CN204335015U - 一种支持无线双向通信的单火开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种支持无线双向通信的单火开关，涉及电子开关领域。所述支持无线双向通信的单火开关包括过零检测电路、可控硅开关电路、降压稳压电路、单片机和无线接收电路，进一步地，还包括关态供电电路、开态供电电路、无线发送电路、可充电电池和充电电路。所述关态供电电路和开态供电电路用于单火取电，取得的电供给单片机和无线接收电路；所述充电电路，用于给可充电电池充电，其输入端连到关态供电电路和开态供电电路的输出端，而可充电电池则用于给无线发送电路单独供电。本实用新型解决了传统无线单火开关因单火取电电路取电功率不足而导致不支持双向通信的问题，实现了在无线单火开关上可以进行无线接收与发送的功能。

Description

一种支持无线双向通信的单火开关

技术领域

    本实用新型涉及电子开关领域，尤其涉及一种可用于无线双向通信的单火开关。

背景技术

如图1所示，传统电灯的开关电路的一般都是单火线的，即开关处只有火线入和火线出，没有零线，这种开关一般只适合装机械开关。机械开关的好处在于简单，缺点却十分明显，就是相比电子开关，机械开关的功能单一，例如，电子开关可以实现电容式触摸开关，还可以实现RF无线遥控开关或红外遥控开关，并且有了当开关电路有了遥控功能之后，还可以轻松实现开关电路之间的联动。

电子开关相比于机械开关，其功能强大，但需要用到一个单火取电的技术。当前，单火取电电路有很多种，有些效率高一些，有些效率低一些。但是即使是效率高的单火取电电路，都还是存在取电功率不足的问题。这是因为，在现今LED灯为主流的年代，电灯的功率往往只有5W或3W，甚至有的只有1W。对一个只有3W 的LED灯进行单火取电，即使效率很高的单火取电电路，也只能取到几毫安的电流。这区区几毫安电流，仅仅足够供应单片机工作、无线接收电路和继电器（或可控硅）工作，而无法供应发送电流需要在4mA以上的无线发送电路工作。

因为单火取电功率不足的原因，当前市面上的支持无线通信的单火开关都是只有无线接收功能的单向开关，而做不到无线双向通信，即做不到同时无线接收和无线发送。

只能无线接收的单火开关，用作普通的灯光遥控和联动是没有问题的，但是用在智能家居系统中，则有很大的问题。智能家居系统一般都具备智能机对家里的电灯进行遥控的功能。其一般的实现过程是，智能机通过WIFI网络等发送指令到中控主机，中控主机再发送无线指令给单火开关，实现手机遥控。但是，因为无线单火开关因为不提供无线发送，因而，智能机就无法获得单火开关的状态，这使智能家居系统受到了很大的限制。

为了解决这个问题，有的智能家居厂家不得不增加监控摄像头来监控灯的状态，而更多的厂家却不得不放弃无线单火开关，改为无线零火开关，即增加一条零线，以解决单火供电不足的问题。增加监控摄像头来监控灯的状态的做法，无疑是很无奈的做法；而把单火开关改为零火开关，不仅舍弃了单火开关结构简单方便等好处，还增加了大量的布线成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题而提出一种支持无线双向通信的单火开关；该支持无线双向通信的单火开关解决了传统无线单火开关因单火取电电路取电功率不足而导致不支持双向通信的问题，实现了在无线单火开关上可以进行无线接收与发送的功能。

       本实用新型的技术方案如下：

本实用新型为一种支持无线双向通信的单火开关，包括过零检测电路、可控硅开关电路、降压稳压电路、单片机和无线接收电路，进一步地，还包括关态供电电路、开态供电电路、无线发送电路、可充电电池和充电电路；

所述关态供电电路，其取电输入端与火线L相连，输出端与降压稳压电路的输入端相连；

所述开态供电电路，其取电输入端与火线L相连，输出端与降压稳压电路的输入端相连；

所述降压稳压电路，将关态供电电路和开态供电电路从火线L中取得的电进行降压稳压处理后供给单片机和无线接收电路，降压稳压电路的输出端与单片机的电源输入端和无线接收电路的电源输入端相连；

