CN103560587A - 零功耗绿色电源综合配电控制箱 - Google Patents

Abstract

一种零功耗绿色电源综合配电控制箱，具有防雷电、漏电保护、电能显示、可编程开关定时和无线遥控及人体多普勒感应控制，用电设备负载超过设定值后及用电设备关机后插座会自动断电，使得用电设备待机耗能为零，实现了静态零功耗功能。采用了磁保持继电器、电子分励脱扣器、高效锂电池及低功耗器件，在自身待机工作中用锂电池即可维持其工作真正做到节能。同时具有短路、过载保护功能，每路配电线路具有独立开、停功能，整个控制箱具有总的开、停功能，以确保设备安全。本零功耗绿色电源综合配电控制箱，具有极强实际实用性，可以取代现有家庭或办公场地的电源配电箱，用户可根据自己需求增加或减少开关控制路数。

Description

零功耗绿色电源综合配电控制箱

技术领域

本发明属于电源技术领域，特别涉及一种在家庭及办公领域应用的智能电源箱配电管理技术。

背景技术

随着家用电器、视听产品的普及，办公自动化的广泛应用和网络化的不断发展，越来越多的产品具有了待机功能，具有待机能耗的电器设备主要有空调、电脑与通讯系统(包括电脑遥控发射器、显示屏、电脑音响、打印机、扫描仪、充电器、路由器等)、家庭视频与音频系统(包括电视机、DVD、VCD、音响、功放、机顶盒、卫星接收器等)。为了避免频繁插拔电器插头的麻烦，或是为了保存对电器使用状态的设置，许多用户很习惯地采用不断开电源而仅用遥控器方便的闭合电器，使电器长期处于待机状态。待机功能在为居民用户提供便利的同时，也造成了大量的能源浪费。

举例而言，一般家庭电脑的待机能耗在6瓦左右，一年大概就耗电52度多，这是很惊人的。还有一些人们容易忽视的设备如路由器、无绳电话等都会产生待机能耗。美国要求所有电器的待机能耗控制在1瓦以内，我国现在做得最好的已能达到0.6瓦。常用电器待机能耗（会因具体电器有所差异）,数字电视的待机能耗在l～5W左右，机顶盒待机能耗20～40W左右，空调8瓦-30瓦左右，个人计算机和显示器待机能耗5～10W左右，手机充电器待机能耗0.5～1W左右。根据国际经济合作组织的一项调查称，各国因待机而消耗的能量约占能耗总数的3%～13%。统计数据为：澳大利12%左右，韩国11%左右，德国10%左右，英国8%左右，日本7%左右，美国5%左右，芬兰5%左右。目前我国城市家庭的平均待机能耗已经占到了家庭总能耗的10%左右，相当于每个家庭使用着一盏15～30W的“长明灯”。待机能耗像一只隐形的吸血虫，在浪费能源的同时形成了巨大的环保压力。

据上海电力公司近期组织的一项调查显示，该市空调、家庭视频与音频系统、电脑与通讯系统这三类主要家用电器的待机能耗总量约为7亿千瓦时，如果平均每发电1千瓦时，需要消耗468克原煤，那么将白白浪费30多万吨原煤。每年7亿千瓦时的待机能耗，直接造成消费者约3亿元电费支出的浪费。

针对解决待机功耗市场上出现了零功耗或超微功耗节能插座或转换器之类的产品和专利，经查，专利号为CN 101635515 A“静态零功耗安全节能转换器”、专利号为CN 107 635518 A“超微功耗待机安全节能转换器”、专利号为CN 101635578 R“超微功耗待机安全节能转换器”、专利号为CN 101640347 A“超微待机功耗定时器插座”、专利号为CN 201466359 U“全自动节能型智能插座”、专利号为CN 101662109A“超微待机功耗无线遥控插座” 等等的专利文件中都对此进行了阐述，这些插座或转换器在节能和安全上具有了一定的功能，但还是具有以下一些不足:

一、待机时插座一样存在待机能耗。

二、防雷电路简单，在雷雨天气用电设备可能出现被雷击的现象，从而损坏设备和造成人身伤害。

三、当插座上用电设备负载过重，电流过大时，不能切断交流电源而存在安全隐患。

四、抗浪涌电流能力差，当浪涌电流冲击用电设备时，可对用电设备造成损伤。

五、不能实时显示用电设备的运行参数。

六、大多数插座不具备漏电保护功能，对于漏电而引起的电气火灾、电气设备损坏事故和人身电击伤亡事故无能为力。

七、通用性差，一个插座只能对满足插在本插座上的用电设备需求，故而一个家庭或办公场地就需要多个插座来满足不同用电设备的需求，这一方面增加了用户的购买成本，另一方面在使用和维护上极不方便。

