CN105867201A - 一种智能开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种负载电路和控制电路完全隔离的节能型智能开关，它包括：电池，微处理器，感应器和继电器，其中的继电器采用磁保持继电器或者电动保持继电器。感应器可选择音频传感器、触摸传感器、加速度传感器、陀螺仪、震动开关或机械开关中的一种或多种组合。负载不工作时，微处理器处于休眠状态，操作感应器后其中断信号将唤醒微处理器，而微处理器分析感应信号后使继电器闭合，同时微处理器进入计时状态。再次操作感应器将断开继电器，如计时完成还无人操作，微处理器将自动断开继电器，整个智能开关进入休眠节能状态。本发明的感应器在选用震动开关时，多个震动开关通过简单的并联或者串联就能实现多点控制。

Description

一种智能开关

技术领域

本发明涉及电路的通断控制开关，特别是家居照明用的面板开关和家用电器插座的控制开关。

背景技术

传统的家用照明中使用机械触点式开关，它的最大优点是简单且不耗电。但是，如果打开后忘记关闭，灯具保持通电状态，就会造成很大的浪费。因此现在有些智能开关加入了控制用的微处理器（或者控制电路），可以实现按时自动切断电源。由于微处理器的存在，开关的触发（或者感应）部件变得非常丰富，除了机械按钮或拨动式开关外，还有声控、触摸等方式。但这些开关存在一些问题，首先：开关内负载高压强电（如中国的220Vac市电）和控制弱电无法完全隔离，存在一些干扰，所以出现夜间灯闪情况（特别是对led这种非常敏感的器件），干扰睡眠；再者：控制电路的感应部分和继电器需要长时间供电（或处于工作状态），依然存在电能浪费；最后：开关的感应模块有较大的局限，如声控开关通常用于室外楼道而不适合用于室内安静的情境，触摸开关的操作范围较小（通常为开关面板中心约1平方厘米的面积），而且需用裸露干净的手指触摸，戴手套或者手脏时无法操作。

本发明的目的在于提供一种负载电路和控制电路完全隔离的节能型智能开关，本发明的另一目的是提供一种操作更加便捷的节能型智能开关。

发明内容

电子控制的智能开关的耗电主要来自控制强电负载电路开合的继电器，继电器的维持需要耗电。本发明中，用自保持继电器（磁保持继电器或电动保持继电器）代替常规的继电器。和普通的继电器开关不同，磁保持继电器的动触点或者静触点采用永久性磁铁，因此开关在动作执行（开或合）完成后，两个触点因为自身的磁力而保持不变，因此不需维持供电（市场上有一类磁保持继电器在保持阶段仍需供电，但耗电量较动作时降低几个数量级，达到微安级别，因此也可以忽略不计）。电动保持继电器是利用微型电机移动动触点使开关闭合或者断开，在动作完成后，由于动触点和静触点自身具有的弹力或者摩擦力维持其状态，因此不需继续供电。

由于继电器的维持不再需要耗电（或者耗电极低），而现在的微处理器能耗也非常低，因此控制器件可以采用电池供电，这样就不用从高压负载电路（如照明灯火线，家用电器插座等）变压取电。因此，负载电路和控制器的低压供电实现了隔离，消除了高压负载电路对控制电路的干扰。

为进一步降低能耗，微处理器采用具有休眠模式的器件，为了实现控制，就需要增加一个中断触发器（触发器产生电平信号，输出到微处理器的中断口，作为唤醒信号）。这个中断触发器即是本发明所述智能开关与操作人之间的动作界面，因此也称为操作感应器。感应器必须能提供用于唤醒微处理器的中断信号，最简单的感应器是按钮或拨动式机械开关，其结构和工作过程就如同手机、电脑等各类电器上的开关按钮。这种按钮式的开关接入微处理器后还可以增加一些附加的功能，比如按键持续的时间，按键的次数等，这些变化经过微处理器分析可以被区别用于不同控制指令，实现不同的操作。

目前市场上的音频传感器，触摸传感器，震动传感器（如MEME加速度计，震动开关），角度传感器（如：陀螺仪等）都可以作为本发明的感应器，它们不仅能提供最初始的唤醒中断信号，还可以提供更多的信号用于实现复杂的指令识别。

