專利名稱：一種智能化多功能插座及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能化多功能插座及其實現(xiàn)方法，實現(xiàn)對家用電器的智能監(jiān)測和控制。屬于電氣技術(shù)與信息處理技術(shù)的結(jié)合。
背景技術(shù)：
插座已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?，廣泛用于家庭和公共場所。傳統(tǒng)的插座僅僅具有通斷的功能，無法對各種故障進行檢測和保護措施，無法實現(xiàn)定時功能，插座的安全性和實用性常常困擾著用戶。一旦插座或家用電器出現(xiàn)故障，將很有可能引起觸電、火災(zāi)等事故，對人們的生命和財產(chǎn)帶了威脅。同時，很多用戶在使用完家用電器后沒有立刻拔離插孔的習慣，致使家用電器在關(guān)機后仍然處于斷電狀態(tài)，一方面浪費電能，另一方面也因為長時間通電引起發(fā)熱，進而引發(fā)火災(zāi)。這就需要一種成本低廉，操作簡單，安全可靠的智能化多功能插座。

發(fā)明內(nèi)容
為了避免現(xiàn)有插座帶來的各種問題，本發(fā)明提供一種智能化多功能插座及其實現(xiàn)方法，該插座具有溫度、電壓、電流檢測、定時、故障和異常的診斷與恢復、節(jié)電保護等多種智能功能。本發(fā)明的技術(shù)方案是智能化多功能插座包括單片機管理模塊、電源模塊、溫度檢測模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊以及狀態(tài)顯示模塊，其連接關(guān)系是溫度檢測模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和狀態(tài)顯示模塊分別與單片機管理模塊相連，并由電源模塊供電。繼電器的常閉開關(guān)兩引腳串聯(lián)在智能化多功能插座的插孔與外部火線之間，單片機通過I/o 口的高低電平切換實現(xiàn)插座的通斷電控制。單片機作為智能化多功能插座的控制核心，處理各檢測信號和鍵盤輸入值，在數(shù)碼管上顯示其處理結(jié)果，對系統(tǒng)進行定時，實現(xiàn)各故障檢測與恢復算法和自動節(jié)電處理。故障與異常檢測算法智能化多功能插座的故障有短路、漏電。短路故障檢測算法當某一路插孔的電流大于最大電流閾值，同時電流變化幅度過大，則診斷為出現(xiàn)短路故障，單片機立即通過繼電器切斷回路，保護智能化多功能插座，同時通過蜂鳴器告訴用戶插座出現(xiàn)故障，在顯示器中顯示故障原因和故障類別。短路故障恢復算法若用戶插入其他電器，工作正常，則可診斷短路故障來源于用電器。智能化多功能插座正常，故障標志清除。智能化多功能插座恢復正常工作。若用戶插入其他電器，繼續(xù)出現(xiàn)短路故障，同時用電器在其他插孔正常，則可診斷故障來源于智能化多功能插座本身。故障標志保持。在故障標志消除以前此故障插孔一直處于斷開狀態(tài)。漏電故障的檢測算法正常情況是，火線電流大小Ilj應(yīng)等于零線電流In大小。若火線電流Ilj與零線電流In的差值大于最大閾值，則診斷出現(xiàn)了漏電故障。單片機立即通過繼電器切斷所有回路，同時通過蜂鳴器告訴用戶智能化多功能插座出現(xiàn)故障，在顯示器中顯示故障原因和故障類別。漏電故障恢復算法若用戶其他電器，智能化多功能插座工作正常，則可診斷短路故障來源于用電器。故障標志清除，智能化多功能插座恢復正常工作。若用戶其他電器，繼續(xù)顯示斷路故障，則可診斷故障來源于智能化多功能插座本身。故障標志保持，在故障修復前智能化多功能插座將切斷所有回路。 異常狀態(tài)有溫度異常和電壓異常。若檢測溫度大于用戶設(shè)置最大正常溫度值，且持續(xù)時間大于h，智能化多功能插座將診斷為溫度過高。若檢測最大電壓大于最大閾值，且持續(xù)時間大于t2，智能化多功能插座將診斷為電網(wǎng)電壓過高。若檢測最大電壓小于最大閾值，且持續(xù)時間大于t3，智能化多功能插座將診斷為電網(wǎng)電壓過低。若檢測電壓變化率大于最大閾值，且持續(xù)時間大于t4，智能化多功能插座將診斷為電網(wǎng)電壓不穩(wěn)。以上異常狀態(tài)，智能化多功能插座將自動切斷繼電器開關(guān)，直至各信號正常，自動恢復各插孔的連接工作，異常標志自動清除。節(jié)電算法節(jié)電判斷法則I每次用電器工作5分鐘后，進行節(jié)電判斷，采集電流I (i) (i為采樣次數(shù))小于最小正常工作電流Imin，且持續(xù)時間大于I分鐘，則判斷為用電器已停止工作，智能化多功能插座切斷對應(yīng)插孔。實現(xiàn)節(jié)電保護。節(jié)電判斷法則2若電流值I (i)小于節(jié)電電流Ik且持續(xù)時間大于I分鐘，則判斷為用電器已停止工作。智能化多功能插座切斷對應(yīng)插孔，實現(xiàn)節(jié)電保護。本智能化多功能插座的故障與異常檢測算法能夠?qū)Χ搪饭收?、漏電故障進行自動判斷、保護與恢復，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)異常、溫度異常、電流異常這些異常狀況進行保檢測與保護。