八、功能单一，不能提供综合性的电源配电及管理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有智能节能电源插座存在的上述问题而提供一种零功耗绿色电源综合配电控制箱，为实现上述目的，本发明的技术方案如下: 一种零功耗绿色电源综合配电控制箱（以四路配电控制为例），其特征在于:交流电源首先输入到防雷单元1后送入总空气开关2，总空气开关2输出送入漏电保护单元4，漏电保护单元4的输出分别送入第一空气开关14、第二空气开关16、第三空气开关18、第四空气开关20和第一磁保持继电器31、第二磁保持继电器32、第三磁保持继电器33、第四磁保持继电器34。

第一空气开关14和第一磁保持继电器31通过电能传感器21将交流电源送入a房间电器交流支路25；第二空气开关16和第二磁保持继电器32通过电能传感器22将交流电源送入b房间电器交流支路26；第三空气开关18和第三磁保持继电器33通过电能传感器23将交流电源送入c房间电器交流支路27；第四空气开关20和第四磁保持继电器34通过电能传感器24将交流电源送入d房间电器交流支路28。

所述总空气开关2的输出送入充电开关5，充电开关5的输出送入AC/DC变换单元6经变换后输出到充电电源7对锂电池8进行充电。     所述微处理器12通过传感器9检测锂电池8的电能，输出控制信号给充电开关5开启或关闭对锂电池8的充电通道；微处理器12通过传感器21检测通过a房间25电器交流电能、通过传感器22检测通过b房间26电器交流电能、通过传感器23检测通过c房间27电器交流电能、通过传感器24检测通过d房间28电器交流电能。

所述微处理器12与电能计量单元3进行通信，电能计量单元3通过电能传感器35采集总线路电能参数；所述微处理器12与漏电保护单元4进行通信，与键盘11通信接收其输入指令，与显示屏连接控制其显示数据和方式。

所述无线接收器29和多普勒接收器30输出并联连接，无线接收器36和多普勒接收器37输出并联连接，无线接收器38和多普勒接收器39输出并联连接，无线接收器40和多普勒接收器41输出并联连接，接收无线遥控发送信号和人体红外信号，两者的输出信号送入第一磁保持继电器31、第二磁保持继电器32、第三磁保持继电器33、第四磁保持继电器34。

所述微处理器12输出控制信号分别控制第一分励脱扣器13，用于控制第一空气开关14的通断；第二分励脱扣器15用于控制第二空气开关16的通断；第三分励脱扣器17用于控制第三空气开关18的通断；第四分励脱扣器19用于控制第四空气开关20的通断。

所述锂电池单元8分别向各需要直流供电的工作单元提供工作直流电源。

本发明的有益效果:

1、          本零功耗绿色电源综合配电控制箱通过新型防雷电路抑制雷电和电网中的瞬变、浪涌等，保护了用电设备不受其干扰、损坏，提高了用电质量，保证了用电设备的稳定运行，延长了用电设备的使用寿命，降低了用电设备的故障率及维修费用，达到了对用电设备节电和保护的双重功效。

2、         本零功耗绿色电源综合配电控制箱通过显示屏能够直观地观察用电设备正在运行或待机时的电气参数，使用户对于用电设备节电情况一目了然，更具有实用性及方便性。

3、         本零功耗绿色电源综合配电控制箱在用电设备关机后插座会自动断电，使得用电设备待机耗能为零，实现了静态零功耗功能。

4、         本零功耗绿色电源综合配电控制箱由于采用了磁保持继电器、电子分励脱扣器、高效锂电池及低功耗器件，在自身待机工作中用锂电池即可维持其工作真正做到节能。

5、         本零功耗绿色电源综合配电控制箱具有漏电保护功能，可以有效保护使用用电设备人员的安全。

6、         本零功耗绿色电源综合配电控制箱具有漏电、短路、过载保护功能，每路配电线路具有独立开、停功能，整个控制箱具有总的开、停功能，以确保设备安全。

7、         本零功耗绿色电源综合配电控制箱具有可编程开关定时、相关保护参数设置和无线遥控及人体多普勒红外线感应功能，方便用户不同需求。

8、         本零功耗绿色电源综合配电控制箱安装简单、方便操作，工作可靠，适用性强，功能完善，无污染绿色环保、成本不高易于推广。

9、         本零功耗绿色电源综合配电控制箱具有极强实际实用性，可以取代现有家庭或办公场地的电源配电箱，用户可根据自己需求增加或减少开关控制路数。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1：零功耗绿色电源综合配电控制箱系统框图

图2： 常规方式配电控制箱系统框图

图3：分励脱扣器控制

图4：充电开关控制原理图

图5：磁保持继电器与空气开关连接示意图

图6：AC/DC控制原理图

图7：交流采样及电能计量电路图

图8：漏电保护单元电路图

图9：无线发射电路图

图10：无线接收电路图

图11：多普勒

图12：无线遥控发射器外形示意图

图13：电能计量原理框图。

具体实施方式

 一种零功耗绿色电源综合配电控制箱系统框图如图一所示，交流电源首先输入到防雷单元1，在正常情况下其输出送入总空气开关2，如果遇到雷击或大的瞬变、浪涌时，防雷单元1将会自行保护，切断通往总空气开关2的交流电源，以保护整个系统和用电电器不会受到损坏。

