一种多工作模式节能电源插座板，包括插座盒6，插座盒6上侧面设置有多孔插座单元3，上端上侧面设置有断电时间设置开关5和通电时间设置开关4，上端通过电源线连接有三相市电插头1，下端上侧面设置有通电按键开关9和断电按键开关8及插座通电LED指示灯7和控制单元LED指示灯10，通电按键开关9和断电按键开关8均为旋转式多档位开关。

优选的，上述多孔插座单元3依次通过通断继电器和电流互感器连接到三相市电插头1，电流互感器通过电流检测接口连接到单片机，单片机连接到通断电继电器，单片机连接到插座通断电接口，插座通断电接口连接到通电按键开关、断电按键开关、控制单元电源以及三相市电插头1，单片机还连接有通电时间设置开关4和断电时间设置开关5。

优选的，上述多孔插座单元3的电源线连接端连接有插座通电LED指示灯7，插座通断电接口连接有控制单元LED指示灯10。

本发明的创新点在于：将插座工作方式的选择权交给用户，用户可在四种不同的工作模式下自行选择，以满足不同的使用需求。四种工作模式是：

.常规模式；

.立即断电模式；

.延时断电模式；

.定时器模式。

常规模式：该模式下，插座板与常规电源插座板的功能完全一样，只要插座板电源插头插上市电，按动一下“通电”按键，插座就进入通电状态；它的断电受“断电”按键控制，与接在它上面的电器的工作状态无关。

立即断电模式：按动“通电”按键，插座进入通电状态，3分钟内如无电器启动，插座将自动断电；如3分钟内有电器启动，插座将在电器进入待机或关机状态时立即断电。

延时断电模式：按动“通电”按键，插座进入通电状态，3分钟内如无电器启动，插座将自动断电；如3分钟内有电器启动，插座将在电器进入待机或关机状态后延时3分钟自动断电；如在断电前3分钟内又有电器重新启动，延时断电取消，插座将继续通电。

定时器模式：即定时上电定时断电工作模式；按动“通电”按键后，通过“通电时间”控制开关控制插座延时上电的时间，通过“工作模式”控制开关控制插座保持通电状态的时间。

插座板在以上任何一种工作模式通电的情况下，按动“断电”按键都可使插座板断电，同时切断对控制电路的供电，断电状态下的功耗为零。

利用图1所示的塑料插座盒3，将三相电源插头1、电源线2、多孔插座单元6、通电时间设置开关4、断电时间设置开关5、通电按键开关9、断电按键开关8、控制单元LED指示灯10、插座通电LED指示灯7及内置于盒内的控制电路板连接成一个整体。

通电时间设置开关4、断电时间设置开关5、通电按键开关9和断电按键开关8分别安装在图1外观正面俯视图中“通电时间”、“工作模式”、“通电”和“断电”位置处，分别与图4电路原理图中的K3、K4、K1和K2相对应；控制单元LED指示灯10和插座通电LED指示灯7分别与图4电路原理图中的D9红色发光二极管和D10绿色发光二极管相对应；多孔插座单元6与图4电路原理图中的S1相对应。

将三相电源插头1插入本地市电插座后，即可按常规方式将所用电器的电源线插头插入此插座板上的多孔插座单元6。电器启动前，通过通电时间设置开关4和断电时间设置开关5按需求设置好插座板的工作模式，按动通电按键开关9使插座板内的控制电路板开始工作、多孔插座单元6接通市电，控制单元LED指示灯10和插座通电LED指示灯7点亮，然后即可正常使用电器。插座板无论工作在何种状态下，只要按动断电按键开关8，插座板将切断与本地市电的连接，同时控制电路板断电停止工作，整个插座板处于零耗电状态。

通电时间设置开关4是插座板在定时器模式下控制多孔插座单元6上电时刻的旋动式设置开关，共有8个档位。从“0”到“7”顺时针转动，可控制多孔插座单元6上电的时刻，即“0”档位时，按动通电按键开关9，多孔插座单元6立即上电；“1”档位时，按动通电按键开关9，多孔插座单元6定时20分钟上电；“2”档位时，按动通电按键开关9，多孔插座单元6定时40分钟上电；如此从“1”到“7”的7个档位可分别设置不同的递增的定时时间（如：20分钟、40分钟、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3小时等，或其他组合，可通过单片机编程实现），以实现插座板在定时器模式下对多孔插座单元6上电时刻的控制。

