CN218217106U - 开放实验用电源管理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了开放实验用电源管理装置，包括主控单元、网络单元、供电单元及电源输出单元；电源输出单元包括继电器控制电路；继电器控制电路包括继电器、第一续流二极管、第二续流二极管、第一开关三极管、第二开关三极管、第一钳位电阻、第二钳位电阻；继电器的第一触点通过电能计量器接入火线输入端子，继电器的第二触点接入火线输出端子。本实用新型应用时，系统将相应的授权信息通过网络单元传输给主控单元，主控单元再向继电器控制电路发出相应的指令以执行实验台电源的开关操作，在执行过程中，电源输出检测电路将通断电情况实时反馈给主控单元。可见，本实用新型能高效、可靠、稳定地实现单个实验台的电源精细化管理。

Description

开放实验用电源管理装置

技术领域

本实用新型涉及电源管理技术领域，尤其是涉及开放实验用电源管理装置。

背景技术

目前，高校通常采用分散且封闭的方式管理实验设备，该方式需要大量的管理员，且管理员也需消耗大量时间和精力在管理及维护上。另外，实验设备的使用时间及使用条件受实验室管理的限制，无法为师生提供全天候且便捷的服务，这都将影响师生的体验感及实践效果。为有效节省管控成本并提升管控效率，已有部分高校对实验室的开放模式进行了探索，例如提供预约服务，师生可自主选择时间来进行实验。具体地，学生在网上预约实验台，通过学生卡刷卡自动打开相应的实验台电源，接着即可通电进行实验操作。可见，在开放式实验管理中，电源管理系统则起着至关重要的作用。而目前，应用于实验台的电源管理系统在运行可靠性及稳定性上仍具有较大的上升空间。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的上述问题，提供开放实验用电源管理装置。

本实用新型的目的主要通过以下技术方案实现：

开放实验用电源管理装置，包括主控单元、网络单元、供电单元及电源输出单元；

电源输出单元包括继电器控制电路；

继电器控制电路包括继电器、第一续流二极管、第二续流二极管、第一开关三极管、第二开关三极管、第一钳位电阻、第二钳位电阻；

继电器线圈的正极引脚接入到供电单元中直流电源的正极，继电器线圈的第一负极引脚通过反向连接的第一续流二极管接入到供电单元中直流电源的正极，继电器线圈的第二负极引脚通过反向连接的第二续流二极管接入到供电单元中直流电源的正极；

第一开关三极管的基极通过第一限流电阻接入主控单元的第一指令引脚，第一开关三极管的集电极接入第二续流二极管与继电器线圈的共接点，第一钳位电阻的一端接入第一限流电阻与主控单元的共接点；

第二开关三极管的基极通过第二限流电阻接入主控单元的第二指令引脚，第二开关三极管的集电极接入第一续流二极管与继电器的共接点，第二钳位电阻的一端接入第二限流电阻与主控单元的共接点；

第一开关三极管的发射极、第二开关三极管的发射极、第一钳位电阻的另一端、第二钳位电阻的另一端均接地；

继电器的第一触点接入火线输入端子，继电器的第二触点接入火线输出端子，火线输入端子处设置有电能计量器。

进一步地，所述电源输出单元还包括有与所述继电器控制电路输出端连通的电源输出检测电路；

电源输出检测电路包括光电耦合器及第三开关三极管；光电耦合器的阳极引脚依次通过第三限流电阻、整流二极管接入所述继电器第一触点的输出端，光电耦合器的阴极引脚接入零线输入端，光电耦合器的集电极通过第四限流电阻、发光二极管接入所述主控单元的检测引脚，光电耦合器与第四限流电阻的共接点接入到供电单元中直流电源的正极，光电耦合器的发射极通过第三钳位电阻接地，第三钳位电阻的两端并联有滤波电容，第三开关三极管的基极通过第五限流电阻接入光电耦合器与第三钳位电阻的共接点，第三开关三极管的基极集电极接入发光二极管与主控单元的共接点，滤波电容的一端接入光电耦合器与第四限流电阻的共接点，第三开关三极管的发射机接地。

