CN201114873Y - 一种单火线取电电路及可遥控的单火线开关控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单火线取电电路和基于单火线取电应用的可遥控的单火线开关控制装置。该电路包括火线接通取电电路，火线接通取电电路包括串联取电开关、整流滤波电路和低压管理电路，串联取电开关接入整流滤波电路，整流滤波电路接入低压管理电路，低压管理电路接入串联取电开关。该装置包括单火线取电电路、安装有嵌入式程序的微处理器和电力线开关控制单元，微处理器分别与单火线取电电路和电力线开关控制单元相接。本实用新型为解决现有只能采用零火双线取电的技术问题及解决当前不能有效对火线开关进行智能化和网络化控制的技术问题。

Description

一种单火线取电电路及可遥控的单火线开关控制装置

技术领域：

本实用新型涉及一种单火线取电电路和基于单火线取电应用的可遥控的单火线开关控制装置。

背景技术：

现有的市场并没有出现真正意义上的单火线开关，已有的具有遥控功能的电力线开关产品主要采用零火双线取电设计，这样设计虽然简单，但是漏电往往较高，不符合节电环保要求，而且安装极其不方便，不适合目前世界范围内主流的家居单火线布线的习惯。有一些宣称能用于单火线应用的开关产品，经检测分析具有很大的漏电流，有的甚至超过1毫安，这样不但不符合节能要求而且可能给用户带来触电危险，同时这种产品适合的负载面狭窄，比如在家居灯控方面，经常会限制用户的灯具在一定的功率范围内，还有很多产品在使用时要在用户的灯具上并联电阻等取电负载，额外浪费电能。

随着科技的发展和人民生活水平的提高，人们对家居照明提出了新的要求，不仅要能方便控制照明灯，控制照明时间和亮度，而且要与家居子系统配合，在不同的情景场合做出相应的灯光场景，还要考虑到照明管理的智能化和灵活性。总之人们需要一个优秀的智能照明系统，提升家庭环境的品质，确保家庭生活的舒适和健康。

传统的开关在很多时候表现出明显的缺陷，比如在别墅、跃层或大面积的房间，关开灯没有遥控功能很不方便，没有场景操作，不能对成组的灯进行控制。双控开关布线复杂，而又很难实现三控和多控。而且改变一个开关的控制对象是不可能的事。在装修好的房子里增加灯和开关，就会破坏装修。另外开关灯原理不合乎节能的要求。由于关灯不方便，造成关灯不及时而浪费电。还有开关灯时，亮度骤然变化，不仅对人眼的刺激很大，而且灯丝温度骤冷骤热，影响灯泡的使用寿命。不能自动延时关灯，费电、费事。在这种需求下，传统的开关必然要发展到智能化和网络化。市面上能见到的个别智能开关产品也不能满足人们整体的需要。这些类似宾馆床头的总控制盒的概念，连线复杂，且只能在一个地方控制，不适合用于大房子。在目前的市场上的所谓新型开关还存在下面的问题：单独的遥控灯不能实现网络化的控制方式；不能用一个遥控器控制所有的灯；单独的调光开关只是调光，没有记忆功能，不能自动延时或进行其他高级操作。

实用新型内容

本实用新型一个目的是提供一种单火线取电电路，以解决现有只能采用零火双线取电的技术问题。

本实用新型的另一个目的是提供一种含有单火线取电电路的可遥控的单火线开关控制装置，以解决当前不能有效对火线开关进行智能化和网络化控制的技术问题。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型为一种单火线取电电路，其特殊之处在于：该电路包括火线接通取电电路，火线接通取电电路包括串联取电开关、整流滤波电路和低压管理电路，串联取电开关接入整流滤波电路，整流滤波电路接入低压管理电路，低压管理电路接入串联取电开关。

上述电路还包括可与火线接通取电电路相互切换的火线断开取电电路，火线断开取电电路包括降压网络电路、电压调整器和低压管理电路，降压网络电路接入电压调整器，电压调整器接入低压管理电路，低压管理电路接入电压调整器。