断电时间设置开关5是对插座板工作模式进行设置的旋动式设置开关，共有8个档位。“0”档位时，控制插座板工作在“常规模式”；“1”档位时，控制插座板工作在“立即断电模式”；“2”档位时，控制插座板工作在“延时断电模式”；在“或3、或4、或5、或6、或7”档位时，控制插座板工作在定时器模式，即插座板上的多孔插座单元6的断电只受该档位设置的时间控制，而与所连接的电器的工作状态无关。如该开关置于“3”档位时，在多孔插座单元6通电30分钟后断电；从“3”到“7”的5个档位可分别设置不同的递增的定时时间（如：30分钟、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时等，或其他组合，可通过单片机编程实现），以实现插座板在定时器模式下对多孔插座单元6通电时间（或断电时刻）的控制。

实施例3：如图3所示，上述的电源插座板的控制电路，包括单片机，所述单片机16分别与插座通断电接口14、电流检测接口13、通断电继电器11、通电时间设置开关4及断电时间设置开关5电连接；所述插座通断电接口14分别与电源线2、通电按键开关9、断电按键开关8、单片机16、控制单元LED指示灯10及控制单元电源15电连接；所述电流互感器12分别与电源线2、插座通断电接口14、电流检测接口13及通断电继电器11电连接；所述通断电继电器11分别与电流互感器12、多孔插座单元6、插座通电LED指示灯7及单片机16连接；所述控制单元电源15通过插座通断电接口14连接电源线2，由此引入的交流市电经过整流和稳压电路为插座控制电路板提供+5V和+12V的工作电能。

从最大限度地降低本插座板控制电路自身功耗为目标，在电路设计时，单片机采用Philips公司的P89C51型低功耗单片机16，插座板的工作状态采用两只发光二级管和两个机械式单刀多掷旋动式位置开关（加外部标识的方式）进行指示。

插座板通过三相市电插头P1接入交流市电，其中一路通过通断电继电器J1（12V，250V/10A）的两个常开触点（J1-1、J1-2）和电流互感器U1初级线圈由多孔插座单元S1为外部电器供电，另一路通过插座通断电接口中继电器J2（12V，250V/5A）的两个常开触点（J2-1、J2-2）为控制板内控制单元电源供电。

双触点联动通电按键开关K1、降压变压器T1(220V-9V)、桥式整流电路D5-D8、稳压管D11(1W/3.3V)、电容C4-C7、三端稳压器U3等构成+5V和+12V内部控制单元电源。电流互感器U1、电流/电压变换器（电阻R1、电容C2、二极管D1、D2和集成运放U2等）和电压比较器（电阻R4、R5、电位器R6和集成运放U4等）等组成电流检测接口13。通断电继电器J1、二极管D3、三极管Q1、电阻R7、继电器J2、二极管D4、三极管Q2、电阻R8、断电按键开关K2等组成插座通断电接口14，用以控制多孔插座单元S1和控制单元电源15的通电/断电。电阻R9和发光二极管D9是控制单元电源15工作指示电路；电阻R10和发光二极管D10是多孔插座单元S1通电指示电路。电阻R3、电容C3是单片机上电复位电路。单刀多掷开关K3是“通电时间设置开关4”，用于设置多孔插座单元S1的上电的时刻，单刀多掷开关K4是“断电时间设置开关5”，下称模式转换开关，用于设置插座板的工作模式。

为了提高电流互感器U1的线性度、负载能力和便于单片机16对检测信号的识别，电流检测接口13中分别采用了一个电流/电压变换器和一个电压比较器先后对检测信号进行处理。根据对插座板负载要求和反复实验，确定了电流/电压变换器中的反馈电阻值和电压比较器中的基准电压值。

选取一种型号为TA21C11-5A/2.5mA的初级单匝穿心式电流互感器作为电流检测元件，其额定最大初级电流为15A，初次级电流比是2000，它的初级线圈与J1的常开触点J1-2串联在外部电器的通电回路中。

当初级电流为15A时，根据初次级电流比，互感器输出检测电流应为7.5mA，则为使U2的输出不超过+5V，通过计算：R=U/I=5V/0.0075A=666.67Ω,取R1=680Ω。

