CN105679606B - 一种基于电磁继电器的无线过零通断开关及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电磁继电器的无线过零通断开关及控制方法，采用变压器和整流电路实现单相交流电转换为脉动直流电，利用整形电路进而将脉动直流电转换为脉冲直流电，作为单片机的外部中断信号，实现过零点检测；单片机接收到脉冲中断信号后，由脉冲周期与继电器响应时间差作为延时时间后，启动继电器进行投切，实现单相交流电准确地过零点投切。本发明所提出的一种基于电磁继电器的无线过零通断开关及控制方法，不会产生电弧，降低了开关损耗，可达到节能效果；变压器次级输出电压经整流滤波后，可以给单片机***供电。同时，采用无线控制负载开关，可以节省电线，节约安装成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能节能电器开关，特别是一种基于电磁继电器的无线过零通断开关及控制方法。
背景技术
家庭用电中，由于开关在开通和关断瞬间两侧的电功率不为零，会造成一定的电能损耗，甚至会产生电弧，这极大地影响开关的寿命。同时，在安装家用电器时需要进行极为复杂的布线，这不仅增大了家庭装修过程中的施工量以及家用电器安装的难度，同时大量的电线也增加了家电安装的成本。另外，分散的开关布置也使得用户在使用时较为不便。综上所述，还尚无合适的家电安装方案能克服以上缺点。
发明内容
本发明针对现有家庭用电电器开关的不足，提出了一种基于电磁继电器的过零通断无线开关，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于电磁继电器的无线过零通断开关，提供复数个继电器模块；所述继电器模块一端接入供电线路，另一端与该继电器模块对应的负载相连，包括一过零检测模块、一单片机控制模块、一无线通信模块以及一与所述无线通信模块匹配的无线遥控模块；所述过零检测模块的一端接入供电线路，另一端与所述单片机控制模块相连；所述单片机控制模块与所述继电器模块相连；所述单片机控制模块还与所述无线通信模块相连。
在本发明一实施例中，所述过零检测模块包括：变压器电路、整流桥电路以及整形电路；所述变压器电路包括一降压变压器TR1；所述整流桥电路包括一整流桥BR1；所述整形电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1以及第一三极管Q1；220V交流电连接所述降压变压器TR1一次侧，所述降压变压器TR1的二次侧接入所述整流桥BR1的交流输入端，所述整流桥BR1的正极引脚分别连接所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的一端，所述第二电阻R2的另一端分别连接所述第三电阻R3的一端、所述第一电容C1的一端以及所述第一三极管Q1的基极，所述第一三极管Q1的集电极分别接入所述第四电阻R4的一端以及所述单片机控制模块中控制芯片的中断接口，所述第四电阻R4的另一端连接电源VCC；所述整流桥BR1的负极引脚分别连接所述第一电阻R1的另一端、所述第三电阻R3的另一端、所述第一电容C1的另一端以及所述第一三极管Q1的发射极。
在本发明一实施例中，还包括一为所述单片机控制模块供电的电源模块；所述电源模块包括二极管D1、7805稳压芯片、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4以及第五电容C5；所述二极管D1的正极与所述整流桥BR1的正极引脚相连，所述二极管D1的负极分别连接所述第二电容C2的一端、所述第四电容C4的一端以及所述7805芯片的输入端；所述7805芯片的输出端分别连接所述第五电容C5的一端以及所述第三电容C3的一端，所述7805芯片的输出端输出电源VCC；所述第二电容C2的另一端、所述第三电容C3的另一端、所述第四电容C4的另一端、所述第五电容C5的另一端以及所述7805稳压芯片的接地端均连接至所述整流桥BR1的负极引脚。
在本发明一实施例中，所述继电器模块包括：第五电阻R5、第二三极管Q2以及继电器RL；所述单片机控制模块中控制芯片连接所述第五电阻R5的一端，所述第五电阻R5的另一端连接所述第二三极管Q2的基极，所述第二三极管Q2的集电极连接电源VCC，所述第二三极管Q2的发射级连接所述继电器RL的线圈的一端，所述继电器Rl的第一触点连接负载的一端，第二触点接入供电线路；所述继电器RL的线圈的一端连接至所述整流桥BR1的负极引脚。
进一步的，还提供一种基于电磁继电器的无线过零通断控制方法，单片机控制模块通过过零检测模块检测电压零点以及电流零点，并处于中断等待状态；当用户通过无线遥控模块发出吸合指令时，所述单片机控制模块通过延时控制，在电压零点控制继电器模块投切；当用户通过无线遥控模块发出断开指令时，所述单片机控制模块通过延时控制，在电流零点控制继电器模块断开。
在本发明一实施例中，按照如下步骤实现延时控制中的时序判断：