进一步地，所述供电单元包括220V转12V转换电路、12V转5V转换电路、5V转3.3V转换电路及5V转3V3转换电路。

进一步地，所述网络单元包括有线网络单元；

有线网络单元包括CAN控制模块、CAN电平转换模块；

CAN电平转换模块通过隔离CAN接口与CAN控制模块相连。

进一步地，所述网络单元还包括无线网络单元；

无线网络单元包括Lora控制模块。

进一步地，所述电源输出单元包括两套所述继电器控制电路；

两套所述继电器控制电路中继电器的第一触点均通过同一所述电能计量器接入同一火线输入端子，两套所述继电器控制电路中继电器的第二触点分别接入两个火线输出端子。

进一步地，所述主控单元的芯片选用PIC24FJ64GA106-I/PT。

进一步地，所述继电器的芯片选用HFE10-2-12-HT-L2。

进一步地，所述电能计量器的芯片选用IM1281B。

进一步地，还包括与主控单元相连的存储单元，存储单元的芯片选用 AT24C02。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型应用时还配套有身份验证系统及系统管理平台，当使用者的身份和预约信息验证后，系统(配套的)将相应的授权信息通过网络单元传输给主控单元，主控单元再向继电器控制电路发出相应的指令以执行实验台电源的开关操作，在执行过程中，电源输出检测电路将通断电情况实时反馈给主控单元。另外，电能计量器可实时采集实验台的电流、电压信息，并通过网络单元将前述信息上传到系统管理平台，以供管理员查看及管理。可见，本实用新型能高效、可靠、稳定地实现单个实验台的电源精细化管理。

附图说明

图1为本实用新型所述的开放实验用电源管理装置的框架图；

图2为本实用新型所述的开放实验用电源管理装置中两套继电器控制电路的框架图；

图3为本实用新型所述的继电器控制电路1的电路图；

图4为本实用新型所述的电源输出检测电路1的电路图；

图5为本实用新型所述的继电器控制电路2的电路图；

图6为本实用新型所述的电源输出检测电路2的电路图；

图7为本实用新型所述的开放实验用电源管理装置中火线输入端子、电能计量器及火线输出端子的示意图；

图8为本实用新型所述的开放实验用电源管理装置中电能计量器的电路图；

图9为本实用新型所述的开放实验用电源管理装置中主控单元的电路图；

图10为本实用新型所述的开放实验用电源管理装置中CAN控制模块的电路图；

图11为本实用新型所述的开放实验用电源管理装置中CAN电平转换模块的电路图；

图12为本实用新型所述的开放实验用电源管理装置中隔离CAN接口的电路图；

图13为本实用新型所述的开放实验用电源管理装置中Lora控制模块的电路图；

图14为本实用新型所述的220V转12V转换电路的电路图；

图15为本实用新型所述的12V转5V转换电路的电路图；

图16为本实用新型所述的5V转3.3V转换电路的电路图；

图17为本实用新型所述的5V转3V3转换电路的电路图；

图18为为本实用新型所述的开放实验用电源管理装置中存储单元的电路图。

附图中附图标记所对应的名称为：1、主控单元，2、网络单元，3、供电单元，4、电源输出单元，5、存储单元，6、220V转12V转换电路，7、继电器控制电路，8、电源输出检测电路，9、12V转5V转换电路，10、5V转3.3V 转换电路，11、CAN控制模块，12、CAN电平转换模块，13、5V转3V3转换电路，14、隔离CAN接口，15、Lora控制模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型做进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1-18所示，开放实验用电源管理装置，包括主控单元1、网络单元2、供电单元3及电源输出单元4；

电源输出单元4包括继电器控制电路7；

继电器控制电路包括继电器、第一续流二极管D3、第二续流二极管D4、第一开关三极管Q1、第二开关三极管Q3、第一钳位电阻R7、第二钳位电阻 R11；

继电器线圈的正极引脚接入到供电单元3中直流电源的正极，继电器线圈的第一负极引脚通过反向连接的第一续流二极管D3接入到供电单元3中直流电源的正极，继电器线圈的第二负极引脚通过反向连接的第二续流二极管D4 接入到供电单元3中直流电源的正极；

第一开关三极管Q1的基极通过第一限流电阻R6接入主控单元1的第一指令引脚，第一开关三极管Q1的集电极接入第二续流二极管D4与继电器线圈的共接点，第一钳位电阻R7的一端接入第一限流电阻R6与主控单元1的共接点；

