专利名称：开关柜智能停电牌的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及矿山井下供配电设备，特别是一种井下配电开关柜在检修环节中防止发生触电事故用的开关柜智能停电牌。
背景技术：
目前，我国工矿企业的供配电均采用开关柜，各类开关柜的功用基本相同，均带有过流、短路、无压释放等保护。随着科学技术的日新月异，开关柜的结构样式有了很大改观，各类保护也一应俱全，并且都非常灵敏可靠。但在供电检修中触电伤亡事故却时有发生，究其原因，并不是开关柜本身的问题，而很大一部分是在检修停送电环节上出现的，这种仅靠制度来约束事故的做法存在着许多弊病，这里面人为因素占有较大比重，必须能从根本上消除这种不利因素，使停电牌真正起到检修闭锁的作用。
发明内容
为了克服现有开关拒停电牌在停电检修中仅起形式上的作用、不能真正起电气闭锁作用的不足，本实用新型提供一种开关柜智能停电牌，它具有真正意义上的电气闭锁功能，能在停电检修时实现电气闭锁，有效地防止检修环节中触电伤亡事故的发生。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是开关柜智能停电牌由供电电源部分、停电牌主机、IC卡组成。停电牌主机由单片机，与单片机相应的I/O端口对应连接的读卡器、断电记忆电路、液晶显示器、插卡提示电路、语音提示电路、状态执行电路，与单片机复位端连接的系统复位电路，稳压电源，以及外壳等构成。读卡器插的IC卡分为配电工持有卡、检修工持有卡两种，或称A卡、B卡。断电记忆电路采用EEPROM数据存储器。语音提示电路输出端经音频放大电路与扬声器连接。状态执行电路中的闭锁执行继电器的控制接点，串接于开关柜的合闸回路或无压释放回路中。供电电源部分包括输出直流的交流供电电源和后备电源，它和停电牌主机均为矿用一般型设备。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案还可以是开关柜智能停电牌的单片机采用带闪存Flash的AT89C5×系列，EEPROM数据存储器采用AT24C0×系列芯片，液晶显示器采用内带显示控制器的点阵式图形液晶显示模块，复位电路采用带看门狗和电源监控功能的复位电路芯片，语音提示电路采用单片永久记忆型录放语音集成电路，插卡提示电路包括插卡声响提示电路和LED发光提示电路，状态执行电路是以执行继电器为负载的晶体管放大驱动电路。
本实用新型的有益效果是①开关柜智能停电牌一改原有停电牌的仅起形式上的警示作用，而实实在在地完成了真正意义上的电气闭锁功能，在配电工和检修人员共同刷卡闭锁后执行检修任务时，其它任何人都无法进行合闸操作，真正起到保护检修人员的功能，有效地防止检修环节中触电伤亡事故的发生。
②供电电源部分分成电源箱、电源分配盒，并与停电牌主机分离，可使一台电源箱为多台停电牌主机供电，简化了智能停电牌的供电电源。
图1是本实用新型开关柜智能停电牌的组成框图图2、3是本实用新型的电源箱的结构示意图主视图、侧剖视图图4、5是本实用新型的电源分配盒的结构示意图主视图、侧剖视图图6、7是本实用新型的停电牌主机箱的结构示意图主视图、侧剖视图图8是本实用新型的电源分配盒的电路原理图图9是本实用新型的停电牌主机的电路原理方框图图10是本实用新型的停电牌主机的电路原理图图中1-LED显示窗、2-螺钉、3-引线装置、4-开关电源、5-接线端子排、6-主壳体、7-上盖、8-密封胶圈、9-固定板、10-分线电路板、11-后备电池组、12-下外壳、13-接线端子排、14-上外壳、15-引出线、16-电路板支撑座、17-电路板、18-主壳体、19-螺钉、20-密封胶圈、21-卡座、22-显示屏、23-扬声器、24-上盖具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