电能传感器35采集总线路的交流电能参数送入电能计量单元3，电能计量单元3对检测的信号进行计算，微处理器12与电能计量单元3进行双向通信，读取电能计量单元3数据，经过处理后送往显示屏10予以显示相关电能参数，比如输入电压、输出电压、有功功率等等。

a房间电器的耗电能通过电能传感器21检测送往微处理器12，b房间电器的耗电能通过电能传感器22检测送往微处理器12，c房间电器的耗电能通过电能传感器23检测送往微处理器12，d房间电器的耗电能通过电能传感器24检测送往微处理器12，当微处理器12检测到某一房间电流超过设定值时，微处理器12将发出动作指令给控制该房间的分励器迅速关断对应的空气开关切断该房间的电源，同时发出警示声音和在显示屏10上予以显示。

通过总空气开关的交流电源输入到充电开关5的输入端，充电开关5是一个磁保持继电器，它接收来自微处理器12的动作指令开启或关闭输出到AC/DC转换单元的交流通道。AC/DC转换单元将220V交流电源变换为12V直流电源送往充电单元7，充电单元采用恒流/恒压充电的充电器电路芯片CN3703对锂离子电池进行充电管理，输出电压送入锂电池8对其进行充电。传感器9用于检测锂电池8的电能并送入微处理器12，当锂电池8的电能高于设定值之时微处理器12将输出控制信号给充电开关单元5关闭交流通道，停止给锂电池8充电，当锂电池8的电能低于设定值之时微处理器12将输出控制信号给充电开关单元5打开交流通道给锂电池8充电。

通过总空气开关2的交流电源送入漏电保护单元4，当各个房间的电器设备发生漏电（漏电流超过设定值）后，微处理器将发出动作指令给第一分励器13、第二分励器15、第三分励器17、第四分励器19，用于关断第一空气开关14、第二空气开关16、第三空气开关18、第四空气开关20，使得各房间的交流通道全部断开，保护设备和人员的安全。作为进一步的改进，可以在每一个房间的交流通道上设置一个漏电保护单元，分别检测每一条支路的漏电流，当出现漏电流超过设定值时，关断相应的交流通道而不影响其它通道内电器设备的使用。

第一空气开关14通过电能传感器21将交流电源送入a房间25；第二空气16开关通过电能传感器22将交流电源送入b房间26；第三空气18开关通过电能传感器23将交流电源送入c房间27；第四空气20开关通过电能传感器24将交流电源送入d房间28。

第一分励脱扣器13动作机构与第一空气开关14的锁扣连在一起，第二分励脱扣器15动作机构与第二空气开关16的锁扣连在一起，第三分励脱扣器17动作机构与第三空气开关18的锁扣连在一起，第四分励脱扣器19动作机构与第四空气开关20的锁扣连在一起，脱扣器属于电磁脱扣部件的1种，它是通过外加电信号完成断路器受控脱扣的功能。如异常状态下需要切断正常供电回路，通过直流电压信号施加在断路器的分励脱扣器线圈上，使断路器分断，断路器与分励脱扣器可以是一体的，也可以是组合装配的。在本发明中第一分励脱扣器 13、第二分励脱扣器15、第三分励脱扣器17、第四分励脱扣器19受控于微处理器12，当微处理器12有脱扣信号输出时，对应的分励脱扣器动作关断对应的空气开关，以切断通向各个房间的交流电源。

无线接收器单元29和多普勒接收器单元30的输出并联连接成为逻辑“与”的关系，无线接收器36和多普勒接收器37输出并联连接成为逻辑“与”的关系，无线接收器38和多普勒接收器39输出并联连接成为逻辑“与”的关系，无线接收器40和多普勒接收器41输出并联连接成为逻辑“与”的关系，分别接收无线遥控发射信号和人体红外信号，两者的输出信号送入第一磁保持继电器31、第二磁保持继电器32、第三磁保持继电器33、第四磁保持继电器34。由于无线接收器和多普勒接收器输出并联连接成为逻辑“与”的关系，当二者其中一个有信号输出，则会控制磁保持继电器的动作。

送入微处理器12，为什么要采用无线遥控和人体多普勒红外线感应技术呢？其原因如下：在通往每间房间的交流通道中都安放有电能传感器21、22、23、24，当这些传感器检测到流过的电流小于设定值后，微处理器12将发出动作指令使得相应分励脱扣器动作使得相应空气开关分断，相应的房间交流电源将被关闭。而空气开关在关断后需要人工复位方可恢复接通状态，假设晚间需要开灯或开启其他什么设备时，如果需要使用者起床走到配电控制箱前复位空气开关开启电源势必显得太不方便了，怎么处理此类问题呢？本发明采用了无线遥控和多普勒人体红外线感应接收技术。