所述过零检测电路，其输入端与火线L相连，输出端与单片机的第一IO端口相连；

所述单片机的第二IO端口与无线接收电路的信号输出端相连，单片机的第三IO端口与无线发送电路的信号输入端相连；单片机的第四IO端口与可控硅开关电路的信号输入端、开态供电电路的信号输入端相连，单片机根据根据过零检测电路检测到的信号，通过第四IO端口输出一个开关信号到可控硅开关电路的信号输入端和开态供电电路的信号输入端，来决定可控硅开关电路的开闭以及开态供电电路是否取电；

所述无线发送电路，由可充电电池供电，其电源输入端与可充电电池的输出端相连；

所述可充电电池，由充电电路对其进行充电，其输入端与充电电路的输出端相连；

所述充电电路，其输入端与关态供电电路、开态供电电路的输出端相连；充电电路包括二极管D10，其中二级管D10的阳极为充电电路的输入端；在充电电路中，二极管D10的阴极与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端连接有两条支路，一条支路为接地电容C13，另一条支路为接地稳压二极管D12，其中，稳压二极管D12的阳极接地；充电电路还包括一个由稳压二极管D11和电阻R13组成的串联电路，此串联电路并接在电阻R12两端，其中稳压二极管D11的阴极与二极管D10的阴极相接；稳压二极管D12的两端为充电电路的输出端，可充电电池的正极与稳压二极管D12的阴极相连，可充电电池的负极与稳压二极管D12的阳极相连。

进一步地，所述可控硅开关电路的电源输入端与火线L相连，输出端与负载的一端相连，负载的另一端与零线N相连。

较优地，本实用新型还包括一个用于隔离可控硅开关电路开闭时产生的高次谐波信号以避免干扰电网的安全电路；所述安全电路由电感L1、电容C1和保险丝ST1组成，其输入端与火线L相连，火线L经过一个由电感L1和电容C1组成的并联电路后，与保险丝ST1的一端相连，保险丝ST1另一端为安全电路的输出端，其与可控硅开关电路的电源输入端相连，可控硅开关电路的输出端与负载的一端相连，负载的另一端与零线N相连。

较优地，可充电电池为小功率的可充3.6V的锂电池。

较优地，所述无线接收电路、无线发送电路与外界通信方式为射频通信、蓝牙通信或ZIGBEE通信。

本实用新型的有益效果：

1、通过可充电电池单独给无线发送电路供电，解决了传统单火取电电路取电功率不足而导致无法给无线发送电路供电的问题，实现了无线单火开关的双向通信；

2、可充电电池单独给无线发送电路供电的方式，供电充足且稳定，使无线发送电路发送的信号强和稳定，易于外界接收；

3、将关态供电电路和开态供电电路的输出端与充电电路相连，进而对可充电电池进行充电，电路结构简单，且使本实用新型十分方便，不用不停地更换电池。      

附图说明

图1为传统的单火开关电路；

图2为本实用新型的原理框图；

图3为充电电路的原理图；

图4为安全电路的原理图；

图5为关态供电电路和过零检测电路的原理图；

图6为开态供电电路和可控硅开关电路的原理图；

图7为降压稳压电路的原理图；

图8为无线接收电路的接线图；

图9为单片机的接线图。

具体实施方式

为了更好的说明本实用新型，现结合实施例与附图作进一步说明。

本实用新型为一种支持无线双向通信的单火开关。

如图1所示，本实用新型包括过零检测电路3、可控硅开关电路4、降压稳压电路5、单片机6和无线接收电路7，进一步地，还包括关态供电电路1、开态供电电路2、无线发送电路8、可充电电池9和充电电路10；

关态供电电路1，用于在本单火开关关闭期间从火线L中取电，其取电输入端与火线L相连，输出端与降压稳压电路5的输入端相连。

开态供电电路2，用于在本单火开关开启期间从火线L中取电，其取电输入端与火线L相连，输出端与降压稳压电路5的输入端相连。

降压稳压电路5，将关态供电电路1和开态供电电路2从火线L中取得的电进行降压稳压处理后供给单片机6和无线接收电路7，降压稳压电路5的输出端与单片机6的电源输入端和无线接收电路7的电源输入端相连。