根据相关资料和实际测量可知，一般情况下外部电器的待机功耗在50W以下。所以取50W作为装置动作的参考点来计算比较器的基准电压值。通过公式：P=I•U•COSФ，取P=50W，U=220V, COSФ=0.8，则I=50W/(220V•0.8)=0.284A，而互感器此时的输出检测电流为:0.284A/2000=0.000142A，电流/电压变换器的输出电压为：0.000142A•680Ω=0.096V，于是比较器的基准电压值取为0.1V。为使基准电压值在0.1V附近能有一定范围的调整，根据电阻分压器原理，取R5=20K，R6=680Ω（电位器），基准电压的最大值是：[0.68K / (20K +0.68K)] •5V=0.16V，其可调整范围为：0V-0.16V。通过对电位器R6的调整，可以使电压比较器在检测到插座S所带负载功耗小于或等于50W时，其输出端从“1”电平变为“0”电平；反之，则从“0”电平变为“1”电平。这就为单片机16提供了动作的依据。

从本插座板的4种个工作模式的运行过程来叙述其工作原理。

常规模式：插座板三相市电插头P1插上市电，按动一下通电按键开关9“K1”按键，变压器T1得电，控制单元电源15开始向控制电路供电，红色控制单元LED指示灯D9点亮，单片机U5运行程序，通过P3.4脚输出“1”电平经电阻R8使开关三极管Q2导通，继电器J2得电，其上的常开触点J2-1、J2-2闭合，使控制单元电源15自锁在通电状态；同时U5通过P3.3脚输出“1”电平经电阻R7使开关三极管Q1导通，继电器J1得电，其上的常开触点J1-1、J1-2闭合，使S1通过电流互感器U1接通市电，绿色插座通电LED指示灯D10点亮，完成S1的上电自锁，插座板进入通电状态。当需要退出插座板通电状态时，按动一下断电按键开关“K2”按键，使开关三极管Q2基极为“0”电平，Q2截止，继电器J2失电，其上的常开触点J2-1、J2-2断开，变压器T1失电，电控制单元电源15失电，导致整个控制电路失电，继电器J1失电，其上的常开触点J1-1、J1-2断开，D9、D10指示灯熄灭，使S1断开市电，完成S1的手动断电。

立即断电模式：按动“K1”按键，S1上电自锁，插座板进入通电状态，U5运行程序，在3分钟内根据电流检测接口13送到单片机P3.2脚上的信号电平为“1”（有电器开机运行）或“0”（无电器或停机或处于待机状态）来判断是否有电器开机，如果3分钟内无电器开机运行，3分钟到时单片机U5将从P3.4脚输出“0”电平，使开关三极管Q2基极为“0”电平，Q2截止，完成S1的自动断电；如3分钟内有电器开机运行，S1将在单片机程序控制下继续通电；一旦单片机检测到P3.5脚上的信号电平为“0”时（即电器停机或处于待机状态）便立即从P3.4脚输出“0”电平，随即完成S1的自动断电。

延时断电模式：工作原理与立即断电模式基本相同，不同点在于：S1上电自锁后，如3分钟内有电器开机运行，S1将在单片机程序控制下继续通电，一旦单片机检测到P3.5脚上的信号电平为“0”时（即电器停机或处于待机状态）不会立即从P3.4脚输出“0”电平，而是启动对单片机P3.5脚信号的3分钟检测程序；如3分钟内有电器重新开机运行，S1将在单片机程序控制下继续通电；如果3分钟内无电器重新开机运行，3分钟到时，单片机再从P3.4脚输出“0”电平， S1将在单片机程序控制下完成自动断电。

定时器模式：即定时上电定时断电工作模式，与接在插座板上的电器的运行状态无关。此模式下K3处于非“0”位置，K4处于非“0、1、2”等三个位置；在按动“K1”按键后，在单片机程序控制下，使控制单元电源15自锁在通电状态，红色LED指示灯D9点亮，表示整个控制电路板处于工作状态。此时单片机程序再通过对K3位置的识别，确定定时时间，当定时时间到时，通过单片机P3.3脚输出“1”电平，使S1上电自锁，插座板进入通电状态，绿色LED指示灯D10点亮；然后单片机程序再通过对K4位置的识别，确定定时时间，当定时时间到时，通过单片机P3.4脚输出“0”电平，完成S1的自动断电。