第二开关三极管Q3的基极通过第二限流电阻R10接入主控单元1的第二指令引脚，第二开关三极管Q3的集电极接入第一续流二极管D3与继电器的共接点，第二钳位电阻R11的一端接入第二限流电阻R10与主控单元1的共接点；

第一开关三极管Q1的发射极、第二开关三极管Q3的发射极、第一钳位电阻R7的另一端、第二钳位电阻R11的另一端均接地；

继电器的第一触点接入火线输入端子，继电器的第二触点接入火线输出端子，火线输入端子处设置有电能计量器M1。

本实施例中，如图9所示，所述主控单元1的芯片可选用 PIC24FJ64GA106-I/PT。PIC24FJ64GA106-I/PT的数据处理快，抗干扰能力强，保密性高，自带看门狗，使程序运行可靠性更高，且端口集成多，使硬件结构设计更简单、系统功耗大大降低，此外，直接与各个模块连接实现智能化与自动化一体结构。

如图3和图5所示，所述继电器可选用磁保持继电器，芯片可选用 HFE10-2-12-HT-L2，它具有能耗低、使用寿命长、负载能力强、仅需脉冲激励、安全可靠的优点。继电器控制电路接入的直流电源为12V。

如图7-9所示，所述电能计量器M1接入主控单元1的计量引脚上，电能计量器M1的芯片可选用IM1281B。继电器的第一触点可连接有穿过电能计量器M1的火线，该火线接入火线输入端子。如此，电能计量器M1可对通电信息进行采集。

如图7所示，T1为火线输入端子，T2为零线输入端子，T3为地线接线端子，T4和T5均为火线输出端子。

火线输出端子接入到电源插座上，电源插座可选用嵌入卡式电源插座。

本实施例应用时，还应配套有身份验证系统及系统管理平台，也即使用者可在实验室现场刷卡，系统通过验证身份和预约信息，并将相应的授权信息通过网络单元传输给主控单元1，主控单元1则会发出相应的指令打开相应的实验台电源。

如图3所示，在零位状态时，继电器的第一触点与第二触点则处于断开状态，相应地，火线输入端子与火线输出端子也处于断开状态，此时，电源输出端则处于断电状态。当刷卡成功后，主控单元1则会通过第一指令引脚向第一开关三极管Q1输出低电平，通过第二指令引脚向第二开关三极管Q3输出一个脉冲宽度大于等于50ms的脉冲，此时，继电器的第一触点与第二触点则处于闭合状态，相应地，火线输入端子与火线输出端子也处于连通状态，电源输出端则处于通电状态。使用者则可使用相应的实验设备。使用完毕后，使用者再次刷卡，通过网络单元2向主控单元1传输相应信息，主控单元1则会通过第一指令引脚向第一开关三极管Q1输出一个脉冲宽度大于等于50ms的脉冲，通过第二指令引脚向第二开关三极管Q3输出低电平，此时，继电器的第一触点与第二触点则重新断开，相应地，火线输入端子与火线输出端子也断开，电源输出端则重新处于断电状态。

其中，第一续流二极管D3、第二续流二极管D4可防止电路中电压电流的突变，为反向电动势提供耗电通路；第一钳位电阻R7、第二钳位电阻R11可保证电平与地平面一致，避免出现误启动的情况。各限流电阻的设置可起到限流作用，避免器件电压输出端输出过高的电流而损伤电器件。

另外，电能计量器M1可实时采集实验台的电流、电压信息，并通过网络单元2将前述信息上传到系统管理平台，以供管理员查看及管理。

如图4所示，优选地，所述电源输出单元4还包括有与所述继电器控制电路7输出端连通的电源输出检测电路8；

电源输出检测电路8包括光电耦合器U3及第三开关三极管Q5；光电耦合器U3的阳极引脚依次通过第三限流电阻R15、整流二极管D7接入所述继电器第一触点的输出端，光电耦合器U3的阴极引脚接入零线输入端，光电耦合器U3的集电极通过第四限流电阻R19、发光二极管D9接入所述主控单元1 的检测引脚，光电耦合器U3与第四限流电阻R19的共接点接入有直流电源，光电耦合器U3的发射极通过第三钳位电阻R17接地，第三钳位电阻R17的两端并联有滤波电容C9，第三开关三极管Q5的基极通过第五限流电阻R21接入光电耦合器U3与第三钳位电阻R17的共接点，第三开关三极管Q5的基极集电极接入发光二极管D9与主控单元1的共接点，滤波电容C9的一端接入光电耦合器U3与第四限流电阻R19的共接点，第三开关三极管Q5的发射机接地。

