CN102255317B - 地震报警家庭电子节电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地震报警家庭电子节电器，包括有集成为一体的家庭节电器及地震报警器。家庭节电器包括有节电器控制单元一，以及接入控制单元一的交流电流信号采集单元、交流电压信号采集单元、电容补偿执行单元；地震报警器包括有地震信号控制单元二，以及接入控制单元二的传感器单元、数据存储单元、移位寄存器单元、数码管显示单元、按键设定单元、声报警单元、光报警单元。本发明能够有效提高家庭用电的功率因数，并实时智能化检测无功功率，实现自动补偿，以达到节约用电的目的。同时本发明能够有效地实现地震预警，提高了对于地震灾害的应急预警能力。
Description
技术领域
本发明涉及家用电子器件领域，具体为一种地震报警家庭电子节电器。
背景技术
当前市场上销售的家庭节电器，基本上都是将一定容量的补偿电容并联在线路上，而不判断线路上是否需要补偿，补偿多少。家庭使用的感性负载，如家用空调、冰箱、洗衣机、抽油烟机、电磁炉等都是断续使用的，如果在线路不需要补偿时而进行过补偿，就会使负载变成容性负载，同样也会消耗无用功。同时当前地壳板块进入活跃期，造成地震频发、人心惶惶，通过有关部门分析，造成地震主要灾害的是S波。现有技术的地震预警装置预警效果较差，无法有力地保障人们的人身安全和财产安全。
发明内容
本发明目的是提供一种地震报警家庭电子节电器，以解决现有技术家庭节电器无法判断线路是否需要补偿的问题，以及利用地震发生时P波与S波之间的传播速度差，以实现地震预警。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
地震报警家庭电子节电器，其特征在于：包括有集成为一体的家庭节电器及地震报警器；
所述家庭节电器包括有控制单元一、交流电流信号采集单元、电压信号采集单元、电容补偿单元，控制单元一包括型号为AT89C4051的单片机，所述单片机的VPP引脚通过电阻接地，VCC引脚接外部+5V电源，且VPP引脚与VCC引脚之间接有电容，单片机的XTAL1引脚与XTAL2引脚之间接有晶振电路，单片机的GND引脚接地，P1.0引脚通过二极管接地，P1.0引脚还通过电阻接外部电源，所述交流电流信号采集单元的输出接入单片机的P1.1引脚，电压信号采集单元的输出接单片机的P1.2引脚，单片机的P1.6引脚、P1.7引脚分别接有电容补偿单元；
所述交流电流信号采集单元包括型号为AH3144E的单极霍尔元件，所述单极霍尔元件通过检测“C”型磁环中是否感应到交流线路中电流的磁场变化，将单片机的P1.1脚信号从高电位下拉为低电平，促使单片机内部比较器输出端P3.6发生反转；
所述电压信号采集单元包括型号为PC817的光耦合器，所述光耦合器两输入端分别通过二极管接入家庭用电线路中，且光耦合器两输入端的二极管方向相反，光耦合器两输入端之间还接有另一稳压二极管，所述光耦合器一个输出端接地，另一个输出端与单片机的P1.2引脚连接，且光耦合器与单片机P1.2引脚连接的输出端还通过上拉电阻接外部+5V电源；
所述电容补偿单元包括两个三极管，两个三极管的发射极分别接地，其中第一个三极管集电极与第二个三极管基极连接，第一个三极管的基极、集电极分别各自通过电阻接外部电源，第二个三极管的集电极接有继电器，所述继电器的输出上连接有补偿电容，所述补偿电容接入家庭用电线路中，所述单片机的P1.6引脚、P1.7引脚分别与各自接入的电容补偿单元中第一个三极管的基极通过电阻连接；
所述地震报警器包括有控制单元二、传感器单元、数据存储单元、移位寄存器单元、数码管显示单元、按键设定单元、声报警单元、光报警单元，所述控制单元二包括型号为AT89C4051的单片机，所述单片机的XTAL1引脚、XTAL2引脚之间接有晶振电路，VPP引脚通过电阻接地，VPP引脚还通过电容接外部电源，GND引脚接地，单片机VCC引脚接外部+5V电源，P1.1引脚、P3.7引脚之间接有串联的两个电阻，且两个串联电阻之间通过电容接地，单片机P3.7引脚还通过电阻接外部电源；