上述火线接通取电电路包括单向接入器，整流滤波电路通过单向接入器接入低压管理电路。

上述火线接通取电电路包括迟滞比较电路，低压管理电路通过迟滞比较电路接入串联取电开关。

上述火线断开取电电路包括单向接入器，电压调整器通过单向接入器接入低压管理电路。

一种单火线开关控制装置，其特殊之处在于：该装置包括单火线取电电路、安装有嵌入式程序的微处理器和电力线开关控制单元，微处理器分别与单火线取电电路和电力线开关控制单元相接。

上述装置还包括有用电器过流过热保护单元，电力线开关控制单元接入用电器过流过热保护单元，用电器过流过热保护单元与微处理器相接。

上述装置还包括有无线遥控单元，单火线取电电路与无线遥控单元相接，无线遥控单元与微处理器相接，无线遥控单元的遥控的方式为RF、红外或超声波。

上述装置还包括有轻触开关，轻触开关与微处理器相接，轻触开关采用LCD触控面板。

上述嵌入式程序包括按键诊测与防抖程序、按键面板显示与声响控制子程序、负载检测子程序、负载过压过流检测与防护子程序、交流电零点识别子程序和开关控制时序子程序。

本实用新型具有以下优点：

1、应用范围广。本实用新型采用了独特的单火线取电设计，通过单火线取电电路，通过单火线就可实现取电，可广泛适用于世界范围内主流的家居单火线布线的墙壁开关、地板插座、断路器、工业设备电源控制等产品。

2、可实现智能化和网络化控制。本实用新型不仅创新设计了单火线的超低功耗取电线路，取电电路包括开启取电与火线断开取电电路设计；而且创新设计了单火线开关控制装置，其含有超低功耗微处理器应用电路、实现了与超低功耗微处理器电路配合的电力线开关控制单元以及轻触开关设计；无线遥控的方式可以通过射频无线、红外或超声波等方式实现，通过硬件的选择和软件的节能优化，各种无线方式都能低功耗的应用于开关指令信号的传输；并且通用电器过流过热保护单元与单火线取电电路相结合，能实现对开关本身及用电设备的保护；超低功耗微处理器内还安装有嵌入式程序，软件程序中定义了无线控制编码协议，包含该协议的嵌入式程序的运行，使开关装置具有开关码学习和情景学习功能，并能进行网络化管理。整个装置结构紧凑，完全适合装入墙壁开关常用的单火线接线盒内，尤其可以直接集成到灯内，与灯具一体化使用，省掉外部开关。同时单火线开关控制装置创新的采用了LCD触摸屏，具有普通手动开关的功能：每组按键按一下键开灯，再按一下键关灯。一路或多路灯光控制，既可以本地开关操作，也能响应符合该开关认知的遥控指令，实现智能家居网络控制。响应各种符合该开关遥控指令的遥控器、集中控制器、电话远程控制器、场景开关控制器、计算机网络控制器、定时控制器等发射单元发出的开、关、延时操作或场景操作命令，从而实现网络化控制。

附图说明

图1是本实用新型的火线接通取电电路原理示意图；

图2是本实用新型的火线断开取电电路原理示意图；

图3是本实用新型的可遥控的单火线开关控制装置原理示意图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型的，火线接通取电电路包括串联取电开关31、整流滤波电路32、单向接入器34、低压管理电路35和迟滞比较电路33，串联取电开关31接入整流滤波电路32，整流滤波电路32接入单向接入器34、单向接入器34接入低压管理电路35，低压管理电路35通过迟滞比较电路33接入串联取电开关31。

其中串联取电开关31，与用电器串联在火线上，一般选用大功率MOS管，比如NTD4804N、IRL3803S等等，也可选用IGBT管。串联取电方式有两种方式，一是选用一个MOS管作为取电开关，可取电周期为交流电周期，即相对50hz而言每20ms取电一次，取电相位在交流电压峰值时刻。二是选用两个MOS管作为取电开关，每个工频周期取两次电，取电电压在交流零点附近。第一种方式成本低，但是影响交流波形明显，容易造成低功率(3W以下)用电器用电功率不稳定；第二种方式具有良好取电效率，并不容易造成用电流波形的异变。

整流滤波电路32由二极管组成半波或全波整流电路，二极管选用IN4007或其它可整流用二极管即可。

迟滞比较电路33可由运算放大器组成，一般选用CMOS型运放，比如LM321等或其替代产品，电压迟滞范围根据低压用电的不同一般选在1-3V。也可以选用三极管组成迟滞比较电压电路，常用的三极管为A42、A92及其替代品。迟滞比较电路的输出连接串联取电开关31电路控制端，以控制取电开关通断。

