CN104917010A - 电源插头 - Google Patents

Abstract

电源插头的电流互感器与插头本体内的火线连接，电流互感器与电压输出电路连接，电压输出电路分别与比较器和充放电模块连接，比较器、指示灯、蜂鸣器、显示屏、按键、电能计量电路和无线模块分别与单片机连接，充放电模块分别为各个元器件供电，并为电池充放电提供基础；在插头本体上固定有拉环。本发明在电器转换为待机时可警示用户拔掉插头，充放电模块有两种供电模式，不需外加电源，节省电能；电压输出电路使电流互感器输出的电压分别传送给比较器和充放电模块，简化了电路结构，减小了设计成本；插头本体后表面的拉环上设计有指示灯，可以很醒目的让用户看到指示灯状态，还方便了插头的拔插。

Description

电源插头

技术领域

本发明涉及一种电源插头。

背景技术

随着我国电器的使用量与日俱增，一直并不为人重视的电器待机耗能的浪费问题也日益突现出来。据中国节能产品认证中心调查发现，待机能耗已占民用电力消耗的3％-13％，家电待机能耗占家庭电力消耗的10％左右，各种家电产品的平均待机能耗为15-30瓦之间。北京市的调查结果指出，北京300多万户居民家庭每年仅待机能耗一项就需多支付1.8亿元，如果算上企事业单位的待机能耗，数字则更为惊人。如此之大的电器待机能源浪费，已经成为影响我国电力供应紧张的重要因素。有专家测算，中国目前电力缺口与电器待机浪费电量大致相当。有效地解决电器待机浪费将大幅度缓解我国的电力供需矛盾。

解决电器待机能耗市场潜力惊人，有战略眼光的企业纷纷把目光投向了这类节电产品的市场开发上，一些电器设备的节能器相继问世。如申请公布号CN 103928799 A的中国专利公开了“一种智能插头及具有该智能插头的家电控制系统”，该智能插头通过能耗采集模块采集用电设备的用电量，通过无线通信模块将信号发送给远程控制终端，通过远程控制终端的操作，利用继电器实现对插座的断电，从而实现电设备的控制。该申请虽然能够远程对用电设备进行断电控制，但是并不能在电器由正常工作状态转换到待机状态时对电器的待机状态进行监视提醒，不能提醒用户及时拔掉插头，从而无法解决电器待机的能源浪费。而且，虽然该申请中未公开继电器的设置方式，但按照常规技术手段，会将继电器的触点串联在插头的火线上，这种设计方式虽然能够实现对用电器电源的切断，但是可靠性低，继电器容易损坏导致电源线故障，且在插头内设置控制电源线通断的继电器会使插头体积较大，使用不方便。

授权公告号为CN 201820971 U的中国发明专利公开了“一种可自动开启和关闭的电源插头”，它能使电器设备自动从待机状态转入彻底关闭状态；在启动电器设备的同时还能由断电状态自动转入通电状态。但是，该申请采用霍尔型电流传感器对耗电状态进行测试需要“在单片机1控制继电器3断开，并转入休眠状态后，会每隔1秒自动唤醒一次，唤醒期间，重新让单片机1的I/O脚临时输出控制信号，接通继电器3四十毫秒(两个市电周期)以探测电器设备消耗的功耗”，每隔1s将继电器通断一次，会使电器频繁通断电，影响电器的使用寿命，而且，继电器也容易损坏，在电器频繁的启动时也会浪费大量电能。另外，该申请使用AC/DC采集市电对微功耗智能控制器供电存在发热量大，能耗大的问题。

由上述可见，目前市场上并没有一种在不增大现有插头的体积的情况下，针对在电器由正常工作状态转换到待机状态时对用户进行提醒，方便用户拔掉插头，且能计量待机能耗的可靠、实用、低功耗的电源插头。因此，设计一款可以警示用户用电器转为待机状态，注意拔掉插头，以及显示电器待机能耗的插头非常有必要。

发明内容

针对目前没有一款在电器由正常工作状态转换到待机状态时对用户进行提醒的插头的问题，本发明提供一种在不改变现有插头体积的情况下，能够警示用户在电器转为待机时拔掉插头，且能显示待机能耗量的电源插头。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种电源插头，包括插头本体，其特征在于，该电源插头还包括单片机、电流互感器、电压输出电路、比较器、电能计量电路、指示灯、蜂鸣器、显示屏、充放电模块和电池，