所述传感器单元包括型号为MMA7260Q的三轴的加速度传感器，所述加速度传感器的g-Select1引脚、g-Select2引脚分别接入一个型号为SW-DIP-4的编码开关；加速度传感器的VSS引脚、N/C引脚全部接地，VDD引脚接入一个3.3V的HT7533稳压芯片中，所述HT7533稳压芯片接外部+5V电源，加速度传感器的Zout引脚通过两个串联的电阻接入单片机的P1.0引脚，且Zout引脚上两个串联电阻之间、电阻与单片机的P1.0引脚之间还分别通过电容接地；
所述数据存储器单元包括型号为AT24C02的2K存储器，所述存储器的A0引脚、VCC引脚分别接外部+5V电源，A1引脚、A2引脚、GND引脚分别接地，存储器的WP引脚、SCL引脚、SDA引脚分别与单片机的P3.2引脚、P3.4引脚、P3.3引脚一一对应连接；
所述移位寄存器单元包括型号为74HC164的移位寄存器，所述移位寄存器的VCC引脚通过一个T431稳压芯片接外部+5V电源，移位寄存器的A、B引脚与单片机的P3.0引脚连接，END引脚接地，移位寄存器的CLK引脚与单片机的P3.1引脚连接，CLK引脚还通过电容接地，移位寄存器的MR引脚接高电平；
所述数码管显示单元包括共阴数码管，所述共阴数码管的第一引脚与移位寄存器的Q3引脚、第二引脚与移位寄存器的Q4引脚、第三引脚与移位寄存器的Q0引脚、第四引脚与移位寄存器的Q5引脚、第五引脚与移位寄存器的Q1引脚、第七引脚与移位寄存器的Q6引脚、第十引脚与移位寄存器的Q2引脚、第十一引脚与移位寄存器的Q7引脚分别连接；
所述按键设定单元包括三个一端并联的按键，按键的并联端接入单片机的P1.2引脚，三个按键非并联端分别与单片机的P1.7引脚、P1.6引脚、P1.5引脚一一连接；
所述声报警单元包括有两个发射极分别接地的三极管、蜂鸣器，其中第一个三极管的基极通过电阻与单片机的P3.5引脚连接，且第一个三极管的基极、集电极分别通过电阻接外部电源，第二个三极管基极与第一个三极管的集电极连接，第二个三极管的集电极接入蜂鸣器接线端；
所述光报警单元包括两个阴极并联的发光二极管，两个发光二极管的阴极并联端与单片机的P1.3引脚连接。两个发光二极管的阳极端与移位寄存器的Q2引脚、Q1引脚连接。
本发明能够有效提高家庭用电的功率因数，并实时智能化检测无功功率，实现自动补偿，进而提高家用空调、冰箱、洗衣机、抽油烟机、电磁炉等感性负载的功率因数，以达到节约用电的目的。同时本发明利用地震发生时P波与S波之间的传播“速度差”， 以及地震发生后P波和S波传递到人口密集的城市中的“时间差”来进行预警的。本发明能够有效地实现地震预警，提高了对于地震灾害的应急预警能力。
附图说明
图 1为本发明节电器控制单元一电路原理图。
图 2为本发明交流电流信号采集单元电路原理图。
图 3为本发明交流电压信号采集单元电路原理图。
图 4为本发明单片机P1.6引脚上的电容补偿执行单元电路原理图。
图 5为本发明单片机P1.7引脚上的电容补偿执行单元电路原理图。
图 6为本发明地震信号控制单元二电路原理图。
图 7为本发明地震传感器单元电路原理图。
图 8为本发明数据存储器单元电路原理图。
图 9为本发明移位寄存器单元电路原理图。
图10为本发明数码管显示单元电路原理图。
图11为本发明按键设定单元电路原理图。
图12为本发明声报警单元电路原理图。
图13为本发明光报警单元电路原理图。
具体实施方式
地震报警家庭电子节电器，包括有集成为一体的家庭节电器及地震报警器。
家庭节电器包括有节电控制单元一、交流电流信号采集单元、交流电压信号采集单元、电容补偿单元。
如图1所示。控制单元一包括型号为AT89C4051的单片机U01，单片机U01的VPP引脚通过电阻R01接地，VCC引脚接外部电源VCC，且VPP引脚与VCC引脚之间接有电容CE01，单片机U01的XTAL1引脚与XTAL2引脚之间接有晶振电路，晶振电路有晶振Y、电容C01、电容C02构成，单片机U01的GND引脚接地，P1.0引脚通过二极管D01接地，P1.0引脚还通过电阻R02接外部电源VCC，交流电流信号采集单元的输出接入单片机U01的P1.1引脚，电压信号采集单元的输出接单片机U01的P1.2引脚，单片机U01的P1.6引脚、P1.7引脚分别接有电容补偿单元；
