高性能智能开关控制系统及其方法与流程

本发明涉及智能开关，更具体地说是指高性能智能开关控制系统及该智能开关的控制方法。

背景技术：

近几年，智能家居高速发展，其中单品智能开关与智能插座销量惊人。

目前市场存在的智能开关或智能插座，一般使用继电器控制强电，但是继电器是物理接触，触点耐浪涌较低。在日常生活中见设备，在开启设备时，浪涌电流非常大，普通白炽灯浪涌电流为工作电流10到15倍；容性负载60则更高，高达20到40倍。例如选择一个5A的继电器，接上1000W白炽灯，工作电流4.5A，但是开启实测高达40A，长时间如此强大开启电流，将对继电器造成不可恢复性损伤，大大减少继电器寿命。

另外，智能开关强电控制还可选择使用可控硅控制，但是可控硅在大电流工作时，发热高，例如一个3A的可控硅，当流过2A的工作电流时，本身功耗就接近5W，相当于一个小灯泡在持续发热，温度高达100度，2A的电流，仅仅相当于400W功率，仅仅能点亮一两个灯泡。

因此，有必要设计带有可控硅与继电器的控制系统，实现启动设备时浪涌电流小，当电流稳定时，启用继电器工作，避免了继电器寿命与可控硅发热问题，提高继电器的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供高性能智能开关控制系统及其方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：高性能智能开关控制系统，包括输出电路、MCU以及采样电路，所述采样电路包括与输入电源连接的电压检测电路以及与输入电源连接的电流检测电路，所述电压检测电路的输出端与所述MCU连接，所述电流检测电路的输出端与所述MCU连接，所述输出电路包括继电器电路以及可控硅电路，所述继电器电路的输入端以及所述可控硅电路的输入端分别与所述MCU连接，所述继电器电路以及所述可控硅电路的输出端分别连接有负载，所述可控硅电路与所述继电器电路并联。

其进一步技术方案为：所述电流检测电路包括一级运算放大器以及二级运算放大器，所述一级运算放大器的非反相输入端以及反相输入端分别与所述输入电源连接，所述一级运算放大器的输出端与所述二级运算放大器的非反相输入端连接，所述一级运算放大器的反相输入端和输出端分别接地，所述二级运算放大器的反相输入端和输出端接地，所述二级运算放大器的输出端还与所述MCU连接。

其进一步技术方案为：所述一级运算放大器的非反向输入端通过第一电阻与所述输入电源连接，所述一级运算放大器的反向输入端通过第二电阻与所述输入电源连接。

其进一步技术方案为：所述二级运算放大器的非反向输入端通过第三电阻与所述一级运算放大器的输出端连接，所述二级运算放大器的反向输入端通过第四电阻以及第一电容接地。

其进一步技术方案为：所述电压检测电路包括电压运算放大器，所述电压运算放大器的非反相输入端与所述二级运算放大器的非反相输入端连接，所述电压运算放大器的反相输入端与输入电源连接，所述电压运算放大器的输出端与所述MCU连接，所述电压运算放大器的反相输入端与输出端接地。

其进一步技术方案为：所述电压运算放大器的反相输入端与所述输入电源之间连接有第九电阻，所述电压运算放大器的反相输入端还连接有第十电阻以及第四电容，所述第十电阻以及所述第四电容并联接地。

其进一步技术方案为：所述输入电源为交流电，所述交流电的零线分别与所述一级放大运算器的非反相输入端和所述电压放大运算器的反相输入端连接，所述交流电的火线与所述一级放大运算器的反相输入端连接。

其进一步技术方案为：所述可控硅电路包括可控硅，所述可控硅的输入端与输出端之间并联有第十一电阻以及第五电容，所述MCU与所述可控硅的输入端之间连接有第十二电阻以及第十三电阻，所述第十二电阻与所述第十三电阻连接。

其进一步技术方案为：所述继电器电路包括继电器，所述继电器的两个常闭触点分别与所述MCU以及地面连接，所述MCU与所述继电器的常闭触点之间连接有第十四电阻、三极管以及高速开关二极管，所述三极管的基极与所述第十四电阻连接，所述三极管的发射极接地，所述高速开关二极管的正极与所述三极管的集电极连接，且所述高速开关二极管的负极与所述继电器的另一常闭触点连接，所述继电器的公共端与所述交流电的火线连接，所述继电器的外部开关公共端与所述负载连接。

本发明还提供了高性能智能开关的控制方法，包括以下具体步骤：

步骤一、信号采样步骤，利用电压检测电路以及电流检测电路，采样输入电源的交流电信号，并将信号发送至MCU，获取电压过零点、电流值以及相位信息，作为MCU控制决策的依据；