所述插头本体的后表面固定设置有拉环，所述指示灯设置在所述拉环上；所述显示屏设置在插头本体的后表面，所述指示灯、蜂鸣器和显示屏分别与所述单片机连接；所述插头本体内设置有空腔，所述单片机、电流互感器、电压输出电路、比较器、电能计量电路、充放电模块和电池位于所述空腔内；

所述电压输出电路包括运算放大器A1、反馈电阻R1和抗干扰电容C2，所述反馈电阻R1串联在运算放大器的反向输入端和输出端之间；所述插头内的火线在所述电流互感器上缠绕若干匝，所述电流互感器的输出端与所述运算放大器A1的输入端连接，运算放大器A1的输出端连接所述比较器的同相输入端，在所述比较器的反向输入端设置参考电压，所述比较器的输出端与所述单片机连接；

所述电能计量电路包括电能计量芯片，所述电能计量芯片为HLW8012芯片，在所述插头内的火线上串接电阻R14，所述HLW8012芯片电流采集端的V1P引脚和VIN引脚分别连接在电阻R14两端，所述电压采集端V2P串接电阻R10后与所述插头内的火线连接；

所述充放电模块包括继电器开关电路、稳压输出电路和充电电路，所述继电器开关电路包括微型继电器KM和驱动三极管Q3；所述稳压输出电路包括稳压芯片U6；所述充电电路包括电池控制器LM3420、稳压器U2、三极管Q1、三极管Q2、二极管D3、二极管D4以及若干电容和电阻，所述三极管Q2的发射极e与电池控制器LM3420的输入引脚IN连接，三极管Q2的集电极c与所述电池的正极连接，所述电池控制器LM3420的输出引脚OUT与三极管Q1的基极b连接，三极管Q1的集电极c与稳压器U2的反馈调压端ADJ连接，稳压器U2的输出引脚OUT依次正向串联二极管D3和二极管D4后与所述电池正极连接；所述稳压芯片U6的输入端连接在二极管D3和二极管D4之间，所述继电器KM的常闭触点K1串联在二极管D3和二极管D4之间，继电器KM的常开触点K2与二极管D4并联，所述三极管Q3的基极b与所述单片机连接。

优选的，所述指示灯为双色LED灯。

进一步的，该电源插头还包括无线模块，所述无线模块与所述单片机连接。优选的，所述无线模块为蓝牙模块。更进一步的，所述无线模块还包括无线模块指示灯D5，所述无线模块指示灯D5上拉电阻R11后与所述单片机连接。

为了实现对电源插头的功能进行按键操作，进一步的，该电源插头还包括与所述单片机连接的显示屏按键、蜂鸣器按键、无线模块启动按键和总按键，所述显示屏按键、蜂鸣器按键、无线模块启动按键和总按键设置在所述插头本体的后表面。

为了补偿相位差，进一步的，在所述反馈电阻R1上并联一个RC振荡电路。

为了保护运算放大器A1，优选的，在所述运算放大器A1的正向输入端和反向输入端之间反向并联保护二极管D1和保护二极管D2。

为了实现散热，进一步的，在所述插头本体的侧面设置有与所述空腔相通的散热孔。

本发明的有益效果是：

1、本发明充放电模块的设计充分利用了电器正常工作时电源线内电流大，待机时电流小的特征，提供了两种供电模式。在电器处于使用状态时，充放电模块采用电流互感器供电模式，对设备的元器件进行供电，并同时对电池充电；在电器待机状态时，由于插头内的火线的功率不足以使电流互感器为设备供电，因此充放电模块切换到电池供电模式，保证了待机时指示灯和蜂鸣器的工作。这种设计不仅不需要外加电源，利用电流互感器在电器使用状态时对电池充电，节省了电能，而且不会像AC/DC供电那样发热现象严重。

2、它的电压输出电路使电流互感器输出的电压分别传送给比较器和充放电模块，供电压取样比较和供电，简化了电路结构，减小了设计成本。

3、插头本体后表面的拉环上设计有指示灯，可以很醒目的让用户看到指示灯状态，再配合蜂鸣器，使电器待机状态的信号一定能传达给用户，保证用户拔掉插头；而且，拉环的设计还方便了插头的拔插，不会像目前的插头那样拔插费力。