过零检测电路3，其输入端与火线L相连，输出端与单片机6的第一IO端口相连。

单片机6的第二IO端口与无线接收电路7的信号输出端相连，单片机6的第三IO端口与无线发送电路8的信号输入端相连；单片机6的第四IO端口与可控硅开关电路4的信号输入端、开态供电电路2的信号输入端相连；单片机6根据根据过零检测电路3检测到的信号ZERO，通过第四IO端口输出一个开关信号SW到可控硅开关电路4的信号输入端和开态供电电路2的信号输入端，来决定可控硅开关电路4的开闭和开态供电电路2的是否取电。

无线发送电路8，由可充电电池9供电，其电源输入端与可充电电池9的输出端相连。

可充电电池9，由充电电路10进其进行充电，其输入端与充电电路10的输出端相连。

充电电路10，其输入端与关态供电电路1、开态供电电路2的输出端相连。

如图3所示，为实现充电电路10的一个电路原理图。应当理解，充电电路10有多种实现方式，此处的电路原理图仅为实现其的一个较优的电路原理图。充电电路10包括二极管D10，其中二级管D10的阳极为充电电路10的输入端；在充电电路10中，二极管D10的阴极与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端连接有两条支路，一条支路为接地电容C13，另一条支路为接地稳压二极管D12，其中，稳压二极管D12的阳极接地；充电电路10还包括一个由稳压二极管D11和电阻R13组成的串联电路，此串联电路并接在电阻R12两端，其中稳压二极管D11的阴极与二极管D10的阴极相接；稳压二极管D12的两端为充电电路10的输出端，可充电电池9的正极与稳压二极管D12的阴极相连，可充电电池9的负极与稳压二极管D12的阳极相连。图3中，地线参考为火线L。图3中M1为无线发送电路8的模块图。

无线发送电路7和无线发送电路8用于本实用新型来进行双向无线通信，关态供电电路1和开态供电电路2进行单火取电，取得的电通过降压稳压电路5进行降压稳压处理后供给单片机6和无线接收电路7；而可充电电池9则单独供给无线发送电路8，以保证其正常工作。

可控硅开关电路4，用于开闭负载，其电源输入端与火线L相连，输出端与负载的一端相连，负载的另一端与零线N相连。

较优地，为了隔离可控硅开关电路4开闭时产生的高次谐波信号以避免干扰电网，本单火开关还还包括一个用于隔离可控硅开关电路4开闭时产生的高次谐波信号以避免干扰电网的安全电路11。

如图4所示，安全电路11由电感L1、电容C1和保险丝ST1组成，具体地，安全电路11的输入端与火线L相连，火线L经过一个由电感L1和电容C1组成的并联电路后，与保险丝ST1的一端相连，保险丝ST1另一端为安全电路11的输出端，其与可控硅开关电路4的电源输入端相连，可控硅开关电路4的输出端与负载的一端相连，负载的另一端与零线N相连。

为了在智能家居系统中获得更广泛的应用，无线接收电路7、无线发送电路8与外界通信方式为射频通信、蓝牙通信、WIFI通信或ZIGBEE通信。

为了更好地说明本实用新型的技术方案，下面对几个重要的电路进行说明。

如图5所示，为关态供电电路1和过零检测电路3的原理图。为了提高单火取电的效率，关态供电电路1并没有采用简单的阻容分压取电，而是采用了变压器降压来取电的方式。图中，地线参考为火线L，即GND相当于火线L输入。GND2是对应二极管D2产生的负压，可以通过检测GND2，当检测到过压时，通过光电耦合器U2来关断三极管Q1。OUT相当于火线L输出。