步骤二、可控硅电路导通步骤，打开负载开关，在输入电源的交流电压靠近电压过零点前，导通输出电路中的可控硅电路，同时检测电流值，下一个交流电周期，可控硅电路的导通时间加上，如此重复，慢慢加大可控硅电路打开时间；

步骤三、继电器电路导通步骤，当电流检测电路检测到电流稳定后，导通继电器电路，继电器电路驱动负载工作。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明的高性能智能开关控制系统，通过设置输出电路、MCU以及采样电路，利用电流检测电路以及电压检测电路实时检测输入电源的电信号，当负载开始工作时，先打开输出电路的可控硅电路，直至检测电流稳定后，打开继电器电路，电流通过继电器供给负载，实现启动设备时浪涌电流小，当电流稳定时，启用继电器电路工作，避免了继电器寿命与可控硅发热问题，提高继电器的使用寿命。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明具体实施例提供的高性能智能开关控制系统的原理框图；

图2为本发明具体实施例提供的高性能智能开关控制系统的电流曲线示意图；

图3为本发明具体实施例提供的电流检测电路的电路示意图；

图4为本发明具体实施例提供的电压检测电路的电路示意图；

图5为本发明具体实施例提供的输出电路的电路示意图。

附图标记

10 MCU 20 电流检测电路

30 电压检测电路 40 继电器电路

50 可控硅电路 C39 第一电容

C40 第二电容 C56 第三电容

C57 第四电容 C80 第五电容

D9 高速开关二极管 Q6 三极管

R119 第十三电阻 R13 第一电阻

R14 第二电阻 R18 第六电阻

R19 第七电阻 R19 第三电阻

R20 第四电阻 R22 第五电阻

R23 第九电阻 R24 第十电阻

R26 第八电阻 R62 第十四电阻

R89 第十一电阻 R9 第十二电阻

60 负载

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

如图1～5所示的具体实施例，本实施例提供的高性能智能开关控制系统，可以运用在智能开关或智能插座中，实现启动设备时浪涌电流小，当电流稳定时，启用继电器工作，避免了继电器寿命与可控硅发热问题，提高继电器的使用寿命。

高性能智能开关控制系统，包括输出电路、MCU10以及采样电路，所述采样电路包括与输入电源连接的电压检测电路30以及与输入电源连接的电流检测电路20，所述电压检测电路30的输出端与MCU10连接，所述电流检测电路20的输出端与MCU10连接，所述输出电路包括继电器电路40以及可控硅电路50，继电器电路40的输入端以及可控硅电路50的输入端分别与所述MCU10连接，继电器电路40以及可控硅电路50的输出端分别连接有负载60，所述可控硅电路50与所述继电器电路40并联。

如图2所示，MCU10使用采样电路的电流检测电路20以及电压检测电路30分别采样输入电源的电信号，获取电压过零点、电流值、相位等信息，用于控制决策；当负载60的开关打开时，先在输入电源的电流靠近过零点前打开可控硅电路50(窄箭头)，同时检测电流值，下一个交流电周期，可控硅电路50的导通时间加上，即在宽箭头地方打开可控硅电路50，如此重复，慢慢加大可控硅电路50打开时间；当电流检测电路20检测到电流稳定后，打开继电器电路40，负载60正常工作。

上述的高性能智能开关控制系统，通过设置输出电路、MCU10以及采样电路，利用电流检测电路20以及电压检测电路30实时检测输入电源的电信号，当负载60开始工作时，先打开输出电路的可控硅电路50，直至检测电流稳定后，打开继电器电路40，电流通过继电器电路40供给负载60，实现启动设备时浪涌电流小，当电流稳定时，启用继电器电路40工作，避免了继电器寿命与可控硅发热问题，提高继电器的使用寿命。

更进一步的，上述的电流检测电路20包括一级运算放大器以及二级运算放大器，所述一级运算放大器的非反相输入端以及反相输入端分别与输入电源连接，一级运算放大器的输出端与二级运算放大器的非反相输入端连接，所述一级运算放大器的反相输入端和输出端分别接地，所述二级运算放大器的反相输入端和输出端接地，所述二级运算放大器的输出端还与所述MCU10连接。

输入电源的电流经过一级运算放大器以及二级运算放大器进行信号放大器处理后，得到ACIIN信号，ACIIN信号输入到MCU10，进行模数转换后的电流信息，即电流检测电路20将此输入电源的电流转换成电压后，再送MCU10的ADC转换成数字信号，得到电流信息。