本智能化多功能插座的節(jié)電處理功能能夠在某些電器停止工作但沒有拔離插頭時切斷開關(guān)，實現(xiàn)節(jié)電與保護。本發(fā)明的有益效果具有定時功能，能使用戶更方便更高效地控制家用電器，實現(xiàn)電器設(shè)備的智能化，提高人們的生活效率。具有檢測故障與異常的檢測、判斷與恢復功能，提高電器使用的安全性和便捷性。具有節(jié)電保護功能，能夠?qū)崿F(xiàn)電器停駛工作后的節(jié)電與保護措施。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框2是本發(fā)明的電壓信號采集與調(diào)理模塊電路3是本發(fā)明的電流信號采集與調(diào)理模塊電路4是本發(fā)明的開關(guān)驅(qū)動模塊電路5是本發(fā)明程序流程圖
具體實施方案本發(fā)明的硬件原理框圖如圖I所示，各部分如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

智能化多功能插座硬件系統(tǒng)主要由狀態(tài)檢測模塊、單片機管理模塊和電源模塊組成。智能化多功能插座的檢測模塊包括三個部分溫度檢測、電流檢測和電壓檢測。單片機選用STC12C5A08S2。電源模塊采用電容降壓原理，電源由接頭引入220V交流電壓，經(jīng)過4. 7 μ F聚丙烯電容降壓。經(jīng)二極管半波整流，12V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，最后經(jīng)穩(wěn)壓芯片7805輸出穩(wěn)定5V直流電壓。電路中并聯(lián)了壓敏電阻ΜΥΝ15-681Κ，可防止供電電網(wǎng)中出現(xiàn)的過高浪涌電壓和雷擊對智能化多功能插座的傷害。電壓信號的采集利用電阻分壓的原理，如圖2所示。電網(wǎng)電壓經(jīng)電阻Rl、R2分壓變?yōu)榈腛 5V電壓信號，經(jīng)二極管半波整流，再經(jīng)RC低通濾波，截止頻率/ = ~
InRC最后將直流電壓V (t)送至單片機A/D轉(zhuǎn)換輸入口。電流信號的采集利用歐姆定律U = RI將大電流信號轉(zhuǎn)化成小電壓信號。如圖3所示，電流信號I (t)經(jīng)阻值為阻值為
O.01 O. 05歐姆的精密小電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號U (t)，再經(jīng)運算放大器LM324單級負反饋放大，電壓增益
—7 3Auf =-
R2RC低通濾波后將電壓U⑴送至單片機A/D轉(zhuǎn)換輸入口。電流、電壓采樣與調(diào)理已經(jīng)分別把電流、電壓信號轉(zhuǎn)化為O 5V的直流電壓信號。為防止單次取樣造成的誤差，采用均值濾波的方法求得每一次的有效值。電流電壓的周期為20ms，每隔Ims單片機進行一次電壓電壓采樣，得到V(j)、I (j)。第i次有效采樣值V⑴
100. 5F(j)
F(i)=上^——
100電流數(shù)據(jù)處理方法與電壓相同。溫度信號的采集選用美國Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。
系統(tǒng)定時通過DALLAS公司的時鐘芯片DS1302實現(xiàn)。開關(guān)驅(qū)動模塊的功能是實現(xiàn)弱電對強電的控制。如圖4所示，單片機輸出電平的變化切換繼電器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對家用電器的開、關(guān)控制。繼電器采用12V繼電器JQC-3F，在輸出端接入NPN三極管8050，增強其驅(qū)動能力。主程序流程圖如圖5所示。程序設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要有信號采集和處理模塊、鍵盤管理模塊、定時模塊、故障與異常處理模塊、節(jié)電模塊。智能化多功能插座上電后，系統(tǒng)進行初始化。初始化程序主要是設(shè)置單片機各端口的工作狀態(tài)，讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化之后進入主循環(huán)，進行狀態(tài)檢測，即溫度、電流、電壓檢測，在數(shù)碼管上顯示檢測結(jié)果。同時單片機對智能化多功能插座進行故障與異常檢測判斷，實現(xiàn)對智能化多功能插座的智能控制。按鍵通過中斷響應(yīng)，用戶可通過四位按鍵設(shè)置定時開關(guān)時間、是否開啟節(jié)電功能，最大正常溫度值等信息。 故障與異常判定算法短路故障的檢測算法當某一路插孔的電流I (i)大于Imax (Imax= 15A)，且滿足Ι(1 + 1)-Ι( ) > 300%