变压器T1的1、2绕组为初级，8、6绕组取得的电压通过二极管D1整流后输出为关态供电电源VDD_S，此为关态供电电路1的输出端。电阻R5、稳压二极管D3和光电耦合器U2组成的负反馈电路将VDD_S稳定在7V左右，其中，变压器T1的3、4绕组取得的电压通过二极管D2整流后输出负压，以供光电耦合器U2负反馈动作时，关断三极管Q1，达到稳压的目的。

电阻R14和电阻R15配合单片机6的IO口中内置的钳位二极管，实现过零检测。

如图6所示，为开态供电电路2和可控硅开关电路4的原理图，其中地线参考为火线L，即GND相当于火线L输入，GND1是双向可控硅SR1的参考地。

单片机6根据过零检测电路4输出的信号ZERO，通过第四IO端口来输出一个开关信号SW到开态供电电路2的信号输入端和可控硅开关电路4的信号输入端，来决定可控硅开关电路4的开闭和开态供电电路2是否取电。

当光电耦合器U3未导通时，光电耦合器U3的工作电源由电容C6上的产生的电源VCC_1来提供，具体地，通过桥式整流电路U4和电阻R6对电容C6进行充电以产生电源VCC_1，因为电阻R6的阻值很大，故电容C6需要充电一段时间，其产生的电源VCC_1才能供光电耦合器U3正常工作。

当光电耦合器U3正常工作时，单片机6的第四IO端口输出开关信号SW来控制光电耦合器U3的通断。光电耦合器U3的阴极与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端为开态供电电路2的信号输入端和可控硅开关电路4的信号输入端。

在火线L中的交流电过零时，单片机6的第四IO端口输出开关信号SW使光电耦合器U3导通，此时单向可控硅Q2导通，并通过二极管D5整流以继续给电容C6充电；同时，通过二极管D7整流以产生开态供电电源VDD_F，此为开态供电电路2的输出端。

在光电耦合器U3过交流零点导通时，交流电压为0V，此时，电阻R11上的压降不足以使双向可控硅SR1导通，随着交流电压的值不断增加，电阻R11上的压降亦不断增加，稳压二极管D6导通，双向可控硅SR1导通，从而GND与OUT之间的压差为0，则单向可控硅Q2不再工作，即不再给电源VCC_1和开态供电电源VDD_F供电，此时，本实用新型需要靠电容C6储存的电能来继续工作。这时，虽然双向可控硅SR1的控制极已无控制电压，但双向可控硅SR1可以继续保持导通状态，直接交流翻转。

如图7为降压稳压电路5的原理图。关态供电电源VDD_S和开态供电电源VDD_F接到降压稳压电路5的输入端，经过降压稳压电路5的降压稳压处理后，变为3V直流电，以供给单片机6和无线接收电路7工作。

图8、图9分别为无线接收电路7的接线图、单片机6的接线图，结合图3来看，单片机6选用普通的8位单片机即可，本实用新型用到了单片机6中的四个IO端口，如接线端子P2所示，接线端子P2的第2管脚与无线发送电路8的信号输入端相连，接线端子P2的第3管脚与无线接收电路7的信号输出端相连，接线端子P2的第4管脚与开态供电电路2的信号输入端、可控硅开关电路4的信号输入端相连，接线端子P2的第6管脚与过零检测电路3的输出端相连。对应地，接线端子P2的第2管脚与单片机6的第三IO端口相连；接线端子P2的第3管脚与单片机6的第二IO端口相连；接线端子P2的第4管脚与单片机6的第四IO端口相连；接线端子P2的第6管脚与单片机6的第一IO端口相连。

综上所述，在图3中，当处于关态供电时，充电电路10中的VDD电压为7V，此时，稳压二极管D11截止，通过二级管D10和电阻R12给可充电电池9充电，其中调整电阻R12的阻值，保证充电电流在0.5mA以下，从而保证关态供电电路1能正常取电供电。当处于开态供电时，VDD的电压大于7V，此时，稳压二极管D11反向导通，可以通过电阻R13以较大的电流给可充电电池9充电。稳压二极管D12为4.2V，以保证可充电电池9不会被过充。当无线发送电路8不工作时，即本实用新型不需要发送无线信号时，可充电电池9不会耗电。可充电电池9可选用小功率的可充3.6V的锂电池，如果采用镍氢、镍铬充电池，虽然成本较低，但它们有较强的充电记忆效应，容易失效；另外，如果采用功率较大的锂电池，其自放电电流也会比较大，需要更大的充电电流才能完成充电，容易给本已供电不足的单火供电增加更多的负担。

