CN202231253U - 一种智能化多功能插座 - Google Patents

Abstract

一种智能化多功能插座，该插座的温度检测模块、电流检测模块、电压检测模块和状态显示模块分别与单片机管理模块相连，并由电源模块供电，继电器的常闭开关两引脚串联在所述智能化多功能插座的插孔与外部火线之间。智能化多功能插座是在普通插座的基础上，增加了电流、电压、插座负载的瞬时功率、温度测量、定时通断功能，具有故障和异常检测与保护功能，能对插座、用电器的工作状态进行实时监测与保护，在家用电器停止工作后自动断电，节约用电，功耗低，整机功耗小于0.5W。

Description

一种智能化多功能插座

技术领域

本实用新型涉及一种智能化多功能插座及其实现方法，实现对家用电器的智能监测和控制。属于电气技术与信息处理技术的结合。 

背景技术

插座已成为人们日常生活中的必需品，广泛用于家庭和公共场所。传统的插座仅仅具有通断的功能，无法对各种故障进行检测和保护措施，无法实现定时功能，插座的安全性和实用性常常困扰着用户。一旦插座或家用电器出现故障，将很有可能引起触电、火灾等事故，对人们的生命和财产带了威胁。同时，很多用户在使用完家用电器后没有立刻拔离插孔的习惯，致使家用电器在关机后仍然处于断电状态，一方面浪费电能，另一方面也因为长时间通电引起发热，进而引发火灾。这就需要一种成本低廉，操作简单，安全可靠的智能化多功能插座。 

发明内容

为了避免现有插座带来的各种问题，本实用新型提供一种智能化多功能插座及其实现方法，该插座具有温度、电压、电流检测、定时、故障和异常的诊断与恢复、节电保护等多种智能功能。 

本实用新型的技术方案是： 

智能化多功能插座包括单片机管理模块、电源模块、温度检测模块、电流 检测模块、电压检测模块以及状态显示模块，其连接关系是：温度检测模块、电流检测模块、电压检测模块和状态显示模块分别与单片机管理模块相连，并由电源模块供电。继电器的常闭开关两引脚串联在智能化多功能插座的插孔与外部火线之间，单片机通过I/O口的高低电平切换实现插座的通断电控制。 

单片机作为智能化多功能插座的控制核心，处理各检测信号和键盘输入值，在数码管上显示其处理结果，对系统进行定时，实现各故障检测与恢复算法和自动节电处理。 

故障与异常检测算法： 

智能化多功能插座的故障有短路、漏电。 

短路故障检测算法： 

当某一路插孔的电流大于最大电流阈值，同时电流变化幅度过大，则诊断为出现短路故障，单片机立即通过继电器切断回路，保护智能化多功能插座，同时通过蜂鸣器告诉用户插座出现故障，在显示器中显示故障原因和故障类别。 

短路故障恢复算法： 

若用户插入其他电器，工作正常，则可诊断短路故障来源于用电器。智能化多功能插座正常，故障标志清除。智能化多功能插座恢复正常工作。 

若用户插入其他电器，继续出现短路故障，同时用电器在其他插孔正常，则可诊断故障来源于智能化多功能插座本身。故障标志保持。在故障标志消除以前此故障插孔一直处于断开状态。 

漏电故障的检测算法： 

正常情况是，火线电流大小IL应等于零线电流IN大小。若火线电流IL与零线电流IN的差值大于最大阈值，则诊断出现了漏电故障。单片机立即通过继电 器切断所有回路，同时通过蜂鸣器告诉用户智能化多功能插座出现故障，在显示器中显示故障原因和故障类别。 