步骤S1：通过单片机控制模块根据所述过零检测模块输出脉冲周期以及继电器平均开启提前量或继电器平均关闭提前量，设定继电器模块中断后的延时时间长度；
步骤S2：检测所述单片机控制模块是否有中断响应；
步骤S3：在中断响应时刻，所述片机控制模块根据所述继电器平均开启提前量或所述继电器平均关闭提前量，控制所述继电器模块吸合或断开；
步骤S4：检测所述继电器模块实际动作时刻，并判断该继电器模块实际吸合或断开时刻是否与所述中断响应时刻匹配，若是，则转至步骤S5；否则，转至步骤S6；
步骤S5：则不修正所述继电器平均开启提前量或所述继电器平均关闭提前量；
步骤S6：所述片机控制模块根据所述继电器模块实际吸合或断开时刻与所述中断响应时刻的差值修正所述继电器平均开启提前量或所述继电器平均关闭提前量。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.一举两得，变压器经过处理后既当作传感器，同时也构成单片机供电电源。实现了家庭用电的过零控制，节约了家庭用电，提高了家用电器开关的使用寿命。
2.由无线通信实现家用电器的无线控制，节约电线。
3.将原来固定的机械式开关改无线遥控式的开关，不仅美观且实用，可以让用户非常方便地使用。
附图说明
图1是本发明基于电磁继电器的无线过零通断开关的原理框图。
图2是本发明基于电磁继电器的无线过零通断开关的过零检测电路。
图3是本发明基于电磁继电器的无线过零通断开关的单片机控制模块。
图4是本发明基于电磁继电器的无线过零通断开关的单片机电源电路。
图5是本发明基于电磁继电器的无线过零通断开关的继电器过零吸合（断开）方法流程图。
图6是本发明基于电磁继电器的无线过零通断开关的过零采样与吸合（断开）原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
在本实施例中，如图1和2所示，220V交流电通过降压、整流后形成脉动直流波形，脉动直流电压经过电阻分压后，再经过电容滤波，滤去高频成分，形成B点电压波形；当B点电压大于0.7V时，三极管Q2导通，在三极管集电极形成低电平；当B点电压低于0.7V时，三极管截止，三极管集电极通过上拉电阻R4，形成高电平。这样通过三极管的反复导通、截止，在单片机芯片过零检测端口C点形成100Hz脉冲波形。如图3，单片机芯片通过判断，检测电压的零点，控制继电器动作。如图4所示，变压整流的电路经过滤波稳压模块，继续给单片机芯片供电。稳压电路和检测电路通过二极管隔离开来，使过零检测不受滤波的影响。继电器的公共端和常开触点分别接火线和负载（可以接多个继电器来控制多路负载）。使用时，使用者按下遥控器，遥控器发出无线信号，当单片机接收到遥控器发出的信号时，单片机中断接口处于等待状态，当单片机中断管脚被触发时，单片机芯片驱动继电器提前动作，让对应的继电器在下一个电压零点闭合，从而实现过零投切技术。当需要断开电路时，遥控器发出信号，单片机接收到信号后，通过计算电压和电流相位的关系计算过电流零点，然后控制继电器在电流过零点时断开。
进一步的，在本实施例中，对电压信号采用自适应控制算法检测。如图5所示，控制算法的流程如下：由于经过三极管后的电压为脉冲电压，频率由50Hz增大到两倍即100Hz，即周期10ms。在控制器内部存储有一个所用此批继电器平均开启提前量TON作为默认初始值。当需要吸合电路时，根据TON来设定继电器吸合的提前初始值；检测单片机是否有中断响应，由中断时刻，根据初始值使继电器动作；检测继电器实际动作时刻和中断响应时刻，并判断是否吻合；若是，初始值选取合适，反之，根据检测继电器实际吸合时间点和中断时间点的差值修正预设值。
如图6所示，为本实施例中的过零采样与吸合原理图。设定t0时刻为采样点。根据电压周期T=10ms及默认开启提前量TON选取TX，则提前量初始值为TX-TON；在本实施例中，若T>=TON，则TX=T；如T<TON，则TX=(N+1)·T，N为整数，从1开始往大值取，直到TX>TON。在首次接到开启继电器信号后，即电源电压过零时，延时TX-TON后单片机发出命令让继电器闭合，由于继电器的延迟时间为TON，故理论上继电器在采样点之后经过NT后吸合，从而实现零电压开通，在本实施例中，TX-TON+TON=TX=NT，N为大于或等于1的整数。随后采样继电器触点两端的电压，通过滤波计算，若吸合时间正好是在电压过零点，则提前量TON不变；如果比过零点提前，则对TON重新赋值使TON=TON-提前量；如果比过零点滞后，则对TON重新赋值使TON=TON+滞后量。经过几次修正，即可完成过零投切。
继电器断开的时间点设置与吸合类似。在本实施例中，电压和电流相位关系计算过程如下：首先根据负载的参数对负载阻抗进行拉式变换，得到负载关于S以及负载阻抗参数的表达式，最后把S=jw代入表达式得到负载阻抗Z=R+jX。算出负载阻抗Z=|Z|∠Φz，其中，|Z|=√(R2+X2)为阻抗模，Φz=arctan(X/R)为阻抗角。则Φz为表示负载电压与电流的相位差，而T1=Φz*T/180(T为10ms)则为电压过零点与电流过零点的时间差。在控制器内部存储有一个所用此批继电器平均关闭提前量TOFF作为默认初始值，根据TOFF和T1来设定继电器断开的提前初始值；检测单片机是否有中断响应，由中断时刻，在单片机接收到中断信号后，再经过NT+T1-TOFF让继电器动作，N为非负整数，从0开始往大值取，直到NT+T1-TOFF>0。