4、在插头本体后表面设置显示屏和各个按键，方便操作和观察待机能耗量，而且用户可以使用手机蓝牙通过无线模块对待机能耗量进行查看。

5、本电源插头的整体设计使该插头具有与普通的电源插头相同的体积，不妨碍插头的拔插操作，具有电器转待机时拔掉插头的警示功能，以及待机耗电量显示功能，这在插头领域是一个创新。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的部分优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的侧视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为图2中沿A-A剖视图；

图4为本发明原理框图；

图5为本发明部分电路图；

图6为本发明充电模块电路图；

图7为本发明指示灯电路图；

图8为本发明按键电路图；

图9为本发明显示屏电路图。

图中，1插头本体、11后表面、12拉环、121指示灯线槽、13空腔、14散热孔、2指示灯、3显示屏、4电池、5按键、6线路板、7电流互感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细描述：

如图1至图9所示，该电源插头包括插头本体1、单片机、电流互感器7、电压输出电路、比较器、电能计量电路、无线模块、指示灯2、蜂鸣器、显示屏3、充放电模块、电池4和按键5。所述单片机、电压输出电路、比较器、电能计量电路以及充放电模块封装在线路板6上。

所述插头本体1的后表面11固定设置有拉环12，拉环12与后表面11垂直。拉环12可以与插头本体1一体冲压形成，也可以通过卡扣与插头本体1连接。在所述拉环12的外表面设置有用于安装指示灯2的凹槽，并在拉环12内设置有指示灯线槽121，所述指示灯2沿所述拉环12外表面设置。如图2和图3中所示，本发明设计了五个指示灯，优选的，所述指示灯为双色LED灯，颜色可以为红色和绿色，在电器正常使用状态时为绿色，待机状态时为红色。如图7所示，采用5个LED1-LED5作为指示灯2，LED1-LED5的负极分别与单片机U4的P2.0引脚、P2.5引脚、P2.6引脚、P2.7引脚、P1.4引脚连接；当然，指示灯2还可以设计成一个与拉环12相适应的弧形的灯管。

所述显示屏3设置在插头本体1的后表面11，如图9所示，显示屏3(图9中的U7)采用四个二进制数码管显示，每个数码显示管由单片机U4通过三极管(图9中的三极管Q4-Q7)驱动，图9中的引脚P2.1-P2.4，引脚P3.0-P3.7分别与单片机U4的IO引脚连接。当然，还可以采用液晶显示屏显示。

如图5中所示，蜂鸣器FM通过驱动三极管Q8与单片机U4的P1.5引脚连接。如图8所示，按键5包括显示屏按键SB1、蜂鸣器按键SB2、无线模块启动按键SB3和总按键SB4，它们与单片机U4的P0.0-P0.3引脚连接。为了节省能耗，显示屏平时处于断电状态，按下显示屏按键后开启显示屏。蜂鸣器按键的作用是在蜂鸣器工作后按下蜂鸣器按键可停止工作。总按键的作用是，按下总按键来控制整个装置的各个元器件工作状态，按下总按键关闭该装置后，所有的元器件均不工作，这时插头与普通插头一样。

如图3所示，所述插头本体1内设置有空腔13，安装所述单片机、电压输出电路、比较器、电能计量电路以及充放电模块的线路板6，以及电流互感器和电池位于所述空腔13内。为了实现散热，如图1所示，在所述插头本体1的侧面设置有与所述空腔13相通的散热孔14。

如图5所示，所述电压输出电路包括运算放大器A1、反馈电阻R1、抗干扰电容C2、RC振荡电路和滤波电容C2，滤波电容C2在运算放大器的输出端接地。所述反馈电阻R1串联在运算放大器的反向输入端和输出端之间。所述插头内的火线在所述电流互感器7上缠绕若干匝，所述电流互感器的输出端与所述运算放大器A1的输入端a1和a2连接，运算放大器A1的输出端连接所述比较器A2的同相输入端2，在所述比较器A2的反向输入端3设置参考电压Vb，所述比较器A2的输出端串接电阻R12后与所述单片机U4的P1.7引脚连接。为了补偿相位差，在所述反馈电阻R1上并联一个由电阻R2和电容C1组成的RC振荡电路。为了保护运算放大器A1，优选的，在所述运算放大器A1的正向输入端和反向输入端之间反向并联保护二极管D1和保护二极管D2。