单向接入器34保证火线断开取电电路不影响火线接通取电电路，同时保证火线接通时迅速接通，取电输出到后端低压管理电路35，并阻断火线断开取电电路有效接入低压管理电路35。

低压管理电路35为电力线开关控制单元提供启动与维持电流，并采用超低功耗的LDO，比如XC6206系列或HT75xx-1系列等等，为遥控接收电路、微处理器电路、轻触开关等其他电路提供电源。

参见图2，本实用新型还包括有可与火线接通取电电路相互切换的火线断开取电电路，火线断开取电电路包括降压网络电路21、电压调整器22、单向接入器23和低压管理电路24，降压网络电路21接入电压调整器22，电压调整器22接入单向接入器23、单向接入器23接入低压管理电路24，低压管理电路24接入电压调整器22。

降压网络电路21有两种结构，一是变压器降压网络电路，选择N∶1的小功率变压器，输出极线圈电流最大值不超过1mA。一般选择20∶1变压器即可。为了得到较高的变换效率，不以工频50/60HZ进行变换，而是将AC220/AC110先进行高压整流，然后以较高的频率(几Kh至几十Khz)，以PWM(脉宽调制)方式进行DC-DC变换而降压。二是阻容降压网络电路，实际上通过RC组成的分压电路，将火线电压AC220降到一定的低压，以使后面的电压调整器22能稳定工作。

电压调整器22，一般由高耐压的中功率三极管为主组成，比如TS13002、A44等等，该三极管是电压调整元件，反馈电压来自后面的低压管理电路的输入，通过电压调整器会得到一个相对稳定的低压输出。

单向接入器23，用来防护开启取电电压对关闭取电电路的影响，同时单向接入器23也保证包含多路开关的单火线开关控制装置中的各路开关之间相互隔离。

低压管理电路24结构同低压管理电路35。

参见图3，单火线开关控制装置包括单火线取电电路12、电力线开关控制单元13、安装有嵌入式程序的微处理器14、无线遥控单元15、用电器过流过热保护单元16、轻触开关17，微处理器14分别与单火线取电电路12、电力线开关控制单元13、用电器过流过热保护单元16、无线遥控单元15和触开关17相接，电力线开关控制单元13接入用电器过流过热保护单元16，单火线取电电路12与无线遥控单元15相接，单火线输入11连接至单火线取电电路12和电力线开关控制单元13形成电力输入，用电器过流过热保护单元16连接至一路或多路火线输出18最终输出电力到用电设备。

其中：电力线开关控制单元13，接受微处理器14的开关指令(一般为高低电平形式)，实现对单火线开关控制装置中某路开关通道的通断控制。电力线开关控制单元13的核心器件是DC-AC继电器或可控硅(SCR)，在具有负载功率调整(如调光灯)的电路中主要选用SCR，而在普适应用的场合，尤其大功率时选用继电器。电力线开关控制单元13还包含启动电路和吸合(导通)维持电路，明确区分这两种电路，主要是为了降低开关装置本身的平均功耗。电力线开关控制单元13可控制单路开关，也可控制双路、三路，理论上不限制路数，但是考虑到负载线及散热问题，产品中做到10路左右是可以的。

超低功耗微处理器14，是单火线开关控制装置智能化的源泉，核心器件是具有睡眠与自动唤醒功能的低功耗的微处理器，如TI公司的MSP430系列，义隆公司的EMxx单片机系列或其他公司类似产品等等。这其中MSP11x1、等在开关装置中应用具有较高性价比。超低功耗微处理器14中包含软件可修改的Flash，这样使该开关装置具有学习与记忆能力。在低功耗微处理器14中运行时，由分时任务调度系统、遥控码学习与数据记忆管理系统、红外与超声及RF码型识别与编码发射系统、按键诊测与防抖程序、按键面板显示与声响控制子程序、负载检测子程序、负载过压过流检测与防护子程序、交流电零点(相位)识别子程序、开关控制时序子程序等组成软件程序。