漏电故障恢复算法： 

若用户其他电器，智能化多功能插座工作正常，则可诊断短路故障来源于用电器。故障标志清除，智能化多功能插座恢复正常工作。 

若用户其他电器，继续显示断路故障，则可诊断故障来源于智能化多功能插座本身。故障标志保持，在故障修复前智能化多功能插座将切断所有回路。 

异常状态有温度异常和电压异常。 

若检测温度大于用户设置最大正常温度值，且持续时间大于t₁，智能化多功能插座将诊断为温度过高。 

若检测最大电压大于最大阈值，且持续时间大于t₂，智能化多功能插座将诊断为电网电压过高。 

若检测最大电压小于最大阈值，且持续时间大于t₃，智能化多功能插座将诊断为电网电压过低。 

若检测电压变化率大于最大阈值，且持续时间大于t₄，智能化多功能插座将诊断为电网电压不稳。 

以上异常状态，智能化多功能插座将自动切断继电器开关，直至各信号正常，自动恢复各插孔的连接工作，异常标志自动清除。 

节电算法 

节电判断法则1 

每次用电器工作5分钟后，进行节电判断，采集电流I(i)(i为采样次数)小于最小正常工作电流I_min，且持续时间大于1分钟，则判断为用电器已停止工作， 智能化多功能插座切断对应插孔。实现节电保护。 

节电判断法则2 

若电流值I(i)小于节电电流I_k且持续时间大于1分钟，则判断为用电器已停止工作。智能化多功能插座切断对应插孔，实现节电保护。 

本智能化多功能插座的故障与异常检测算法能够对短路故障、漏电故障进行自动判断、保护与恢复，能够对电网异常、温度异常、电流异常这些异常状况进行保检测与保护。 

本智能化多功能插座的节电处理功能能够在某些电器停止工作但没有拔离插头时切断开关，实现节电与保护。 

本实用新型的有益效果是： 

具有定时功能，能使用户更方便更高效地控制家用电器，实现电器设备的智能化，提高人们的生活效率。 

具有检测故障与异常的检测、判断与恢复功能，提高电器使用的安全性和便捷性。

具有节电保护功能，能够实现电器停驶工作后的节电与保护措施。 

附图说明

图1为本实用新型的结构框图 

图2是本实用新型的电压信号采集与调理模块电路图 

图3是本实用新型的电流信号采集与调理模块电路图 

图4是本实用新型的开关驱动模块电路图 

图5是本实用新型程序流程图 

具体实施方式

本实用新型的硬件原理框图如图1所示，各部分如图2、图3、图4、图5所示。 

智能化多功能插座硬件系统主要由状态检测模块、单片机管理模块和电源模块组成。智能化多功能插座的检测模块包括三个部分：温度检测、电流检测和电压检测。 

单片机选用STC12C5A08S2。 

电源模块采用电容降压原理，电源由接头引入220V交流电压，经过4.7μF聚丙烯电容降压。经二极管半波整流，12V稳压二极管稳压，最后经稳压芯片7805输出稳定5V直流电压。 

电路中并联了压敏电阻MYN15-681K，可防止供电电网中出现的过高浪涌电压和雷击对智能化多功能插座的伤害。 

电压信号的采集利用电阻分压的原理，如图2所示。电网电压经电阻R1、R2分压变为的0～5V电压信号，经二极管半波整流，再经RC低通滤波，截止频率 

$f=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}}$

最后将直流电压V(t)送至单片机A/D转换输入口。 

电流信号的采集利用欧姆定律 

U＝RI 

将大电流信号转化成小电压信号。如图3所示，电流信号I(t)经阻值为阻值为0.01～0.05欧姆的精密小电阻转化为电压信号U(t)，再经运算放大器LM324单级负反馈放大，电压增益 

$A_{\mathrm{UF}}=\frac{-R3}{R2}$

RC低通滤波后将电压U(t)送至单片机A/D转换输入口。 

电流、电压采样与调理已经分别把电流、电压信号转化为0～5V的直流电压信号。 

为防止单次取样造成的误差，采用均值滤波的方法求得每一次的有效值。电流电压的周期为20ms，每隔1ms单片机进行一次电压电压采样，得到V(j)、I(j)。 

第i次有效采样值V(i) 

$V\left(i\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{100}{\mathrm{\Σ}}}V\left(j\right)}{100}$