如图5所示，所述电能计量电路包括电能计量芯片U1，所述电能计量芯片U1为HLW8012芯片，在所述插头内的火线L上串接电阻R14，所述HLW8012芯片电流采集端的V1P引脚和VIN引脚分别连接在电阻R14两端，所述电压采集端V2P串接电阻R10后与所述插头内的火线L连接。在HLW8012芯片电流采集端的V1P引脚和VIN引脚分别通过电容C8和电容C9接地，电容C8和电容C9起到滤波作用。电容C10和电容C11也为滤波电容。

如图6所示，所述充放电模块包括继电器开关电路、稳压输出电路和充电电路。所述继电器开关电路包括微型继电器KM和驱动三极管Q3，微型继电器KM串联在三极管Q3的集电极，三极管Q3的基极与单片机的P1.6引脚连接，进一步的，为了保护继电器KM线圈，与继电器KM线圈并联一个保护二极管VD。所述稳压输出电路包括稳压芯片U6及由电容C6、电容C7、电容C8、电阻R8和电阻R9组成的外围电路。所述充电电路包括电池控制器LM3420、稳压器U2、三极管Q1、三极管Q2、二极管D3、二极管D4、电容C3、电容C4、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6，所述三极管Q2的发射极e与电池控制器LM3420的输入引脚IN连接，三极管Q2的集电极c与所述电池B的正极连接，所述电池控制器LM3420的输出引脚OUT与三极管Q1的基极b连接，三极管Q1的集电极c与稳压器U2的反馈调压端ADJ连接，稳压器U2的输出引脚OUT依次正向串联二极管D3和二极管D4后与所述电池正极连接，优选的所述稳压器U2采用LM317芯片。所述稳压芯片U6的输入端连接在二极管D3和二极管D4之间，所述继电器KM的常闭触点K1串联在二极管D3和二极管D4之间，继电器KM的常开触点K2与二极管D4并联，二极管D4和常开触点K2的配合解决了在电池充电时电池的放电，且在电池供电时通过常开触点K2放出电流。二极管D3防止了电池在放电时电流流入LM317芯片。在电器正常工作时，继电器KM的触点不动作，由电流互感器的电能供电，当电器处于待机状态时，继电器KM的常闭触点K1断开，常开触点K2闭合，电池B为稳压芯片U6提供电源，为该装置的其他元器件供电。

为了实现待机能耗可以用手机查看，如图5所示，该电源插头还包括无线模块U5，优选的，所述无线模块为蓝牙模块,蓝牙模块采用HC-06芯片，蓝牙模块U5的TXD引脚和RXD引脚与所述单片机U4的TXD引脚和RXD引脚连接。更进一步的，为了能够实现对无线模块处于工作状态进行指示，方便用户开启和关停无线模块，所述无线模块还包括无线模块指示灯D5，所述无线模块指示灯D5上拉电阻R11后与所述单片机连接。

为了实现对电源插头的功能进行按键操作，进一步的，该电源插头还包括按键，如图8所示，与所述单片机的P0.0引脚连接的显示屏按键SB1，与所述单片机的P0.1引脚连接蜂鸣器按键SB2，与所述单片机的P0.2引脚连接无线模块启动按键SB3和与所述单片机的P0.3引脚连接总按键SB4，所述显示屏按键、蜂鸣器按键、无线模块启动按键和总按键设置在所述插头本体的后表面。

本发明的工作原理是：在电器正常工作状态时，插头本体内的火线电流较大，电流互感器获取的能量经电压输出电路输出，供充放电模块为设备元器件供电并为电池充电，同时，电压输出电路输出的信号经比较器比较后由比较器向单片机发送高电平信号，单片机只控制指示灯工作，指示灯处于绿色状态。