在图1中可以看到交流电源经防雷单元1、总空气开关2、漏电保护单元4后送入到第一空气开关14和第一磁保持继电器31上，实际接线如图5所示，空气开关触头和磁保持继电器触头是并联关系，在正常工作状态下，空气开关触头处于闭合，交流电源经空气开关的两个触头向负载提供电源，当负载电流小于设定值后微处理器发出指令给分励脱扣器使其空气开关触头跳起断开了通往负载的交流电源通路，当需要开启负载交流电源时，使用无线遥控发射器或人体感应发出信号，无线遥控接收器和多普勒无线接收器收到信号后给磁保持继电器一个驱动信号，使其触头闭合将交流电源送往负载。

键盘11与微处理器12相连用于人机对话，通过键盘可以设置通往每一房间电流的大小、最小负荷用电能、漏电流大小、锂电池的充放电电压高低、定时关闭某个房间或几个房间的交流供电、以及时间设置等。

图2是常规房间配电控制箱示意图，控制箱很简单就几个空气开关。

图3是分励脱扣器工作原理图，微处理器发出动作指令给驱动单元，动作信号经驱动单元功率转换后将驱动电压加在分励脱扣器线圈两端，分励脱扣器线圈得电后产生电磁吸力带动分励脱扣器动作，将空气开关触头断开，交流通道被阻断无交流电压输出，为检测分励脱扣器线圈是否工作正常，在分励脱扣器线圈上还有一个微动开关，当分励脱扣器线圈正常动作时微动开关闭合，将此信号作为分励脱扣器线圈的状态返回信号回传给微处理器，如果分励脱扣器线圈动作不正常，微动开关不会闭合也就无状态返回信号回传给微处理器，此时微处理器将予以报警予以警示。

图4是充电开关控制原理图，本发明采用BL8023双向继电器驱动集成电路，用于控制磁保持继电器的工作，它具有输出电流大，静态功耗小的特点。工作电压在5-16V静态功耗电流<1OnA，输入高低转换电平在2V左右，与各种微处理器兼容，工作温度适用范围:-40℃一80℃。

输入A(3P)输入B(7P)外接电阻4R1、4R2到地，保持低电平。这样需要继电器工作就可以在A端加高电平，反之在B端加高电平，按功能表状态工作。BL8023双向继电器驱动集成电路管脚功能如下：

（1） 输入A.接触发脉冲，也可接电平触发。 （2） 输入B.接触发脉冲，也可接电平触发。 （3） 2脚、6脚是空脚。 （4） 输出QA接继电器的线包一端。 （5） 输入QB接继电器的线包另一端。 （6） Vdd加继电器工作电压正端。 （7） V ss加继电器工作电压负端。 在图中可以看到微处理器输出经驱动电路和二极管4D1、4D2送入IC1双向继电器驱动集成电路BL8023的3脚输入A和7脚输入B,控制磁保持继电器J1的动作开启或关闭。

  吃保持继电器状态工作功能表

输入端A	输入端B	输出端QA	输出端QB
				1	0	1	0
0	1	0	1
				0	0	高阻	高阻
1	1	高阻	高阻

图5磁保持继电器与空气开关连接示意图，工作原理与图4所述磁保持继电器控制原理相同，在图5中在空气开关分励脱扣线圈串联一个微动开关K1，当分励脱扣器通过衔铁吸合，微动开关从常闭状态转换成常开，断开了交流通道。当断路器再扣合闸后，微动开关重新处于常闭位置，此时VCC通过微动开关和由电容Cw和电阻Rw组成的微分电路给磁保持继电器一个复归信号，使得磁保持继电器处于原始工作状态。

在此电路中采用了一款高集成度、高性能的电流模式PWM控制器芯片IC4 OB2269，OB2269可以线性地降低芯片的开关频率，减少开关的损耗; 它具有极低的启动电流和工作电流(2.3mA )，以降低功耗，提高功率转换效率；它在电流采样输入引脚端内置了前沿消隐功能，能有效去除电流反馈信号中的毛刺，有助于减少外部元器件数量，从而提高开关电源系统的整体性能，并有效地降低系统的整体成本。OB2269提供了多种全面的可恢复保护模式，包括对外部MOSFET功率管的保护。

图中交流输入经D1-D4组成的全波桥式整流，电容C1滤波，R1/R2与IC1的3脚启动输入VIN端连接，作为芯片快速启动。

图中4脚RI端外接有电阻R4 ，R4阻值决定了芯片工作频率。

工作频率f(KHz)=6500/R4(kΩ)

工作频率范围可为45K-100KHz，但是芯片系统性能优化主要是被设计在50KHz-65KHz的应用范围。

图中5脚RT端外接有R3和NTC两个电阻，R3是微调电阻，NTC是具有副温度系数的温度电阻，当因某种因素导致系统内部温度逐渐上升时，NTC温度补偿电阻受温度升高的影响，其阻植逐渐降低，从而使RT端的电压逐渐下降，直到RT端的电压降到1. 065V(典型植)以下并持续100uS后，芯片停止驱动进而关断MOSFET，电源输出关闭，保护整个系统;当系统内部温度逐渐降低时，温度补偿电阻受温度下降的影响，其阻值逐渐升高，从而使RT端的电压逐渐上升，直到RT端的电压上升到1. 165V典型植)并持续100uS后，芯片自动恢复输出，系统恢复正常工作。