电流数据处理方法与电压相同。 

温度信号的采集选用美国Dallas公司生产的数字温度传感器DS18B20。 

系统定时通过DALLAS公司的时钟芯片DS1302实现。 

开关驱动模块的功能是实现弱电对强电的控制。如图4所示，单片机输出电平的变化切换继电器的工作状态，实现对家用电器的开、关控制。继电器采用12V继电器JQC-3F，在输出端接入NPN三极管8050，增强其驱动能力。 

主程序流程图如图5所示。程序设计采用模块化结构，主要有信号采集和处理模块、键盘管理模块、定时模块、故障与异常处理模块、节电模块。 

智能化多功能插座上电后，系统进行初始化。初始化程序主要是设置单片机各端口的工作状态，读取EEPROM中的数据。系统初始化之后进入主循环，进行状态检测，即温度、电流、电压检测，在数码管上显示检测结果。同时单片机对智能化多功能插座进行故障与异常检测判断，实现对智能化多功能插座的智能控制。 

按键通过中断响应，用户可通过四位按键设置定时开关时间、是否开启节电 功能，最大正常温度值等信息。 

故障与异常判定算法 

短路故障的检测算法： 

当某一路插孔的电流I(i)大于I_max(I_max＝15A)，且满足 

$\frac{I(i+1)-I\left(i\right)}{I\left(i\right)}>300\%$

则诊断为出现短路故障，单片机立即通过继电器切断回路，保护插座，同时通过蜂鸣器告诉用户插座出现故障，在显示器中显示故障原因和故障类别。 

漏电故障检测算法： 

正常情况是，火线电流大小I_L应等于零线电流I_N大小。若火线电流I_L与零线电流I_N的差值 

I_L-I_N＞0.01A 

则诊断为出现短漏电故障，单片机立即通过继电器切断回路，保护智能化多功能插座，同时通过蜂鸣器告诉用户插座出现故障，在显示器中显示故障原因和故障类别。 

异常状态主要有温度异常和电压异常。 

若检测温度大于用户设置最大正常温度值，且持续时间大于3s，智能化多功能插座将为诊断为温度过高。 

若 

V(i)＞260V 

且持续时间大于3s，多功能插座将诊断为电网电压过高。 

若 

V(i)＜180V 

且持续时间大于3s，多功能插座将诊断为电网电压过低。 

如电压的变化波动 

|V(i)-V(i+1)|＞30V 

且持续时间大于3s，多功能插座将诊断为电网电压不稳。 

节电算法 

节电判断法则1 

每次用电器工作5分钟后，进行节电判断，采集电流I(i)(i为采样次数)，设置 

Imin＝I(1) 

若 

I(i)＜Imin 

$\frac{I\min -I\left(i\right)}{I\min }<20\%$

则 

Imin＝I(i) 

若满足 

$\frac{I\min -I\left(i\right)}{I\min }>80\%$

且续时间大于1分钟， 

则判断为用电器已停止工作，智能化多功能插座切断对应插孔，实现节电保护。 

节电判断法则2 

若电流值I(i)小于I_k(I_k＝0.005A)，且持续时间大于1分钟，则判断为用电器已停止工作。智能化多功能插座切断对应插孔，实现节电保护。 

Claims (4)

1.一种智能化多功能插座，其特征在于，该插座由单片机管理模块、电源模块、温度检测模块、电流检测模块、电压检测模块和状态显示模块组成，温度检测模块、电流检测模块、电压检测模块和状态显示模块分别与单片机管理模块相连，并由电源模块供电，继电器的常闭开关两引脚串联在所述智能化多功能插座的插孔与外部火线之间。

2.根据权利要求1所述的智能化多功能插座，其特征在于，所述单片机型号为STC12C5A08S2。

3.根据权利要求1所述的智能化多功能插座，其特征在于，所述温度检测模块采用数字温度传感器DS18B20。

4.根据权利要求1所述的智能化多功能插座，其特征在于，所述电流检测模块利用阻值为0.01欧姆～0.05欧姆的电阻串联在用电回路上，将电流信号转化为电压信号，再经运算放大器LM324放大，送至单片机A/D转换输入口。

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