在图1中示出本实用新型开关柜智能停电牌的设备组成。主要由停电牌电源箱、电源分配盒、停电牌主机组成，其整体形式为矿用一般型。电源分配盒、停电牌主机安装于供配电开关柜上。作为供电电源部分的停电牌电源箱与电源分配盒，可为多个开关柜停电牌主机提供工作电压。
交流供电电源输入停电牌电源箱，由停电牌电源箱输出直流电压，该直流电压输入电源分配盒。电源分配盒的输出一路接停电牌主机，由停电牌主机输出，接开关柜的合闸回路；另一路输出接至下一开关柜的电源分配盒。
在图2、3中示出停电牌电源箱的外形及结构。停电牌电源箱简称电源箱，是开关柜智能停电牌的系统总电源，为开关电源，输出12V直流电压。
停电牌电源箱的壳体为长方形铸铝外壳，主要由主壳体6、上盖7构成。主壳体6与上盖7之间有密封胶圈8密封，由螺钉2紧固。上盖7上部有一透明的LED显示窗1，用以显示输出电源电压。外壳内固定有开关电源4，开关电源的接线端子排5连接的外部引线电缆由引线装置3、即三个塑料喇叭口引出。开关电源4型号MP150S120型、厂家济南美积奥电子有限公司，电源输入电压可为AC220V、AC110V、DC220V，输出电压12V，输出电流15A，输出功率200W；带LED电压指示，时刻监视电源电压波动。
在图4、5中示出电源分配盒的外形及结构。电源分配盒的壳体为塑料外壳，外壳包括上外壳14、下外壳12。外壳内有后备电池组11及分线电路板10，在外壳前面上部有接线端子排13，用以与电源箱、停电牌主机、下一台电源分配盒接线。在外壳后上部有固定板9，用以对整机固定。
在图8中示出电源分配盒的电路。电压输入接线端子X01、X02是接12V直流电压正、负极的，接线端子X03、X04是接下一台电源分配盒的，接线端子X05、X06是接停电牌主机电压输入端的。在电源分配盒内，接线端子X01、X02与接线端子X03、X04分别连接，接线端子X01经二极管D02与接线端子X05连接，接线端子X02与接线端子X06连接。接线端子X01、X02与继电器J01两端分别连接，续流二极管D01与继电器J01反向并联。后备电源E0的正极经限流电阻R01与接线端子X05、即二极管D02负极连接，接线端子X06接后备电源E0的负极。继电器的常闭接点J01-1与电阻R01两端并联。后备电源E0为镍氢蓄电池组。
由电源箱提供的12V直流电压，从接线端子X01、X02引入后，一路经接线端子X03、X04供下一台电源分配盒；另一路为停电牌主机提供输入电压，其中，12V电压正极X01经二极管D02至接线端子X05；第三路接继电器J01，使继电器吸合，继电器的常闭接点J01-1断开，使12V输入电压正极经二极管D02后，再经限流电阻R01为后备电源E0充电。如果电源箱开关电源停电，继电器J01将失电释放，其常闭接点J01-1接通，后备电源E0将经常闭接点J01-1为停电牌主机供电，而不必经过电阻R01。
在图6、7中示出停电牌主机外壳的外形及结构。停电牌主机，或称闭锁主机，包括停电牌主机外壳和主机箱内的电路。停电牌主机外壳包括主壳体18、上盖24，由螺钉19紧固而成。主壳体18与上盖24之间有密封胶圈20密封。主壳体18内有主电路板17，主电路板17固定于主壳体底部的电路板支撑座16上。上盖24自上而下固定有扬声器23、液晶显示屏22、卡座21等，其电源进线及闭锁引出线15均从壳体后部引出。
在图9中示出本实用新型停电牌主机的电路组成。停电牌主机电路由单片机、读卡器、断电记忆电路、系统复位电路、液晶显示器、插卡提示电路、语音提示电路、音频放大电路、扬声器、状态执行电路、直流稳压电源等组成。电源输入DC 12V电压，分别经两只三端稳压器7805稳压，为主机各部分提供工作电压，完成停电牌闭锁的逻辑控制、显示、声响、刷卡等功能。