本实施例中，光电耦合器U3的芯片可选用EL817，光电耦合器U3接入的直流电源为3.3V。

本实施例应用时，当继电器的第一触点与第二触点闭合时，光电耦合器 U3、第三开关三极管Q5均则可导通，发光二极管D9则处于亮灯状态，同时，也会反馈给主控单元1，继电器处于闭合状态。

其中，整流二极管D7可将调幅信号的负向部分截去并仅留下正向部分。滤波电容C9可降低脉动文波系数，使第三开关三极管Q5的基极电压更加平滑稳定。第三钳位电阻R17可保证第三开关三极管Q5的基极电平在光电耦合器U3未导通时与地平保持一致，防止因外部干扰和上电期间电源不稳定造成误动作，提高电路的工作稳定性。各限流电阻的设置可起到限流作用，避免器件电压输出端输出过高的电流而损伤电器件。

优选地，所述网络单元2包括有线网络单元；

有线网络单元包括CAN控制模块11、CAN电平转换模块12；

CAN电平转换模块12通过隔离CAN接口14与CAN控制模块11相连。

本实施例中，如图10-12所示，CAN控制模块11的芯片可选用 MCP2515-I/SO；CAN电平转换模块12的芯片可选用SN65HVD232DR；隔离CAN接口14的芯片可选用π122M31。

CAN是控制器局域网络的简称，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。它对子系统的故障和电磁干扰具有很强的鲁棒性，并且具有低成本、高效率、高灵活性的优点。CAN电平转换模块12用于实现逻辑电平和信号电平之间的转换，进而实现与主控单元1之间的信息传输。

优选地，所述网络单元2还包括无线网络单元；

无线网络单元包括Lora控制模块15。

本实施例中，如图13所示，Lora控制模块15的芯片可选用SX1278。无线网络单元可作为有线网络单元的补充。当有线网络单元失效时，则可由无线网络单元完整信息的传输工作。

优选地，所述供电单元3包括220V转12V转换电路6、12V转5V转换电路9、5V转3.3V转换电路10及5V转3V3转换电路13。

本实施例中，如图14所示为220V转12V转换电路6，它的主控芯片可选用裸板式隔离型开关电源模块。它可为继电器控制电路7提供直流电源。

如图15所示为12V转5V转换电路9，它的主控芯片可选用MP2359DJ-LF。

如图16所示为5V转3.3V转换电路10，它的主控芯片可选用 MCP1703T-3302E/MB。它可为主控单元1、电源输出检测电路8、电能计量器 M1提供直流电源。

如图17所示为5V转3V3转换电路13，它包括有芯片B0505LS-1WR2和 AS1360-33-T。它可为网络单元2提供隔离直流电源。

优选地，所述电源输出单元4包括两套所述继电器控制电路7；

两套所述继电器控制电路7中继电器的第一触点均接入同一火线输入端子，该火线输入端子设置有一个所述电能计量器M1进行计量即可，两套所述继电器控制电路7中继电器的第二触点分别接入两个火线输出端子。

两套所述继电器控制电路7中继电器分别为继电器RL1和继电器RL2。如图3-6所示，相应地，两套继电器控制电路7均设置有对应的电源输出检测电路8。如此，可提供电源插座供使用者使用。当然，还可根据需求设置两套以上的继电器控制电路7。

优选地，还包括与主控单元1相连的存储单元5。

本实施例中，存储单元5可用于存储信息。如图18所示，存储单元5的芯片选用AT24C02，具有能耗低、操作灵活，接线少，可单字节读取的优点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.开放实验用电源管理装置，其特征在于：包括主控单元(1)、网络单元(2)、供电单元(3)及电源输出单元(4)；

电源输出单元(4)包括继电器控制电路(7)；继电器控制电路包括继电器、第一续流二极管(D3)、第二续流二极管(D4)、第一开关三极管(Q1)、第二开关三极管(Q3)、第一钳位电阻(R7)、第二钳位电阻(R11)；继电器线圈的正极引脚接入到供电单元(3)中直流电源的正极，继电器线圈的第一负极引脚通过反向连接的第一续流二极管(D3)接入到供电单元(3)中直流电源的正极，继电器线圈的第二负极引脚通过反向连接的第二续流二极管(D4)接入到供电单元(3)中直流电源的正极；