如图2所示。交流电流信号采集单元包括型号为AH3144E的单极霍尔元件，所述单极霍尔元件通过检测“C”型磁环中是否感应到交流线路中电流的磁场变化，将单片机的P1.1脚信号从高电位下拉为低电平，促使单片机内部比较器输出端P3.6发生反转；
如图3所示。电压信号采集单元包括型号为PC817的光耦合器U02，光耦合器U02两输入端分别通过二极管D02、D03接入家庭用电线路中，且光耦合器两输入端的二极管D02、D03方向相反，光耦合器U02两输入端之间还接有另外的二极管D04，光耦合器U02一个输出端接地，另一个输出端与单片机U01的P1.2引脚连接，且光耦合器U02与单片机U01的P1.2引脚连接的输出端还通过上拉电阻R04接外部电源VCC；
如图4所示。与单片机U01的P1.6引脚连接的电容补偿单元包括两个三极管Q01、Q02，两个三极管Q01、Q02的发射极分别接地，其中第一个三极管Q01集电极与第二个三极管Q02基极连接，第一个三极管Q01的基极、集电极分别各自通过电阻R06、R07接外部电源VCC，第二个三极管器Q02的集电极接有继电器K01，继电器K01的输出上连接有补偿电容C03，单片机U01的P1.6引脚通过电阻R08与第一个三极管Q01的基极连接。
如图5所示。与单片机U01的P1.7引脚连接的电容补偿单元包括两个三极管Q03、Q04，两个三极管Q03、Q04的发射极分别接地，其中第一个三极管Q03集电极与第二个三极管Q04基极连接，第一个三极管Q03的基极、集电极分别各自通过电阻R09、R10接外部电源VCC，第二个三极管器Q04的集电极接有继电器K02，继电器K02的输出上连接有补偿电容C04，补偿电容C04接入家庭用电线路中，单片机U01的P1.7引脚通过电阻R11与第一个三极管Q03的基极连接。
地震报警器包括有地震信号控制单元二、传感器单元、数据存储单元、移位寄存器单元、显示单元、按键设定单元、声报警单元、光报警单元。
如图6所示。地震信号控制单元二包括型号为AT89C4051的单片机U11，单片机U11的XTAL1引脚、XTAL2引脚之间接有晶振电路，VPP引脚通过电阻R01接地，VPP引脚还通过电容CE01接外部电源VCC，GND引脚接地，单片机U11的VCC引脚接外部电源+5V；
如图7所示。传感器单元包括型号为MMA7260Q的三轴的加速度传感器U15，加速度传感器U15的g-Select1引脚、g-Select2引脚分别接入一个型号为SW-DIP-4的编码开关S11；加速度传感器U15的VSS引脚、N/C引脚全部接地，VDD引脚接入一个3.3V的HT7533稳压芯片U16中，HT7533稳压芯片U16接外部+5V电源，加速度传感器U15的Zout引脚通过两个串联的电阻接入单片机U11的P1.0引脚，且Zout引脚上两个串联电阻之间、电阻与单片机U11的P1.0引脚之间还分别通过电容接地；
如图8所示。数据存储器单元包括型号为AT24C02的2K存储器，存储器U12的A0引脚、VCC引脚分别接外部+5V电源，A1引脚、A2引脚、GND引脚分别接地，存储器U12的的WP引脚、SCL引脚、SDA引脚分别与单片机U11的P3.2引脚、P3.4引脚、P3.3引脚一一对应连接；
如图9所示。移位寄存器单元包括型号为74HC164的移位寄存器，移位寄存器的VCC引脚通过一个T431稳压芯片接外部+5V电源，移位寄存器的A、B引脚与单片机U11的P3.0引脚连接，END引脚接地，移位寄存器的CLK引脚与单片机U11的P3.1引脚连接，CLK引脚还通过电容接地，移位寄存器的MR引脚接高电平；
如图10所示。数码管显示单元包括共阴数码管，共阴数码管的第一引脚与移位寄存器的Q3引脚、第二引脚与移位寄存器的Q4引脚、第三引脚与移位寄存器的Q0引脚、第四引脚与移位寄存器的Q5引脚、第五引脚与移位寄存器的Q1引脚、第七引脚与移位寄存器的Q6引脚、第十引脚与移位寄存器的Q2引脚、第十一引脚与移位寄存器的Q7引脚分别连接；