进一步的，在本实施例中，以6路负载为例。若负载都为日光灯，则遥控器的1-6号按钮分别控制1-6号日光灯。对于每一盏日光灯，若当前状态为打开，则按下按钮后为日光灯关闭；反之，若当前为关闭状态，则按下按钮后日光灯打开。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于电磁继电器的无线过零通断开关，提供复数个继电器模块；所述继电器模块一端接入供电线路，另一端与该继电器模块对应的负载相连，其特征在于，包括一过零检测模块、一单片机控制模块、一无线通信模块以及一与所述无线通信模块匹配的无线遥控模块；所述过零检测模块的一端接入供电线路，另一端与所述单片机控制模块相连；所述单片机控制模块与所述继电器模块相连；所述单片机控制模块还与所述无线通信模块相连；
所述过零检测模块包括：变压器电路、整流桥电路以及整形电路；所述变压器电路包括一降压变压器TR1；所述整流桥电路包括一整流桥BR1；所述整形电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1以及第一三极管Q1；220V交流电连接所述降压变压器TR1一次侧，所述降压变压器TR1的二次侧接入所述整流桥BR1的交流输入端，所述整流桥BR1的正极引脚分别连接所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的一端，所述第二电阻R2的另一端分别连接所述第三电阻R3的一端、所述第一电容C1的一端以及所述第一三极管Q1的基极，所述第一三极管Q1的集电极分别接入所述第四电阻R4的一端以及所述单片机控制模块中控制芯片的中断接口，所述第四电阻R4的另一端连接电源VCC；所述整流桥BR1的负极引脚分别连接所述第一电阻R1的另一端、所述第三电阻R3的另一端、所述第一电容C1的另一端以及所述第一三极管Q1的发射极。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁继电器的无线过零通断开关，其特征在于，还包括一为所述单片机控制模块供电的电源模块；所述电源模块包括二极管D1、7805稳压芯片、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4以及第五电容C5；所述二极管D1的正极与所述整流桥BR1的正极引脚相连，所述二极管D1的负极分别连接所述第二电容C2的一端、所述第四电容C4的一端以及所述7805芯片的输入端；所述7805芯片的输出端分别连接所述第五电容C5的一端以及所述第三电容C3的一端，所述7805芯片的输出端输出电源VCC；所述第二电容C2的另一端、所述第三电容C3的另一端、所述第四电容C4的另一端、所述第五电容C5的另一端以及所述7805稳压芯片的接地端均连接至所述整流桥BR1的负极引脚。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁继电器的无线过零通断开关，其特征在于，所述继电器模块包括：第五电阻R5、第二三极管Q2以及继电器RL；所述单片机控制模块中控制芯片连接所述第五电阻R5的一端，所述第五电阻R5的另一端连接所述第二三极管Q2的基极，所述第二三极管Q2的集电极连接电源VCC，所述第二三极管Q2的发射级连接所述继电器RL的线圈的一端，所述继电器RL的第一触点连接负载的一端，第二触点接入供电线路；所述继电器RL的线圈的一端连接至一整流桥BR1的负极引脚。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁继电器的无线过零通断开关，其特征在于，单片机控制模块通过过零检测模块检测电压零点以及电流零点，并处于中断等待状态；当用户通过无线遥控模块发出吸合指令时，所述单片机控制模块通过延时控制，在电压零点控制继电器模块投切；当用户通过无线遥控模块发出断开指令时，所述单片机控制模块通过延时控制，在电流零点控制继电器模块断开。
5.根据权利要求4所述的一种基于电磁继电器的无线过零通断开关，其特征在于，按照如下步骤实现延时控制中的时序判断：
步骤S1：通过单片机控制模块根据所述过零检测模块输出脉冲周期以及继电器平均开启提前量或继电器平均关闭提前量，设定继电器模块中断后的延时时间长度；
步骤S2：检测所述单片机控制模块是否有中断响应；
步骤S3：在中断响应时刻，所述片机控制模块根据所述继电器平均开启提前量或所述继电器平均关闭提前量，控制所述继电器模块吸合或断开；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181225 |
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