第一开关三极管(Q1)的基极通过第一限流电阻(R6)接入主控单元(1)的第一指令引脚，第一开关三极管(Q1)的集电极接入第二续流二极管(D4)与继电器线圈的共接点，第一钳位电阻(R7)的一端接入第一限流电阻(R6)与主控单元(1)的共接点；

第二开关三极管(Q3)的基极通过第二限流电阻(R10)接入主控单元(1)的第二指令引脚，第二开关三极管(Q3)的集电极接入第一续流二极管(D3)与继电器的共接点，第二钳位电阻(R11)的一端接入第二限流电阻(R10)与主控单元(1)的共接点；

第一开关三极管(Q1)的发射极、第二开关三极管(Q3)的发射极、第一钳位电阻(R7)的另一端、第二钳位电阻(R11)的另一端均接地；

继电器的第一触点接入火线输入端子，继电器的第二触点接入火线输出端子，火线输入端子处设置有电能计量器(M1)。

2.根据权利要求1所述的开放实验用电源管理装置，其特征在于：所述电源输出单元(4)还包括有与所述继电器控制电路(7)输出端连通的电源输出检测电路(8)；

电源输出检测电路(8)包括光电耦合器(U3)及第三开关三极管(Q5)；光电耦合器(U3)的阳极引脚依次通过第三限流电阻(R15)、整流二极管(D7)接入所述继电器第一触点的输出端，光电耦合器(U3)的阴极引脚接入零线输入端，光电耦合器(U3)的集电极通过第四限流电阻(R19)、发光二极管(D9)接入所述主控单元(1)的检测引脚，光电耦合器(U3)与第四限流电阻(R19)的共接点接入到供电单元(3)中直流电源的正极，光电耦合器(U3)的发射极通过第三钳位电阻(R17)接地，第三钳位电阻(R17)的两端并联有滤波电容(C9)，第三开关三极管(Q5)的基极通过第五限流电阻(R21)接入光电耦合器(U3)与第三钳位电阻(R17)的共接点，第三开关三极管(Q5)的基极集电极接入发光二极管(D9)与主控单元(1)的共接点，滤波电容(C9)的一端接入光电耦合器(U3)与第四限流电阻(R19)的共接点，第三开关三极管(Q5)的发射机接地。

3.根据权利要求1所述的开放实验用电源管理装置，其特征在于：所述供电单元(3)包括220V转12V转换电路(6)、12V转5V转换电路(9)、5V转3.3V转换电路(10)及5V转3V3转换电路(13)。

4.根据权利要求1所述的开放实验用电源管理装置，其特征在于：所述网络单元(2)包括有线网络单元；

有线网络单元包括CAN控制模块(11)、CAN电平转换模块(12)；

CAN电平转换模块(12)通过隔离CAN接口(14)与CAN控制模块(11)相连。

5.根据权利要求1所述的开放实验用电源管理装置，其特征在于：所述网络单元(2)还包括无线网络单元；

无线网络单元包括Lora控制模块(15)。

6.根据权利要求1所述的开放实验用电源管理装置，其特征在于：所述电源输出单元(4)包括两套所述继电器控制电路(7)；

两套所述继电器控制电路(7)中继电器的第一触点均通过同一所述电能计量器(M1)接入同一火线输入端子，两套所述继电器控制电路(7)中继电器的第二触点分别接入两个火线输出端。

7.根据权利要求1所述的开放实验用电源管理装置，其特征在于：所述主控单元(1)的芯片选用PIC24FJ64GA106-I/PT。

8.根据权利要求1所述的开放实验用电源管理装置，其特征在于：所述继电器的芯片选用HFE10-2-12-HT-L2。

9.根据权利要求1所述的开放实验用电源管理装置，其特征在于：所述电能计量器(M1)的芯片选用IM1281B。

10.根据权利要求1所述的开放实验用电源管理装置，其特征在于：还包括与主控单元(1)相连的存储单元(5)，存储单元(5)的芯片选用AT24C02。

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