專利名稱：一種智能化多功能插座及其實現方法
技術領域：
本發明涉及一種智能化多功能插座及其實現方法，實現對家用電器的智能監測和控制。屬于電氣技術與信息處理技術的結合。
背景技術：
插座已成為人們日常生活中的必需品，廣泛用于家庭和公共場所。傳統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故障，將很有可能引起觸電、火災等事故，對人們的生命和財產帶了威脅。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，致使家用電器在關機后仍然處于斷電狀態，一方面浪費電能，另一方面也因為長時間通電引起發熱，進而引發火災。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。
發明內容
為了避免現有插座帶來的各種問題，本發明提供一種智能化多功能插座及其實現方法，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、節電保護等多種智能功能。本發明的技術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顯示模塊，其連接關系是溫度檢測模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊和狀態顯示模塊分別與單片機管理模塊相連，并由電源模塊供電。繼電器的常閉開關兩引腳串聯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，在數碼管上顯示其處理結果，對系統進行定時，實現各故障檢測與恢復算法和自動節電處理。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，繼續出現短路故障，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。漏電故障的檢測算法正常情況是，火線電流大小Ilj應等于零線電流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。 異常狀態有溫度異常和電壓異常。若檢測溫度大于用戶設置最大正常溫度值，且持續時間大于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，且持續時間大于t2，智能化多功能插座將診斷為電網電壓過高。若檢測最大電壓小于最大閾值，且持續時間大于t3，智能化多功能插座將診斷為電網電壓過低。若檢測電壓變化率大于最大閾值，且持續時間大于t4，智能化多功能插座將診斷為電網電壓不穩。以上異常狀態，智能化多功能插座將自動切斷繼電器開關，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。節電算法節電判斷法則I每次用電器工作5分鐘后，進行節電判斷，采集電流I (i) (i為采樣次數)小于最小正常工作電流Imin，且持續時間大于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插孔。實現節電保護。節電判斷法則2若電流值I (i)小于節電電流Ik且持續時間大于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插孔，實現節電保護。本智能化多功能插座的故障與異常檢測算法能夠對短路故障、漏電故障進行自動判斷、保護與恢復，能夠對電網異常、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，實現節電與保護。本發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，實現電器設備的智能化，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。具有節電保護功能，能夠實現電器停駛工作后的節電與保護措施。
圖I為本發明的結構框2是本發明的電壓信號采集與調理模塊電路3是本發明的電流信號采集與調理模塊電路4是本發明的開關驅動模塊電路5是本發明程序流程圖
具體實施方案本發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主要由狀態檢測模塊、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，經過4. 7 μ F聚丙烯電容降壓。經二極管半波整流，12V穩壓二極管穩壓，最后經穩壓芯片7805輸出穩定5V直流電壓。電路中并聯了壓敏電阻ΜΥΝ15-681Κ，可防止供電電網中出現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。電網電壓經電阻Rl、R2分壓變為的O 5V電壓信號，經二極管半波整流，再經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將大電流信號轉化成小電壓信號。如圖3所示，電流信號I (t)經阻值為阻值為
O.01 O. 05歐姆的精密小電阻轉化為電壓信號U (t)，再經運算放大器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轉換輸入口。電流、電壓采樣與調理已經分別把電流、電壓信號轉化為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電流數據處理方法與電壓相同。溫度信號的采集選用美國Dallas公司生產的數字溫度傳感器DS18B20。
系統定時通過DALLAS公司的時鐘芯片DS1302實現。開關驅動模塊的功能是實現弱電對強電的控制。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，實現對家用電器的開、關控制。繼電器采用12V繼電器JQC-3F，在輸出端接入NPN三極管8050，增強其驅動能力。主程序流程圖如圖5所示。程序設計采用模塊化結構，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、節電模塊。智能化多功能插座上電后，系統進行初始化。初始化程序主要是設置單片機各端口的工作狀態，讀取EEPROM中的數據。系統初始化之后進入主循環，進行狀態檢測，即溫度、電流、電壓檢測，在數碼管上顯示檢測結果。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，實現對智能化多功能插座的智能控制。按鍵通過中斷響應，用戶可通過四位按鍵設置定時開關時間、是否開啟節電功能，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故障，在顯示器中顯示故障原因和故障類別。異常狀態主要有溫度異常和電壓異常。若檢測溫度大于用戶設置最大正常溫度值，且持續時間大于3s，智能化多功能插座將為診斷為溫度過高。若V(i) > 260V且持續時間大于3s，多功能插座將診斷為電網電壓過高。若V (i) < 180V且持續時間大于3s，多功能插座將診斷為電網電壓過低。如電壓的變化波動V(i)-V(i+1) I > 30V且持續時間大于3s，多功能插座將診斷為電網電壓不穩。節電算法節電判斷法則I
每次用電器工作5分鐘后，進行節電判斷，采集電流I⑴(i為采樣次數)，設置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插孔，實現節電保護。節電判斷法則2若電流值I⑴小于Ik(Ik = O. 005A)，且持續時間大于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插孔，實現節電保護。
權利要求
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，繼電器的常閉開關兩引腳串聯在所述智能化多功能插座的插孔與外部火線之間。
2.根據權利要求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.根據權利要求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字溫度傳感器DS18B20。
4.根據權利要求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歐姆的電阻串聯在用電回路上，將電流信號轉化為電壓信號，再經運算放大器LM324放大，送至單片機A/D轉換輸入口。
5.根據權利要求I所述的智能化多功能插座的實現方法，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.根據權利要求I所述的智能化多功能插座的實現方法，其特征在于所述的智能化多功能插座的節電算法，該算法包括如下步驟 節電判斷法則I 每次用電器工作5分鐘后，進行節電判斷，采集電流I (i) (i為采樣次數)， 設置Imin = I (I) 若
全文摘要
一種智能化多功能插座及其實現方法，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，繼電器的常閉開關兩引腳串聯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、用電器的工作狀態進行實時監測與保護，在家用電器停止工作后自動斷電，節約用電，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 優先權日2011年10月18日
發明者何康宏, 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:廣西電網公司電力科學研究院, 湖南大學