本发明感应器的较佳选择是震动开关，它是一类结构化，体型小，成本低廉的器件。震动开关最广泛的应用之一是儿童的闪光鞋，它是将震动开关、电池和led置于鞋底，走动时引起开关频繁闭合控制led产生闪亮的效果。震动开关分为弹簧型和滚珠型两大类，用这种震动开关取代按钮开关，不仅可以获得中断触发信号，而且因为它们本身就是震动传感器，因此实现更多的功能。采用震动开关作为感应器有以下优势：首先，容纳震动开关的整个壳体都是智能开关和操作人的界面（整个开关壳体任意位置都是触控点，不像按钮局限在按钮本身，触摸屏局限在屏本身），而壳体表面材料和形状有更多的选择，只要能很好传递震动信号，就是良好的操作区，因此壳体的外观将极其丰富多样；另外，震动的强度、频度都从中断口输入到微处理器，因此可以实现更多复杂的指令识别，即实现更多的智能操控；再有，由于震动开关本质上是机械开关，因此可以实现简单的并联（常开型弹簧开关）或者串联（常闭型滚珠开关）实现多点控制（如一个房间内多个开关控制同一灯具）。

由于微处理器的存在，因此可以实现计时，计时值可以是保存在微处理器的固定值，如果需要可变值，只需增加一个拨码器（连接微处理器的I/O口，直接读入数值）来设定修改；计时值也可以利用按钮按下时间长短或者连续按键次数或者震动传感器的振动强度，音频信号强度等随时修改定。智能开关在第一次触发唤醒后，可以根据检查分析的信号确定定时关闭时长，计时完成后断开开关进入休眠状态。

如上所述，若选用弹簧型震动开关作为感应器，其待机时无耗电；微处理器采用STC15系列（提供5个以上唤醒中断），其休眠是耗电量低至1μA。因此，用一次性18650性锂电池（容量以1000mAh计），智能开关可以待机1000000小时，远超10年。假设选用了电机保持继电器输出，并假设其耗电量为10mA，每次动作执行用时1s，则用上述电池的智能开关可以执行动作360000次，若一天动作10次，则智能开关可以用36000天，即4年多。如果开关具有延时关闭功能，在计时阶段，微处理器的耗电量会比完全休眠时略高。

本发明所述的智能开关包括了电池，感应器，微处理器和自保持继电器。这种结构实现了负载高压强电和控制低压电路的分离，因为使用了低能耗的器件，更换一次电池可以使用多年。感应器则根据应用的环境和需要做选择，其中较佳方案为震动开关，它具有结构简单，外形小，成本低，方便使用等优点。

附图说明

图1 通用智能开关结构图。

图2 多点控制的智能开关结构图。

具体实施方式

如图1所示的智能开关，它包括电池10，触摸传感器20，微处理器30，拨码器40和磁保持继电器50，所有器件置于一个壳体内。电池提供其他器件所需的低压控制电源，负载不工作时微处理器处于休眠状态，继电器为开路状态。当使用者触摸开关后，感应器先产生一个中断信号给微处理器，将其从休眠状态唤醒。微处理器可以立即或者在对感应器信号进行分析确认后触发继电器，使其闭合。闭合的继电器使负载电路导通工作（如：点亮照明灯，启动电器等）。由于继电器具有自保持功能，不需持续大电流供电，微处理器则进入计时状态（有些微处理器具有计时唤醒功能，因此计时状态能耗也非常低）。在负载电路工作时（微处理器计时状态中），使用者再次触摸开关，微处理器确认信号后切断继电器，使负载电路断开，微处理器也立即进入休眠状态。如果没有人为操作断开负载电路，微处理器计时结束时会自动断开继电器，然后智能开关进入休眠节能状态。

在图1所示的实施例中，继电器选择的是磁保持继电器，它可以换成电动保持继电器。感应器采用的是触摸传感器，它可以换成MEMS加速计或者震动开关（只需触碰智能开关的壳体就能完成操作），陀螺仪（转动壳体完成操作），音频传感器（通过喊话或者声音识别完成操作），甚至普通的机械按钮或开关。为了修改计时值，本实施例中增加了拨码器40。当然，计时时长也可以根据开关接通时从感应器检查到的信号来定，比如：触摸次数，震动的强弱，声音的大小，按键持续时间长度或者按钮次数等。

图2显示的是多点控制的智能开关，它包括电池10，微处理器30，电动保持继电器51和多个震动开关。器件分布在多个壳体内，主壳体60内包含电池10，微处理器30，继电器51和1#震动开关21。智能开关初始时微处理器为休眠状态，继电器为开路，当人为触碰主壳体60时，震动开关震动产生中断信号唤醒微处理器，微处理器会根据震动的强弱判定是否闭合继电器并计算闭合持续的时间。继电器闭合后，微处理器开始计时，再次触碰主壳体60时可以断开继电器；或者在计时完成后自动断开继电器。