如图11所示。按键设定单元包括三个一端并联的按键S1、S2、S3，按键S1、S2、S3的并联端接入单片机的P1.2引脚，三个按键S1、S2、S3非并联端分别与单片机的P1.7引脚、P1.6引脚、P1.5引脚一一连接；
如图12所示。声报警单元包括有两个发射极分别接地的三极管、蜂鸣器LS，其中第一个三极管的基极通过电阻与单片机U11的P3.5引脚连接，且第一个三极管的基极、集电极分别通过电阻接外部电源，第二个三极管基极与第一个三极管的集电极连接，第二个三极管的集电极接入蜂鸣器LS接线端；
如图13所示。光报警单元包括两个阴极并联的发光二极管LD1、LD2，两个发光二极管LD1、LD2的阴极并联端与单片机U11的P1.3引脚连接。两个发光二极管LD1、LD2的阳极端与移位寄存器的Q2引脚、Q1引脚连接。
本发明家庭节电器中，首先要测量家庭用电路中电压、电流之间的相位差φ，因为家庭用电中，一般只有两种：一种为纯电阻型负载，如电饭锅、电热水器、电热毯等；另一种为感性负载，如家用空调、冰箱、洗衣机、抽油烟机、电磁炉等。众所周知电阻型负载功率因数为1.0，而电感型负载，功率因数一般都低，只有0.8左右，这时就需要检测出电流滞后于电压相位差的多少，来进行电容的补偿。交流电有正负半周，当电压在正半周过零点时，通过高低压光电隔离，使单片机P1.2脚采集到电压信号后，单片机内部T0计时器开始计时，一直等到单片机内部比较器输出端P3.6由高电平变为低电平时，停止计时，此计时时间的大小与相位差成正比。当计数为零时，即表示负载为纯电阻型，不需要进行电容补偿；当计数值越大，补偿电容投入越多。交流电流的检测没有采用体积庞大的电流互感器，因为此节电器仅需要采集正半周电流过零点时的信号，所以选用体积小的单极霍尔开关采集电流相位传感器，当“C”状的磁环中有交流电流产生的变化磁场时，单片机的P1.1脚将采集到单极霍尔开关输出变化信号，促使单片机内部比较器输出端P3.6发生反转，基于此计时时间的多少，单片机进行逻辑判断，是否进行电容补偿，补偿量多少，先补偿的先切除，后补偿的延时切除。
本发明地震报警器选用目前市场上集成度最高的飞思卡尔MMA7260Q三轴（X轴、Y轴、Z轴）加速传感器，此加速传感器可用来侦测X、Y、Z轴方向的加速度，以类比电压来表示所侦测的加速度的大小，在IC内部主要由双芯片构成，即重力感测单元（负责加速度的侦测）与控制IC单元（负责信号处理）。X轴或Z轴的重力检测单元将检测到的加速度变化量信号送到电荷积分器做积分运算，而后进行取样、保持及信号放大处理，最后用低通滤波器滤除高频噪音，在温度补偿处理后即可输出加速度信息。此输出的类比电压与侦测的加速度值会维持线性比例的特性，不会受到温度的影响。根据加速传感器的典型角度响应线型可知，在0度范围，倾斜角与电压呈线性变化。而在 90度范围，倾斜角与电压则呈现饱和情况。因此在安装加速传感器时必需确保Z轴与地面垂直。当传感器检测到大地震动的P波时，在Z out脚上产生1.65V上下波动的电压，单片机采集到此数据后进行逻辑运算处理，输出到数码管上显示震级多少，并判断是否需要进行报警等处理等。此地震报警电子处理仪可以根据需要修改存储器内的报警等级。
Claims (1)
1.地震报警家庭电子节电器，其特征在于：包括有集成为一体的家庭节电器及地震报警器；
所述家庭节电器包括有控制单元一、交流电流信号采集单元、电压信号采集单元、电容补偿单元，控制单元一包括型号为AT89C4051的单片机，所述单片机的VPP引脚通过电阻接地，VCC引脚接外部+5V电源，且VPP引脚与VCC引脚之间接有电容，单片机的XTAL1引脚与XTAL2引脚之间接有晶振电路，单片机的GND引脚接地，P1.0引脚通过二极管接地，P1.0引脚还通过电阻接外部+5V电源，所述交流电流信号采集单元的输出接入单片机的P1.1引脚，电压信号采集单元的输出接单片机的P1.2引脚，单片机的P1.6引脚、P1.7引脚分别接有电容补偿单元；
所述交流电流信号采集单元包括型号为AH3144E的单极霍尔元件，所述单极霍尔元件通过检测“C”型磁环中是否感应到交流线路中电流的磁场变化，将单片机的P1.1脚信号从高电位下拉为低电平，促使单片机内部比较器输出端P3.6发生反转；