10)則診斷為出現(xiàn)短路故障，單片機立即通過繼電器切斷回路，保護插座，同時通過蜂鳴器告訴用戶插座出現(xiàn)故障，在顯示器中顯示故障原因和故障類別。漏電故障檢測算法 正常情況是，火線電流大小k應(yīng)等于零線電流In大小。若火線電流k與零線電流In的差值Il-In > O. OlA則診斷為出現(xiàn)短漏電故障，單片機立即通過繼電器切斷回路，保護智能化多功能插座，同時通過蜂鳴器告訴用戶插座出現(xiàn)故障，在顯示器中顯示故障原因和故障類別。異常狀態(tài)主要有溫度異常和電壓異常。若檢測溫度大于用戶設(shè)置最大正常溫度值，且持續(xù)時間大于3s，智能化多功能插座將為診斷為溫度過高。若V(i) > 260V且持續(xù)時間大于3s，多功能插座將診斷為電網(wǎng)電壓過高。若V (i) < 180V且持續(xù)時間大于3s，多功能插座將診斷為電網(wǎng)電壓過低。如電壓的變化波動V(i)-V(i+1) I > 30V且持續(xù)時間大于3s，多功能插座將診斷為電網(wǎng)電壓不穩(wěn)。節(jié)電算法節(jié)電判斷法則I
每次用電器工作5分鐘后，進行節(jié)電判斷，采集電流I⑴(i為采樣次數(shù))，設(shè)置Imin = I (I)若I (i) < Imin
r n Imin-I(i)-— <20%
Imin貝Ij
Imin = I (i)若滿足
Γ n Imin -1(i)....-—>80%
Imin且續(xù)時間大于I分鐘，則判斷為用電器已停止工作，智能化多功能插座切斷對應(yīng)插孔，實現(xiàn)節(jié)電保護。節(jié)電判斷法則2若電流值I⑴小于Ik(Ik = O. 005A)，且持續(xù)時間大于I分鐘，則判斷為用電器已停止工作。智能化多功能插座切斷對應(yīng)插孔，實現(xiàn)節(jié)電保護。
權(quán)利要求
1.一種智能化多功能插座，其特征在于，該插座由單片機管理模塊、電源模塊、溫度檢測模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和狀態(tài)顯示模塊組成，溫度檢測模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和狀態(tài)顯示模塊分別與單片機管理模塊相連，并由電源模塊供電，繼電器的常閉開關(guān)兩引腳串聯(lián)在所述智能化多功能插座的插孔與外部火線之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能化多功能插座，其特征在于，所述單片機型號為STC12C5A08S2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能化多功能插座，其特征在于，所述溫度檢測模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能化多功能插座，其特征在于，所述電流檢測模塊利用阻值為0.01歐姆 0. 05歐姆的電阻串聯(lián)在用電回路上，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)運算放大器LM324放大，送至單片機A/D轉(zhuǎn)換輸入口。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能化多功能插座的實現(xiàn)方法，其特征在于智能化多功能插座的短路故障、漏電故障與異常狀態(tài)檢測算法，該方法包括如下步驟， 短路故障檢測算法 當某一路插孔的電流I (i)大于Imax (Imax = 15A)，且滿足
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能化多功能插座的實現(xiàn)方法，其特征在于所述的智能化多功能插座的節(jié)電算法，該算法包括如下步驟 節(jié)電判斷法則I 每次用電器工作5分鐘后，進行節(jié)電判斷，采集電流I (i) (i為采樣次數(shù))， 設(shè)置Imin = I (I) 若
全文摘要
一種智能化多功能插座及其實現(xiàn)方法，該插座的溫度檢測模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和狀態(tài)顯示模塊分別與單片機管理模塊相連，并由電源模塊供電，繼電器的常閉開關(guān)兩引腳串聯(lián)在所述智能化多功能插座的插孔與外部火線之間。智能化多功能插座是在普通插座的基礎(chǔ)上，增加了電流、電壓、插座負載的瞬時功率、溫度測量、定時通斷功能，具有故障和異常檢測與保護功能，能對插座、用電器的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測與保護，在家用電器停止工作后自動斷電，節(jié)約用電，功耗低，整機功耗小于0.5W。
文檔編號G06F19/00GK102684012SQ20111031678
公開日2012年9月19日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者何康宏, 卿柏元, 周毅波, 姚文軒, 曾博, 朱少波, 李剛, 溫和, 滕召勝, 王勇, 蔣雯倩, 陳桃, 高云鵬 申請人:廣西電網(wǎng)公司電力科學研究院, 湖南大學