其中：分时任务调度系统相当一个微型的嵌入式实时处理操作系统，它利用时间片查询和外部中断相结合的方式组织各项任务的实时实现。

遥控码学习与数据记忆管理系统，通过该部分的软件即可以使开关实现对开关遥控码以及情景遥控码的学习与管理。可以有不同的灵活的定义，目的是使单火线开关控制的智能装置能准确满足具体使用者的操作要求。一种可行的遥控码学习与数据记忆管理的实施过程如下所述：

(1)单一学习对码：

开关每一路有独立的键值存储区(每一路开关键可以存储8个键值)，整个开关装置具有和专门的场景存储区(整个装置有至少13个场景)。

1)、按开关某路键4秒，待蜂鸣器D一声后松手，进入对码与学习状态；

2)、点按遥控器上具有开关功能的按键，则该遥控器的地址被注册到开关的当前路存储区，同时该按键可直接控制该路开关。

3)、若学习成功，则蜂鸣器D一声后退出对码状态；

若蜂鸣器D...D声(两声)后退出对码状态，则此键已注册，现在被删除；

若蜂鸣器D...D...D声(三声)后退出对码状态，则此路存储区已满(超出最大地址码)。

注：若对码成功，则该遥控器上的全关功能键自动可以控制该回路。

4)、全清除：长按开关某路按键4秒，蜂鸣器D声响起但不放手，达到第8秒的时候，蜂鸣器D...D...D...D声(四声)后放手，该路按键中所有控制码和情景均被清除。

(2)情景学习：

前题：该遥控器和开关已经经过有效对码过程，可有效控制开关动作。

1)、按遥控器上的情景设置键，则此遥控器控制的所有开关回路进入情景学习状态；

2)、手动或遥控需要设定为情景组的开关回路置于所需设定的状态(即开或者是关(至少一次)你想控制的回路，开关回路会记忆最后一次的操作结果)；

3)、点按遥控器上的某情景键，即可将步骤2设置的灯光状态保存在该情景键中。

4)、开关在开关动作或收到有效开关控制命令后5分钟内若未能收到有效情景学习命令，则自动退出情景学习状态，原状态保持不变。

(3)开关控制：

点按遥控器上的功能键，则注册此按键的开关可实现乒乓开关功能。

(4)情景控制：

点按遥控器上的情景键，则对应的开关将进入预置的开关状态。

(5)情景修改设置

1)、情景设置的单一回路删除：

重复情景学习操作，只是在步骤2时只操作一次需要删除的灯光回路，然后按选定的的情景键保存即可。

2)、情景设置的单一回路添加：

重复情景学习操作，只是在步骤2时只操作一次需要添加的灯光回路，然后按选定的的情景键保存即可。

3)、情景设置的全清除：

方法1：按照单一回路删除的方式逐个进行。

方法2：按照开关码全清除(步骤1-4)方式一次性完成。

如果在修改过程中未进行操作或开关未收到有效学习命令，则自动超时退出，原设置状态保持不变。

红外与超声及RF码型识别与编码发射系统：针对不同的无线控制方式，会调用不同的无线接收解码子程序；为了减少Flash成本，在选定硬件遥控方案后，对应的软件识别与编码程序会保留，而无硬件的程序不会保留在产品中。

按键诊测与防抖程序：因为采用轻触开关，所以特殊的防抖程序被设计，同时要注意排除相邻开关的动作的相互影响。

按键面板显示与声响控制子程序：当按键板上有LED时，软件控制LED的亮灭，按键板上有LCD面板时，软件控制LCD图案的显示。同时软控制蜂鸣器发出约定的指示声响。

负载检测子程序：检测某一路开关是否连接了负载，确保单火线开关控制装置不在没有负载的时候打开开关。

负载过压过流检测与防护子程序：结合用电器过流过热保护电路进行负载过压过流检测，并在负载过压过流时切断用电回路。

交流电零点(相位)识别子程序：进行单火线上的交流零点检测，保证取电均匀性(即在每个交流周期同样的位置取电量并取电尽量相同)，同时以此选择时机启动电力线开关控制单元，以使对用电器的冲击最小，延长用电器使用寿命。