在图10中示出停电牌主机的电路原理。由单片机U1即AT89C52及其外围的数据存储器U4即AT24C01、微处理器监控复位电路U3即MAX813L，以及读卡器、液晶显示器、插卡提示电路、语音提示电路、状态执行电路等组成。
1.单片机U1采用现在通用的51系列、带8KB闪存Flash的AT89C52。它有32个可编程I/O资源、即P0～P3四个双向口。
P0口的P00～P07端，经排阻RP1接正电压VCC、作上拉电阻，同时分别接液晶显示模块的接线插座JP LCD的9～16脚。
P1口的P10～P17端P10～P14端接液晶显示模块接线插座JP LCD的1、2、6、8、7脚，P15、P16端分别接数据存储器U4的SDA、SCL端。P17端接复位电路U3的看门狗输入端WDI。
P2口的P20～P27端，经排阻RP2接电源正电压VCC、作上拉电阻。其中，P20～P22端接读卡器卡座JP CARD引脚的3～1脚；P23端接插卡提示电路晶体管Q3的基极；P24端接插卡指示发光二极管LED CARD的正极；P25端接发光二极管LED RELAY正极；P26端接状态执行电路的输入控制端，即经电阻R6接晶体管Q1的基极；P27接语音电路U5的电平触发发音端PLAYL。
P3口是多功能8位口。当作为功能I/O时，其P30～P37端依次是10脚—串行输入口RXD，11脚—串行输出口TXD，13脚—外部中断0的请求端INT1，12脚—外部中断1的请求端INT0，14脚—定时器/计数器0外部计数脉冲输入端T0，15脚—定时器/计数器1外部计数脉冲输入端T1，16脚—外部数据存储器写选通信号输出端/WR，17脚—外部数据存储器读选通信号输出端/RD。其余31脚—内、外存储器选择端EA/VP，19、18脚—外接晶振端X1、X2，9脚—复位端RESET。其中，外接晶振端X1、X2接晶振X和电容C1、电容C2，内、外存储器选择端EA/VP接电源正端VCC，单片机的复位端RESET接复位电路U3的复位输出端RESET，其余的引脚不接。
2.断电记忆电路采用数据存储器U4即AT24C01，为Atmel公司的I2C串行总线结构的EEPROM芯片。其引脚1～8的功能依次是A0、A1、A2—地址选择线，GND—接地端，SDA—串行数据线，SCL—串行时钟线，WP—写保护端，VCC—电源正端。存储器U4的电路连接A0、A1、A2接地GND，即地址为000，AT24C01在此不挂总线、作地址选择，而用串口读写；SDA、SCL端分别接单片机P15、P16端；WP端接地，可对AT24C01读写操作。
3.读卡器本机采用读卡方式进行断电闭锁。闭锁卡用IC卡，其卡座采用JKZ-HOIK-08型，均为济南丰田伟业电子有限公司产品。卡座JP CARD的引脚除了1～3脚分别接单片机的P22～P20端之外，引脚4接正电压VCC，引脚5、6接地。
4.系统复位电路采用带看门狗和电源监控功能的复位电路芯片U3即MAX813L。其引脚1～8的功能依次是MR—手动复位输入端，VCC、GND—电源、地端，PFI—电源故障输入端，PFO—电源故障输出端，WDI—看门狗输入端，RESET—复位输出端，WDO—看门狗输出端。图8中的复位电路是MAX813L的典型应用电路，1脚与8脚相连，7脚接单片机复位端、即AT89C52的9脚，6脚接单片机的P17端。如果单片机进入死循环，P17端无脉冲输出，MAX813L的8脚输出低电平加到1脚，使MAX813L产生复位输出，使单片机有效复位。