更近一步，一级运算放大器的非反向输入端通过第一电阻R13与输入电源连接，一级运算放大器的反向输入端通过第二电阻R14与输入电源连接。

另外，所述二级运算放大器的非反向输入端通过第三电阻R19与一级运算放大器的输出端连接，二级运算放大器的反向输入端通过第四电阻R20以及第一电容C39接地。

更进一步的，所述二级运算放大器的非反向输入端还通过第二电容C40与所述一级运算放大器的输出端连接，所述第三电阻R19与所述第二电容C40串联。

另外，所述二级运算放大器的输出端与所述MCU10之间连接有第五电阻R22。所述二级运算放大器的反向输入端通过第六电阻R18与第三电容C56接地，所述第六电阻R18与第三电容C56并联。

在本实施例中，所述电压检测电路30包括电压运算放大器，所述电压运算放大器的非反相输入端与二级运算放大器的非反相输入端连接，所述电压运算放大器的反相输入端与输入电源连接，所述电压运算放大器的输出端与MCU10连接，所述电压运算放大器的反相输入端与输出端接地。

输入电源的电压从电压运算放大器的反相输入，使用电压运算放大器与二级运算放大器的非反相输入端传输的电压进行信号处理，输出采样电压信号，采样电压信号输入MCU10，进行模数转换，MCU10得到输入电源的电压信息。

所述二级运算放大器的非反相输入端与所述电压运算放大器的非反相输入端之间串联有第七电阻R19以及第八电阻R26，将电流转换成电压，输入电压运算放大器中进行处理。

另外，所述电压运算放大器的反相输入端与输入电源之间连接有第九电阻R23，所述电压运算放大器的反相输入端还连接有第十电阻R24以及第四电容C57，所述第十电阻R24以及第四电容C57并联接地。

在本实施例中，所述输入电源为交流电，所述交流电的零线分别与所述一级放大运算器的非反相输入端和所述电压放大运算器的反相输入端连接，所述交流电的火线与所述一级放大运算器的反相输入端连接。

所述可控硅电路50包括可控硅，所述可控硅分别与交流电的火线和负载60连接，继电器与交流电的火线和负载60连接，即所述可控硅与所述继电器并联，这样，交流电的火线输入，MCU10通过控制可控硅打开，电流经过可控硅后输出，当电流稳定后，MCU10通过RELD1控制继电器打开，电流经过继电器输出。

所述可控硅的输入端与输出端之间并联有第十一电阻R89以及第五电容C80。所述MCU10与所述可控硅的输入端之间连接有第十二电阻R9以及第十三电阻R119，所述第十二电阻R9与所述第十三电阻R119连接。

所述继电器电路40包括继电器，所述继电器的两个常闭触点分别与MCU10以及地面连接，所述MCU10与继电器的常闭触点之间连接有第十四电阻R62、三极管Q6以及高速开关二极管D9，所述三极管Q6的基极与第十四电阻R62连接，所述三极管Q6的发射极接地，所述高速开关二极管D9的正极与所述三极管Q6的集电极连接，且所述高速开关二极管D9的负极与所述继电器的另一常闭触点连接，所述继电器的公共端与交流电的火线连接，所述继电器的外部开关公共端与负载60连接。

本实施例还提供了高性能智能开关的控制方法，包括以下具体步骤：

步骤一、信号采样步骤，利用电压检测电路30以及电流检测电路20，采样输入电源的交流电信号，并将信号发送至MCU10，获取电压过零点、电流值以及相位信息，作为MCU10控制决策的依据；

步骤二、可控硅电路50导通步骤，打开负载60开关，在输入电源的交流电压靠近电压过零点前，打开输出电路中的可控硅电路50，同时检测电流值，下一个交流电周期，可控硅的导通时间加上，如此重复，慢慢加大可控硅电路50打开时间；

步骤三、继电器电路40导通步骤，当电流检测电路20检测到电流稳定后，导通继电器电路40，继电器电路40驱动负载60工作。

在所述步骤一中，电流检测电路20的工作步骤为：输入电源的电流经过一级运算放大器以及二级运算放大器进行信号放大器处理后，得到ACI IN信号，ACIIN信号输入到MCU10，进行模数转换后的电流信息，即电流检测电路20将此输入电源的电流转换成电压后，再送MCU10的ADC转换成数字信号，得到电流信息。

在所述步骤一中，电压检测电路30的工作步骤为：输入电源的电压从电压运算放大器的反相输入，使用电压运算放大器与二级运算放大器的非反相输入端传输的电压进行信号处理，输出采样电压信号，采样电压信号输入MCU10，进行模数转换，MCU10得到输入电源的电压信息。

当MCU10接受外部控制信号，负载60频繁地导通和断开时，可控硅持续导通。

上述的负载60导通和断开的频率为1Hz至100Hz。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。