开关控制时序子程序：单火线开关控制装置接有多路开关时需要分时处理，减少不必要的电路冲击。

专项测试子程序：开关中应设置有默认的测试码，可使用专用测试遥控器进行控制，启动相应的测试程序，开关将会进行EEPROM、BEEP、LED、负载检测，在测试结束，开关将EEPROM的数据进行全清处理，并进行一个开关动作。专项测试子程序是批量生产的必要工具。

低功耗无线遥控单元15：低功耗无线遥控单元15有三种方式实现，第一种是射频(RF)遥控方案，这是本装置首选的遥控方式。一般采用ASK或FSK调制方式，频率为315Mhz.433Mhz或915Mhz或其它允许使用的频率。整个RF接收电路功率＜5mW，发射电路功率＜50mW。第二种是超声波(RF)遥控方案，选用40Khz至200Khz的超声波模块，其接收电路功率＜10mW，发射电路功率＜300mW。第三种是红外遥控方案，该方案尤其适合将单火线开关控制装置和灯具一体化装在屋顶的应用。红外的发射和接收都专门设计，不同于目前家电消费产品中红外遥控的方案。专门设计红外接收器尤其强调低功耗接收。其接收电路功率＜5mW，发射电路功率＜100mW。红外设计防水、防爆、无干扰、无电磁波污染，可用于水下遥控开关产品。因此配合单火线开关控制装置会有专门的无线发射遥控器，根据需要可以有100米-40000米各种使用距离。

用电器过流过热保护单元16，该单元包括线路温度测量与取电开关管的导通电压测量电路，通过微处理器软件诊断，并切断电力线开关控制通路，可以实现用电器的过流过热检测与保护。

轻触开关17，将LCD触控面板(一种简单的LCD触摸屏)应用到火线开关的控制上，容易形成时尚、尊贵的外形。在该LCD轻触面板上可以制作LED背光图案，也可以再叠加LCD显示面板，显示图案或完成电子表的显示。

轻触开关的面板上也带有声响提示电路，作为操作的结果的提示。

Claims (10)

1. 一种单火线取电电路，其特征在于：该电路包括火线接通取电电路，所述火线接通取电电路包括串联取电开关、整流滤波电路和低压管理电路，所述串联取电开关接入整流滤波电路，所述整流滤波电路接入低压管理电路，所述低压管理电路接入串联取电开关。

2. 根据权利要求1所述的单火线取电电路，其特征在于：所述电路还包括可与火线接通取电电路相互切换的火线断开取电电路，所述火线断开取电电路包括降压网络电路、电压调整器和低压管理电路，所述降压网络电路接入电压调整器，所述电压调整器接入低压管理电路，低压管理电路接入电压调整器。

3. 根据权利要求2所述的单火线取电电路，其特征在于：所述火线接通取电电路包括单向接入器，所述整流滤波电路通过单向接入器接入低压管理电路。

4. 根据权利要求3所述的单火线取电电路，其特征在于：所述火线接通取电电路包括迟滞比较电路，低压管理电路通过迟滞比较电路接入串联取电开关。

5. 根据权利要求2或3或4所述的单火线取电电路，其特征在于：所述火线断开取电电路包括单向接入器，所述电压调整器通过单向接入器接入低压管理电路。

6. 一种单火线开关控制装置，其特征在于：该装置包括单火线取电电路、安装有嵌入式程序的微处理器和电力线开关控制单元，所述微处理器分别与单火线取电电路和电力线开关控制单元相接。

7. 根据权利要求6所述的单火线开关控制装置，其特征在于：该装置还包括有用电器过流过热保护单元，所述电力线开关控制单元接入用电器过流过热保护单元，所述用电器过流过热保护单元与微处理器相接。

8. 根据权利要求7所述的单火线开关控制装置，其特征在于：该装置还包括有无线遥控单元，所述单火线取电电路与无线遥控单元相接，所述无线遥控单元与微处理器相接，所述无线遥控单元的遥控的方式为RF、红外或超声波。

9. 根据权利要求8所述的单火线开关控制装置，其特征在于：该装置还包括有轻触开关，所述轻触开关与微处理器相接，轻触开关采用LCD触控面板。

10. 根据权利要求6或7或8或9所述的单火线开关控制装置，其特征在于：所述嵌入式程序包括按键诊测与防抖程序、按键面板显示与声响控制子程序、负载检测子程序、负载过压过流检测与防护子程序、交流电零点识别子程序和开关控制时序子程序。

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