当电器处于待机状态时，插头本体内的火线电流微弱，电流互感器获取的能量不足以供电，电压输出电路输出的信号经比较器比较，向单片机发送低电平信号，此时，充放电模块转换为电池供电模式，单片机控制指示灯、电能计量电路和蜂鸣器工作，电能计量电路开始计算能耗，指示灯处于红色状态，蜂鸣器发出鸣笛，提示用户拔下插头，此时，如果用户不想拔掉插头，则按下蜂鸣器按键，蜂鸣器停止工作。如果用户想查看待机耗电量，则按下显示屏按键，显示屏开启，显示总的待机耗电量，用户还可以按下无线模块启动按键后用手机与无线模块连接，查看待机耗电量。

以上所述结合附图对本发明的优选实施方式和实施例作了详述，但是本发明并不局限于上述实施方式和实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电源插头，包括插头本体，其特征在于，该电源插头还包括单片机、电流互感器、电压输出电路、比较器、电能计量电路、指示灯、蜂鸣器、显示屏、充放电模块和电池，

所述插头本体的后表面固定设置有拉环，所述指示灯设置在所述拉环上；所述显示屏设置在插头本体的后表面，所述指示灯、蜂鸣器和显示屏分别与所述单片机连接；所述插头本体内设置有空腔，所述单片机、电流互感器、电压输出电路、比较器、电能计量电路、充放电模块和电池位于所述空腔内；

所述电压输出电路包括运算放大器A1、反馈电阻R1和抗干扰电容C2，所述反馈电阻R1串联在运算放大器的反向输入端和输出端之间；所述插头内的火线在所述电流互感器上缠绕若干匝，所述电流互感器的输出端与所述运算放大器A1的输入端连接，运算放大器A1的输出端连接所述比较器的同相输入端，在所述比较器的反向输入端设置参考电压，所述比较器的输出端与所述单片机连接；

所述电能计量电路包括电能计量芯片，所述电能计量芯片为HLW8012芯片，在所述插头内的火线上串接电阻R14，所述HLW8012芯片电流采集端的V1P引脚和VIN引脚分别连接在电阻R14两端，所述电压采集端V2P串接电阻R10后与所述插头内的火线连接；

所述充放电模块包括继电器开关电路、稳压输出电路和充电电路，所述继电器开关电路包括微型继电器KM和驱动三极管Q3；所述稳压输出电路包括稳压芯片U6；所述充电电路包括电池控制器LM3420、稳压器U2、三极管Q1、三极管Q2、二极管D3、二极管D4以及若干电容和电阻，所述三极管Q2的发射极e与电池控制器LM3420的输入引脚IN连接，三极管Q2的集电极c与所述电池的正极连接，所述电池控制器LM3420的输出引脚OUT与三极管Q1的基极b连接，三极管Q1的集电极c与稳压器U2的反馈调压端ADJ连接，稳压器U2的输出引脚OUT依次正向串联二极管D3和二极管D4后与所述电池正极连接；所述稳压芯片U6的输入端连接在二极管D3和二极管D4之间，所述继电器KM的常闭触点K1串联在二极管D3和二极管D4之间，继电器KM的常开触点K2与二极管D4并联，所述三极管Q3的基极b与所述单片机连接。

2.根据权利要求1所述的电源插头，其特征在于，所述指示灯为双色LED灯。

3.根据权利要求1所述的电源插头，其特征在于，该电源插头还包括无线模块，所述无线模块与所述单片机连接。

4.根据权利要求3所述的电源插头，其特征在于，所述无线模块为蓝牙模块。

5.根据权利要求3或4所述的电源插头，其特征在于，所述无线模块还包括无线模块指示灯D5，所述无线模块指示灯D5上拉电阻R11后与所述单片机连接。

6.根据权利要求1所述的电源插头，其特征在于，该电源插头还包括与所述单片机连接的显示屏按键、蜂鸣器按键、无线模块启动按键和总按键，所述显示屏按键、蜂鸣器按键、无线模块启动按键和总按键设置在所述插头本体的后表面。

7.根据权利要求1所述的电源插头，其特征在于，在所述反馈电阻R1上并联一个RC振荡电路。

8.根据权利要求1所述的电源插头，其特征在于，在所述运算放大器A1的正向输入端和反向输入端之间反向并联保护二极管D1和保护二极管D2。

9.根据权利要求1所述的电源插头，其特征在于，在所述插头本体的侧面设置有与所述空腔相通的散热孔。