交流输入经D1-D4组成的全波桥式整流，电容C1滤波后加到变压器L1原边，L2变压器副边输出经电容C4/C5滤波后输出稳定直流电压;直流电压被送往充电单元，作为锂电池的充电电压；变压器L3经D4、R5和电容C2滤波作为芯片工作电源加到芯片IC1的7脚电源端VDD；输出电压经反馈电路将输出电压变化量加到芯片2脚 反馈输入端FB，当输出发生过功率或短路时，FB端的电压植下降到1V以下时，GATE端无驱动信号输出，芯片输出被关闭保护了整个系统。

图7是交流采样及电能计量电路图，电路中IC5芯片CS5460是CRYSTAL公司的电能计量芯片，是一种带有串行接口的单相双向功率电能集成电路芯片，极易与微处理器连接，该芯片采用CMOS制造工艺，功耗低，集成度高，组成电能表所需的外围器件少，在300:1的动态范围内测量电能数据的线性度为0.1%以内；同时，片内集成有电能、电压真有效值、电流真有效值的计算和电能脉冲转换功能及接口电路组成。该电路的工作原理是:采样电路把所输入的电压电流信号转变成CS5460可接受的小电压信号，CS5460根据采样电路输人的电压电流算出电能，然后把电压、电流及功率由三线双向串行接口传送给微处理器，微处理器根据送入的指令显示测量结果，同时具有测量累计用电电能、插座负载的瞬时功率、累计用电时间的功能，停电时，数据会自动保存。

图7电路中电压采样电路由电压传感器CT2及精密电阻网络及去抖电容组成，采集的电压分量送入CS5460的差分电压正输入端VIN+和差分电压负输入端VIN-；电流采样电路电流互感器CT1、精密电阻网络及去抖电容组成, 采集的电流分量送入CS5460的差分电流正输入端IIN+和差分电流负输入端IIN-，CS5460与微处理器通讯的管脚功能如下

5p SCLK:串行时钟输入

6p SDO: 串行时钟输出

7p CS:片选

20p /INT：中断输出

23p SDI：串行数据输入

CS5469的引脚RESET/CS/SDI/SDO/SCLK/EDIR接微处理器P1.0-P1.5口接收来自微处理器的信号，INT与微处理器的RST脚连接接收来自CS5460的中断信号。17脚PFMON接7R10和7R11再与地接，监视模拟电源输入是否低于阀值。

  为了实现电能表的功能，软件可划分为:功能操作模块及系统参数自校正模块，系统功能操作模块的主要功能为:为系统与操作人员之间提供友好的交互界面，对系统进行有效的管理,因此该功能模块为该电能表的核心部分。

  本发明采用的电能计量电路所检测的电能数据不能与国家电表检测的数据相等同，只是为了提供给用户方便大概了解负载功率及耗电概况。

图8是漏电保护单元电路图，在低压配电系统中安装漏电保护器是避免人身电击伤亡事故和漏电而引起的电气火灾、电气设备损坏事故的有效措施。当人体接触的电压值超过了安全值，或人体的触电电流及其他对地故障电流超过了允许值时，漏电保护器能够自动切断电源，从而保障人身和设备的安全.它构成了一道安全的屏障，保证了人们用电的安全性。本发明的漏电处理方法采用微处理器实时采样漏电信号，并通过微处理器选择漏电规格及延时时间。整个漏电处理模块只需微处理器1个ADC的硬件资源及一段漏电采样处理程序，即可将漏电处理集中到漏电断路器的主控器上，实现对系统漏电状态的检测。

    检测元件为漏电电流传感器，它由封闭的环形铁心和一次、二次绕组构成， 当被保护电路无触电、漏电故障时，通过漏电电流传感器5T1的一次侧电流的向量和等于零，这样各相工作电流在此电流传感器中所产生的磁通向量和也为零，因此电流传感器的二次侧线圈5T2没有感应电动势产生，漏电保护器不动作，系统正常供电。当被保护电路中有人触电或出现漏电故障时，由于漏电电流的存在，使得通过漏电电流传感器一次侧的各相负载电流(包括中性线电流)向量和不再为零，这一向量和就是漏电电流，在磁通向量和的作用下，此时在电流传感器的环形铁心上将有励磁磁势存在，电流传感器的二次侧线圈有感应电动势产生，此信号经滤波、放大、电压提升等送入运算放大器A1经过处理和比较，变换为A/D模块可以采集的单极性电压信号0-5 V最后送入微处理器。在检测电流的大小时，根据试验电流的周期(工频)按照每个周期40个点进行采样，采样一个周期后，根据电流传感器的衰减倍数以及提升电压的数值，通过软件算法计算出实际的电流有效值，送出信号到微处理器驱动各分励脱扣器动作，迅速切断交流供电电源，从而达到防止触电事故发生的目的，当处于实验运行时，可外接十5V电压通过按扭开关AN接到电阻5R1，以便检验脱扣器是否正常工作。