所述电压信号采集单元包括型号为PC817的光耦合器，所述光耦合器两输入端分别通过二极管接入家庭用电线路中，且光耦合器两输入端的二极管方向相反，光耦合器两输入端之间还接有稳压二极管，所述光耦合器一个输出端接地，另一个输出端与单片机的P1.2引脚连接，且光耦合器与单片机P1.2引脚连接的输出端还通过上拉电阻接外部+5V电源；
所述电容补偿单元包括两个三极管，两个三极管的发射极分别接地，其中第一个三极管集电极与第二个三极管基极连接，第一个三极管的基极、集电极分别各自通过电阻接外部+5V电源，第二个三极管的集电极接有继电器，所述继电器的常开开关连接有补偿电容，所述补偿电容接入家庭用电线路中，所述单片机的P1.6引脚、P1.7引脚分别与各自接入的电容补偿单元中第一个三极管的基极通过电阻连接；
所述地震报警器包括有控制单元二、传感器单元、数据存储单元、移位寄存器单元、数码管显示单元、按键设定单元、声报警单元、光报警单元，所述控制单元二包括型号为AT89C4051的单片机，所述单片机的XTAL1引脚、XTAL2 引脚之间接有晶振电路，VPP引脚通过电阻接地，VPP引脚还通过电容接外部+5V电源，GND引脚接地，单片机VCC引脚接外部+5V电源，P1.1引脚、P3.7引脚之间接有串联的两个电阻，且两个串联电阻之间通过电容接地，单片机P3.7引脚还通过电阻接外部+5V电源；
所述传感器单元包括型号为MMA7260Q的三轴的加速度传感器，所述加速度传感器的g-Select1引脚、g-Select2引脚分别接入一个型号为SW-DIP-4的编码开关；加速度传感器的VSS引脚、N/C引脚全部接地，VDD引脚接入一个3.3V的HT7533稳压芯片中，所述HT7533稳压芯片接外部+5V电源，加速度传感器的Zout引脚通过两个串联的电阻接入单片机的P1.0引脚，且Zout引脚上两个串联电阻之间、直接相接单片机的P1.0引脚一端的电阻与单片机的P1.0引脚之间还分别通过电容接地；
所述数据存储器单元包括型号为AT24C02的2K存储器，所述存储器的A0引脚、VCC引脚分别接外部+5V电源，A1引脚、A2引脚、GND引脚分别接地，存储器的WP引脚、SCL引脚、SDA引脚分别与单片机的P3.2引脚、P3.4引脚、P3.3引脚一一对应连接；
所述移位寄存器单元包括型号为74HC164的移位寄存器，所述移位寄存器的VCC引脚通过一个T431稳压芯片接外部+5V电源，移位寄存器的A、B引脚与单片机的P3.0引脚连接，END引脚接地，移位寄存器的CLK引脚与单片机的P3.1引脚连接，CLK引脚还通过电容接地，移位寄存器的MR引脚接外部+5V电源；
所述数码管显示单元包括共阴数码管，所述共阴数码管的第一引脚与移位寄存器的Q4引脚、第二引脚与移位寄存器的Q3引脚、第三引脚与移位寄存器的Q7引脚、第四引脚与移位寄存器的Q4引脚、第五引脚与移位寄存器的Q6引脚、第七引脚与移位寄存器的Q1引脚、第十引脚与移位寄存器的Q5引脚、第十一引脚与移位寄存器的Q0引脚分别连接；
所述按键设定单元包括三个一端并联的按键，按键的并联端接入单片机的P1.2引脚，三个按键非并联端分别与单片机的P1.7引脚、P1.6引脚、P1.5引脚一一连接；
所述声报警单元包括有两个发射极分别接地的三极管、蜂鸣器，其中第一个 三极管的基极通过电阻与单片机的P3.5引脚连接，且第一个三极管的基极、集电极分别通过电阻接外部+5V电源，第二个三极管基极与第一个三极管的集电极连接，第二个三极管的集电极接入蜂鸣器接线端；
所述光报警单元包括两个阴极并联的发光二极管，两个发光二极管的阴极并联端与单片机的P1.3引脚连接，两个发光二极管的阳极端与移位寄存器的Q5引脚、Q6引脚连接；
所述的地震报警家庭电子节电器仅需要采集正半周电流过零点时的信号，选用体积小的单极霍尔开关采集电流相位传感器，当“C”状的磁环中有交流电流产生的变化磁场时，单片机的P1.1脚将采集到单极霍尔开关输出变化信号，促使单片机内部比较器输出端P3.6发生反转，基于此计时时间的多少，单片机进行逻辑判断，是否进行电容补偿，补偿量多少，先补偿的先切除，后补偿的延时切除。
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