插座板在以上任何一种工作模式通电的情况下，按动“K2”按键都可使插座板断电，同时切断对控制电路的供电，断电状态下插座板的功耗为零。

本发明基于单片机的控制电路板嵌入到通用市电插座盒内，使其在保留通用市电电源插座板功能的基础上增加了监测电器待机状态、限定电器待机时间、插座板定时通断电等功能；通过常规模式、立即断电模式、延时断电模式和定时器模式等四种工作模式来满足不同的使用需求；具有操作简单、稳定可靠、功耗小、成本低、适用范围广等特点，能有效降低因电器长期处于待机状态造成的电能损失。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种多工作模式节能电源插座板的电路结构，其特征在于：包括主电路和控制电路，主电路包括三相市电插头P1及串接在三相市电插头P1两端的继电器J1上的两个常开触点J1-1、J1-2和与常开触点J1-1、J1-2连接的多孔插座单元S1，控制电路包括单片机U5、电流互感器U1、电流/电压变换器U2、电压比较器U4、单刀多掷开关K3、单刀多掷开关K4，单片机U5采用P89C51，三相市电插头P1上的一端与电流互感器U1输入端、熔断电阻RF1和继电器J1上常开触点J1-2顺次串接后连接到多孔插座单元S1的一端；三相市电插头P1上的另一端通过继电器J1上常开触点J1-1连接到多孔插座单元S1的另一端；电流互感器U1输出端通过依次连接的电流/电压变换器U2、电压比较器U4连接到单片机U5，单刀多掷开关K3和单刀多掷开关K4连接到单片机U5上；控制电路还包括与三相市电插头P1两端分别串联的继电器J2上的两个常开触点开关J2-1、J2-2以及双触点联动通电按键开关K1；双触点联动通电按键开关K1的两个触点开关分别与继电器J2上的两个常开触点开关J2-1、J2-2并联后连接到降压变压器T1初级绕组的两个输入端，降压变压器T1的次级绕组连接到由四个整流二级管D5-D8组成的桥式整流电路上，桥式整流电路的正极电压输出端经串接的稳压二级管D11连接到三端稳压器U3的输入端，三端稳压器U3的输入端口并联两个滤波电容C6、C7，三端稳压器U3的输出端口并联两个滤波电容C4、C5；降压变压器T1、整流二级管D5-D8、稳压二极管D11、滤波电容C4、C5、C6、C7和三端稳压器U3构成+5V和+12V内部控制电路电源，桥式整流电路D5-D8的正极电压输出端还连接到继电器J1和继电器J2，继电器J1通过三极管Q1连接到电阻R7，继电器J2通过三极管Q2连接到电阻R8，电阻R7和电阻R8分别连接到单片机U5的P3.3口和P3.4口，三极管Q2的发射极和基极间连接有断电按键开关K2；插座板工作方式的选择权交给用户，用户在四种不同的工作模式下选择，四种工作模式是：

（1）常规模式：插座板的三相市电插头P1插上市电，按动一下双触点联动通电按键开关K1，插座进入通电状态，断电受断电按键开关K2控制；

（2）立即断电模式：按动双触点联动通电按键开关K1，插座进入通电状态，3分钟内如无电器启动，插座自动断电，如有电器启动，插座将在电器进入待机或关机状态时，立即断电；

（3）延时断电模式：按动双触点联动通电按键开关K1，插座进入通电状态，3分钟内如无电器启动，插座自动断电，如有电器启动，插座将在电器进入待机或关机状态后延时3分钟自动断电；如在该3分钟内又有电器重新启动，延时断电取消，插座将继续通电；

（4）定时器模式：按动双触点联动通电按键开关K1，通过对单刀多掷开关K3位置的识别，控制插座延时上电的时间，通过对单刀多掷开关K4位置的识别，控制插座保持通电状态的时间。

2.根据权利要求1所述的一种多工作模式节能电源插座板的电路结构，其特征在于：降压变压器T1初级绕组输入端并接有电阻R9和发光二极管D9，多孔插座单元S1两输出端并接有电阻R10和发光二极管D10。

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