本实施例中，2#震动开关22和3#震动开关23则分别置于其他壳体中，它们和主壳体60内的1#震动开关通过导线连接（连线可以长达数十米也不影响性能）。三个震动开关可以相互并联（采用弹簧型常开震动开关）或者串联（采用滚珠型常闭震动开关）方式接入微处理器的同一中断口。当然，三个震动开关可以分别接入微处理器不同的中断口实现各自独立控制（微处理器对三个传感器信号进行独立分析）。

本实施例提供的分散布置多传感结构的实际应用至少包括以下情境：

日常照明中多个开关控制同一盏灯（如：卧室的床头和门口，楼上和楼下，长廊的两头）；

因插座安装在角落而不方便控制时，这种延长的开关可以按需要放置在触手可及的地方。

在实际应用中，如插座的控制，因为插座往往在角落里不便于触碰，可以取消主壳体60内的感应器，只保留主壳体外的一个感应器，该感应器可以离主壳体数米远。这种结构更加方便操作，而且由于感应器只连接了低压控制电源，因此不像传统落地灯使用的开关那样存在触电风险。

前文中提到各种可用于本发明的感应器，因其特性不同在具体实施时需要认真考虑智能开关的结构和安装位置，比如用陀螺仪的智能开关就不适合固定安装，而因采用可旋转的悬挂安装方式（整个开关悬挂或者陀螺仪在独立的悬挂壳体中）；用触摸传感器的智能开关最好是固定安装，而悬挂安装就增加了操作难度；用音频传感器的智能开关整体或者容纳传感器的壳体也不适合安装在隐蔽的角落。

为了显示计时值，可以增加led指示灯，蜂鸣器或者显示屏，以方便确认自动断开继电器的时间。

本发明实施时，除了用拨码器修改计时值外，也可以增加数据线接口，利用智能设备（如手机，移动电脑等）修改更多参数（包括计时值，传感器的灵敏度等）。甚至增加无线通讯模块，实现远程的管理和控制。

实际应用中，附加的计时指示模块和设置模块等可以置于主壳体中也可以置于其他保护感应器的壳体。

以上仅以几个较佳实施例说明本发明的设计意图，电池的选择，自保持继电器的选择，感应器的选择，参数设置方式，参数显示方式，感应器的数量和壳体的数量以及各器件在多个壳体内的分布选择等均可以在本发明的描述中得到启发而进行变更，若这些修改在本发明权利要求所述技术范围内，则这些修改依然属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种节能型负载电路控制智能开关，它至少包括：低压控制电源，微处理器，感应器和继电器，其特征在于：

低压控制电源为电池；

感应器为音频传感器、触摸传感器、加速度传感器、陀螺仪、震动开关或机械开关中的一种或多种组合；

继电器为磁保持继电器或者电动保持继电器；

感应器带有电平信号输出且连接到微处理器的中断口，用于唤醒平时处于休眠状态中的微处理器；

微处理器还用于采样并分析感应器信号，并根据分析结果控制继电器，实现负载电路的闭合或断开，继电器断开后智能开关进入休眠状态；

继电器闭合后微处理器进入计时状态，计时完成将自动断开继电器，且整个智能开关进入休眠状态。

2.根据权利要求1所述的智能开关，其特征在于：感应器为弹簧型或者滚珠型震动开关；震动开关不仅用于产生唤醒微处理器的中断，而且用于检测震动信号的强弱，此信号用于修改计时值。

3.根据权利要求1所述的智能开关，其特征在于：感应器为震动开关、加速度传感器或陀螺仪中的一种；感应器单独置于一个壳体内，智能开关的其他部分置于另一个壳体内，两壳体之间通过线缆连接。

4.根据权利要求1所述的智能开关，其特征在于：感应器包括两个以上的弹簧型震动开关；每个感应器置于独立的壳体，壳体之间通过线缆连接，震动开关之间相互并联接入到微处理器的同一个中断口。

5.根据权利要求1所述的智能开关，其特征在于：感应器包括两个以上的滚珠型震动开关；每个感应器置于独立的壳体，壳体之间通过线缆连接，震动开关之间相互串联接入到微处理器的同一个中断口。

6.根据权利要求1所述的智能开关，其特征在于：感应器包括两个以上的震动开关；每个震动开关置于独立的壳体，壳体之间通过线缆连接，每个震动开关接入到微处理器的独立中断口。

7.根据权利要求1-6任一项所述的智能开关，其特征在于：智能开关还包括用于计时指示的led灯、蜂鸣器或者显示屏。

8.根据权利要求1-7任一项所述的智能开关，其特征在于：智能开关还包括拨码器，用于修改计时值。

9.根据权利要求1-7任一项所述的智能开关，其特征在于：智能开关还包括智能设备数据线接口，用于修改参数。

10.根据权利要求1-7任一项所述的智能开关，其特征在于：智能开关还包括无线信号收发模块，由于远程管理和控制。