本设计在软件上兼顾了采样的实时性和微处理器的计算能力，适合采用定时中断采样的采样方式及计算能力较弱的微处理器系统中，程序采用C语言编写，只需要改变部分宏定义即可移植到不同的微处理器系统中，在定时中断采样程序中系统对漏电信号进行采样、计算及处理。

无线遥控发射器包括键盘、显示屏、无线射频模块、单片机和充电电池组成，无线射频模块采用挪威Nordic公司推出的nRF401无线收发芯片。该芯片使433MHz ISM频段，是真正的单片UHF无线收发一体芯片，它在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换等，是目前集成度最高的无线数传产品。无线射频模块采用在板差分环形天线，天线端口的负载阻抗为380Ω。在图9中单片机采用W77E58， 它的速度快，工作频率可扩展到40MHz，使用与8051/52同样的晶振运行时间比8052快2.5倍，它自带两个UART串口，串口1用于与无线收发模块通信，串口0可用于与外部的串口设备通信。

图9中无线射频模块ANT1、ANT2脚是天线口输出至印制天线，ＣTa、ＣTb为天线回路的谐振电容，ＲT用于适当降低天线回路的Ｑ值。单片机W77E58用以控制nRF40l的收发状态、完成编解码等工作。当有按键按下时，W77E58接收到输入的低电平信号，此时从W77E58的4脚送出高电平至nRF40l的19脚，使nRF40l进入发射状态；无键按下时为接收状态。此时W77E58的4脚送出低电平，使nRF40l进入接收状态，在nRF40l与W77E58单片机接口中。nRF401电路的工作模式由19脚TXEN控制，19脚为高电平时发送数据、为低电平时接收数据。发送时，信号从W77E58单片机2脚串口TXD(P1．3)输送给nRF401的9脚DIN端口的二进制串行数据被调制后通过天线发射出去；接收时，信号从天线接收转换为二进制串行数后，通过nRF401的10脚DOUT输送给W77E58单片机3脚串口RXD(P1．2)。nRF401芯片12脚CS=0工作于433．92 MHz频段，CS=1工作频段为434．33 MHz；18脚PWR_UP低功耗控制，为高电平时，处于工作状态；为低电平时，处于待机状态。

无线发射器有按键AN1/AN2/AN3/AN4，分别代表开启和关闭第一磁保持继电器、第二磁保持继电器、第三磁保持继电器和第四磁保持继电器，控制各个房间的电源。

图10所示为遥控接收装置电路原理图，遥控接收装置电路由无线通讯模块、单片机数据采集解码模块、执行器、电源组成。无线通讯模块中无线收发器(A1)采用nRF401，单片机数据采集解码模块中单片机（A2）采用W78E365，nRF401的CS（12脚）连接W78E365的6脚; nRF401的Dout数据输出（10脚）连接W78E365的10脚串口RXD；nRF401的　Din（9脚）：数据输入连接W78E365串口TXD（2脚）; PWR-UP（18脚）节能控制连接W78E365（5脚）; nRF401的TXEN（19脚）：发射接收控制，TXEN=1时，nRF401为发射状态。TXEN=0时，nRF401为接收状态，它连接W78E365的11脚。工作原理与图9遥控发射器(遥控器)电路基本一样，在这里需要说明不一样的地方。

单片机W78E365的38脚通过电阻R4与晶体管Q1基极相连，Q1集电极接有继电器JS，继电器JS的一对常开触点一端与锂电池相连，另一端与整形电路相连；当遥控器通过按键选通了该接收装置后，比如按下按键“AN1”后单片机（A2）W78E365的38脚输出高电平使得晶体管Q1导通，继电器J动作其常开触点JS-1闭合，锂电池通过JS-1加到整形电路经整形后的信号送往磁保持继电器驱动电路，由磁保持驱动电路输出驱动信号给第一磁保持继电器开启交流电源通道，第一房间交流电源开始供电。

无线数据通信系统的软件设计

由于采用一对多主从模式，即采用一个遥控发射器控制多个遥控接收装置，根据单片机串行口的多机通信能力，多机通信可以按以下协议进行:

    1、首先使所有遥控接受分机装置SM2=1，处于只接收地址帧监听状态;

    2、遥控发射器先发送一地址帧信息，并令第九位TB8=1，表示发送的是地址;

    3、遥控接受分机装置接收到地址帧后，各自将接收地址与本机地址相比较，相同则使SM2=0，以接收遥控发射器随后发来的数据;不同则SM2仍为1不变，对遥控发射器随后发来的数据不予理睬；