Claims (5)

1.一种支持无线双向通信的单火开关，包括过零检测电路（3）、可控硅开关电路（4）、降压稳压电路（5）、单片机（6）和无线接收电路（7），其特征在于：还包括关态供电电路（1）、开态供电电路（2）、无线发送电路（8）、可充电电池（9）和充电电路（10）；

所述关态供电电路（1），其取电输入端与火线L相连，输出端与降压稳压电路（5）的输入端相连；

所述开态供电电路（2），其取电输入端与火线L相连，输出端与降压稳压电路（5）的输入端相连；

所述降压稳压电路（5），将关态供电电路（1）和开态供电电路（2）从火线L中取得的电进行降压稳压处理后供给单片机（6）和无线接收电路（7），降压稳压电路（5）的输出端与单片机（6）的电源输入端和无线接收电路（7）的电源输入端相连；

所述过零检测电路（3），其输入端与火线L相连，输出端与单片机（6）的第一IO端口相连；

所述单片机（6）的第二IO端口与无线接收电路（7）的信号输出端相连，单片机（6）的第三IO端口与无线发送电路（8）的信号输入端相连；单片机（6）的第四IO端口与可控硅开关电路（4）的信号输入端、开态供电电路（2）的信号输入端相连，单片机（6）根据根据过零检测电路（3）检测到的信号，通过第四IO端口输出一个开关信号到可控硅开关电路（4）的信号输入端和开态供电电路（2）的信号输入端，来决定可控硅开关电路(4)的开闭以及开态供电电路(2)是否取电；

所述无线发送电路（8），由可充电电池（9）供电，其电源输入端与可充电电池（9）的输出端相连；

所述可充电电池（9），由充电电路（10）对其进行充电，其输入端与充电电路（10）的输出端相连；

所述充电电路（10），其输入端与关态供电电路（1）、开态供电电路（2）的输出端相连；

充电电路（10）包括二极管D10，其中二级管D10的阳极为充电电路（10）的输入端；在充电电路（10）中，二极管D10的阴极与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端连接有两条支路，一条支路为接地电容C13，另一条支路为接地稳压二极管D12，其中，稳压二极管D12的阳极接地；充电电路（10）还包括一个由稳压二极管D11和电阻R13组成的串联电路，此串联电路并接在电阻R12两端，其中稳压二极管D11的阴极与二极管D10的阴极相接；稳压二极管D12的两端为充电电路（10）的输出端，可充电电池（9）的正极与稳压二极管D12的阴极相连，可充电电池（9）的负极与稳压二极管D12的阳极相连。

2.如权利要求1所述的支持无线双向通信的单火开关，其特征在于：所述可控硅开关电路（4）的电源输入端与火线L相连，输出端与负载的一端相连，负载的另一端与零线N相连。

3.如权利要求1所述的支持无线双向通信的单火开关，其特征在于：还包括一个用于隔离可控硅开关电路（4）开闭时产生的高次谐波信号以避免干扰电网的安全电路（11）；所述安全电路（11）由电感L1、电容C1和保险丝ST1组成，其输入端与火线L相连，火线L经过一个由电感L1和电容C1组成的并联电路后，与保险丝ST1的一端相连，保险丝ST1另一端为安全电路（11）的输出端，其与可控硅开关电路（4）的电源输入端相连，可控硅开关电路（4）的输出端与负载的一端相连，负载的另一端与零线N相连。

4.如权利要求1所述的支持无线双向通信的单火开关，其特征在于：可充电电池（9）为小功率的可充3.6V的锂电池。

5.如权利要求1所述的支持无线双向通信的单火开关，其特征在于：所述无线接收电路（7）、无线发送电路（8）与外界通信方式为射频通信、蓝牙通信或ZIGBEE通信。