4、遥控接受分机装置向遥控发射器回送本机地址，遥控发射器接收到后，与原发送地址相比较，相同则置TB8=0，正式发送数据信息，否则重新联络。由于遥控发射器TB8=0，选中的遥控接受分机装置必有SM2=O,RB8=0，接收到数据帧后，置RI=1（RI为串行口接收中断请求标志位: 当接收完一帧串行数据后，由硬件置1；在转向中断服务程序后，用软件清0。），数据送入SBUF(串行口中的缓冲寄存器),而未被选中遥控接受分机装置，由于SM2=1,RB8=0, RI不置位，信息丢失。 遥控发射器通过无线收发控制器发送给遥控接受分机装置的数据分两种:地址帧和命令帧:分机上传的只有数据帧，启、停位各占1位，数据位7位。其中第九位是SCON中的TB8，它是多机通信时发送地址位(TB8=1)和数据位((TB8=0)的标志。地址帧DO-D7全为地址位，编号为OOH-FFH，即网络中最多可有256台分机。命令帧D4-D7为命令类别编号，最多可安排16条不同指令;DO-D3为执行通道号，最多可有15个执行通道，编号为O1H-FFH，另外编号OOH表示对所有通道执行相同命令。对于后两条命令DO-D3无效。

两个串口的数据发送均采用查询方式，数据接收均使用TI中断方式(TI为串行口发送中断请求标志位: 当发送完一帧串行数据后，由硬件置1；在转向中断服务程序后，用软件清0。)； 

单片机上电后，首先对系统和串口进行初始化，然后单片机进入待机模式，直到两个串口中的一个发生中断硬转为工作模式，处理中断程序。

每台遥控接受分机装置均分配有一个唯一的地址。遥控发射器与遥控接受分机装置通信时，遥控发射器先呼叫某遥控接受分机装置地址，唤醒被叫遥控接受分机装置后，遥控发射器、从两机之间进行数据交换，而未被呼叫的遥控接受分机装置则继续处于等待状态。遥控发射器发送的信息可以传到多个遥控接受分机装置或指定的遥控接受分机装置，各遥控接受分机装置发送的信息只能被遥控发射器接收。为了完成上述功能需通过设置单片机的串口控制寄存器SCON来予以实现, 单元地址为98H，位地址为98H～9FH。 

软件采用C语言编制，遥控装置串口中断服务主程序、遥控装置外部中断子程序等组成。 

图11是多普勒人体热释红外线控制框图，HB100多普勒模块是利用多普勒宙达(Doppler Radar)原理设计的微波移动物体探测器，根据多普勒原理设计的微波探测器由FE丁介质DRO微波震荡源（10.525GHz) ,功率分配器、发射天线、接收天线、混频器、检波器等电路组成。发射天线向外定向发射微波，遇到物体时被反射，反射波被接收天线接收，然后到混合器与振荡波混合，混合、检波后的低频信号反应了物体移动的速度。HB100多普勒模块检测到人体移动时，经过模块内部的处理输出到后一级的功率放大后送入磁保持继电器驱动IC，控制磁保持继电器的动作。

图12是无线遥控发射器示意图，上面有四个按键分别控制四间房，按下按键时遥控器发射LED闪亮，发射成功后相应按键上的状态LED显示灯亮，告诉操作者房间交流电源已开启，再按下按键关闭交流电源，相应按键上的状态LED显示灯熄灭。

图13是交流采样及电能计量电路图，电路中IC13芯片CS5460是CRYSTAL公司的电能计量芯片，是一种带有串行接口的单相双向功率电能集成电路芯片，极易与微处理器连接，该芯片采用CMOS制造工艺，功耗低，集成度高，组成电能表所需的外围器件少，在300:1的动态范围内测量电能数据的线性度为0.1%以内；同时，片内集成有电能、电压真有效值、电流真有效值的计算和电能脉冲转换功能及接口电路组成。该电路的工作原理是:采样电路把所输入的电压电流信号转变成CS5460可接受的小电压信号，CS5460根据采样电路输人的电压电流算出电能，然后把电压、电流及功率由三线双向串行接口传送给微处理器IC2，微处理器IC2根据送入的指令显示测量结果，同时具有测量累计用电电能、插座负载的瞬时功率、累计用电时间的功能，停电时，数据会自动保存。

图13电路中电压采样电路由电压传感器CT2及精密电阻网络及去抖电容组成，采集的电压分量送入CS5460的差分电压正输入端VIN+和差分电压负输入端VIN-；电流采样电路电流互感器CT1、精密电阻网络及去抖电容组成, 采集的电流分量送入CS5460的差分电流正输入端IIN+和差分电流负输入端IIN-，CS5460与微处理器通讯的管脚功能如下:

5p SCLK:串行时钟输入；6p SDO: 串行时钟输出；7p CS:片选；

20p /INT：中断输出；23p SDI：串行数据输入；

CS5469的引脚RESET/CS/SDI/SDO/SCLK/EDIR接微处理器P1.0-P1.5口接收来自微处理器的信号，INT与微处理器的RST脚连接接收来自CS5460的中断信号。17脚PFMON接7R10和7R11再与地接，监视模拟电源输入是否低于阀值。为了实现电能表的功能，软件可划分为:功能操作模块及系统参数自校正模块，系统功能操作模块的主要功能为:为系统与操作人员之间提供友好的交互界面，对系统进行有效的管理,因此该功能模块为该电能表的核心部分。本发明采用的电能计量电路所检测的电能数据只是为了提供给用户方便大概了解负载功率及耗电概况，不可作为与电力局安装的电表进行比较。

本发明零功耗绿色电源综合配电控制箱软件采用C语言编写，软件功能模块较多，程序较大在此就不予以详细阐述。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知的现有技术，虽然本发明己通过有关的实施案例进行了图示和描述，但是，本专业技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种零功耗绿色电源综合配电控制箱，其特征在于：交流电源首先输入到防雷单元1后送入总空气开关2，总空气开关2输出送入漏电保护单元4，漏电保护单元4的输出分别输入第一空气开关14、第二空气开关16、第三空气开关18、第四空气开关20和第一磁保持继电器31、第二磁保持继电器32、第三磁保持继电器33、第四磁保持继电器34；第一空气开关14和第一磁保持继电器31通过电能传感器21将交流电源送入a房间电器交流支路25；第二空气开关16和第二磁保持继电器32通过电能传感器22将交流电源送入b房间电器交流支路26；第三空气开关18和第三磁保持继电器33通过电能传感器23将交流电源送入c房间电器交流支路27；第四空气开关20和第四磁保持继电器34通过电能传感器24将交流电源送入d房间电器交流支路28；总空气开关2的输出送入充电开关5，充电开关5的输出送入AC/DC变换单元6经变换后输出到充电电源7对锂电池8进行充电；微处理器12通过传感器9检测锂电池8的电能，输出控制信号给充电开关5开启或关闭对锂电池8的充电通道；微处理器12通过传感器21检测通过a房间25电器交流电能、通过传感器22检测通过b房间26电器交流电能、通过传感器23检测通过c房间27电器交流电能、通过传感器24检测通过d房间28电器交流电能；微处理器12与电能计量单元3进行通信，电能计量单元3通过电能传感器35采集总线路电能参数；微处理器12与漏电保护单元4进行通信，与键盘11通信接收其输入指令，与显示屏连接控制其显示数据和方式；无线接收器29和多普勒接收器30输出并联连接，无线接收器36和多普勒接收器37输出并联连接，无线接收器38和多普勒接收器39输出并联连接，无线接收器40和多普勒接收器41输出并联连接，接收无线遥控发送信号和人体红外信号，两者的输出信号送入第一磁保持继电器31、第二磁保持继电器32、第三磁保持继电器33、第四磁保持继电器34；微处理器12输出控制信号分别控制第一分励脱扣器13用于控制第一空气开关14的通断、第二分励脱扣器15用于控制第二空气开关16的通断、第三分励脱扣器17用于控制第三空气开关18的通断、第四分励脱扣器19用于控制第四空气开关20的通断；锂电池单元8分别向各需要直流供电的工作单元提供工作直流电源。

2.根据权利要求1所述一种零功耗绿色电源综合配电控制箱，其特征在于：通过总空气开关2的交流电源送入漏电保护单元4，当各个房间的电器设备发生漏电（漏电流超过设定值）后，微处理器将发出动作指令给第一分励器13、第二分励器15、第三分励器17、第四分励器19，用于关断第一空气开关14、第二空气开关16、第三空气开关18、第四空气开关20，使得各房间的交流通道全部断开，保护设备和人员的安全。

3.根据权利要求1所述一种零功耗绿色电源综合配电控制箱，其特征在于：第一分励脱扣器 13、第二分励脱扣器15、第三分励脱扣器17、第四分励脱扣器19受控于微处理器12，当微处理器12有脱扣信号输出时，对应的分励脱扣器动作关断对应的空气开关，以切断通向各个房间的交流电源。

4.根据权利要求1所述一种零功耗绿色电源综合配电控制箱，其特征在于：采用了无线遥控和多普勒人体红外线感应接收技术，无线接收器单元29和多普勒接收器单元30的输出并联连接成为逻辑“与”的关系，无线接收器36和多普勒接收器37输出并联连接成为逻辑“与”的关系，无线接收器38和多普勒接收器39输出并联连接成为逻辑“与”的关系，无线接收器40和多普勒接收器41输出并联连接成为逻辑“与”的关系，分别接收无线遥控发射信号和人体红外信号，两者的输出信号送入第一磁保持继电器31、第二磁保持继电器32、第三磁保持继电器33、第四磁保持继电器34,由于无线接收器和多普勒接收器输出并联连接成为逻辑“与”的关系，当二者其中一个有信号输出，则会控制磁保持继电器的动作。

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