5.语音提示电路主要由语音录放集成电路U5即ISD1110P、音频放大电路U6即TDA2003、扬声器构成。
语音集成电路U5即ISD1110P是美国ISD公司产品、单片永久记忆型语音录放电路，完成语音的存储及播放功能，可作多段信息处理。其引脚功能1～6脚和9、10脚A0～A7—八位地址端、最多可分成160段作语音处理，7、8、11脚NC—空脚。其余引脚12～28的功能依次是VSSD、VSSA—数字、模拟接地端，SP+、SP-—扬声器正、反相信号端，VCCA—模拟正电源端，MIC—传声器输入端，MICREF—传声器参考输入端，AGC—自动增益控制端，ANAIN—模拟信号输入端，ANAOUT—模拟信号输出端，NC—空脚，/PLAYL—电平触发发音端，/PLAYE—下降沿触发有效发音端，/RECLED—录音指示端，XCLK—外部时钟(定时)输入端，/REC—录音控制端，VCCD—数字正电源端。
语音集成电路U5的连接数字、模拟正电源端VCCA、VCCD接电源正端VCC，数字、模拟地端VSSD、VSSA接地；A3、A6、A7、/PLAYE、/REC端接电源正端，A0、A1、A2、A4、A5、SP-端接地；/PLAYL端接单片机的P27端；SP+端接音频放大集成电路TDA2003。其余引脚空置。
音频放大集成电路U6即TDA2003完成语音的放大。其引脚1～5的功能依次是IN—信号输入端，BACK—负反馈端，GND—地线端，OUT—输出端，VCC—正电源端。信号输入端IN经耦合电容器C5接语音集成电路ISD1110P的SP+端，输出端OUT经耦合电容器C10接扬声器插座JP SPEAKER；电阻R4与电阻R3串联、接于输出端OUT与地线之间，其分压点经电阻R8连接到负反馈端BACK，构成负反馈电路。
6.液晶显示器型号是JHD12864C，为内带显示控制器的点阵式液晶显示模块，可用于显示图形字符。横向、纵向点数为128×64点。该液晶显示器的插座JP LCD引脚是20脚，其1～9脚依次是片选A、片选B、电源地、逻辑电源正、液晶显示驱动电源、寄存器选择信号、读/写选择信号、使能信号端，10～16脚—数据总线，17、18脚—背光灯正、负电源端，19、20脚—空脚。其中1、2脚接单片机U1的P1口的P10、P11端，3脚接地，4脚接正电源端VCC，5脚接电位器RP3，用于调节背景亮度；6～8脚接单片机U1的P1口的P12、P14、P13端，17脚接正电源端VCC1，18～20脚接地。
7.状态执行电路由两晶体管Q1、Q2、执行继电器RELAY1等组成。两只晶体管Q1、Q2连接成两级共射极直耦放大电路。晶体管Q1的基极经电阻R1接单片机的P23端，其集电极经负载电阻R2接电源正极VCC，晶体管Q2的基极接晶体管Q1的集电极，晶体管Q2的集电极接执行继电器RELAY1的一端RE CON，执行继电器的另一端接三端集成稳压器U2、U7即7805的输入端RELAY POWER、接近12V，执行继电器的两端并联续流二极管D5、电容器C10。执行继电器RELAY1的常闭接点串接在开关柜的合闸回路或无压释放回路中，接点容量为AC 250V/20A。单片机的P25端接发光二极管LED-RELAY的正极，作执行继电器动作的指示。
8.插卡提示电路由晶体管Q3、蜂鸣器F1组成。晶体管Q3的集电极与电源正电压VCC之间接蜂鸣器F1，晶体管Q3的基极接单片机的P23端。单片机的P24端与发光二极管LED-CARD正极连接，作插卡发光指示。
9.直流稳压电源采用四只二极管D1～D4组成整流桥，经电解电容器C3、C4、C5、C6、C8滤波，再由两块三端集成稳压器U2、U7即7805稳压输出两组+5V电源电压VCC、VCC1，为整个主机提供全部工作电压。电源输入插座JP POWER接12V直流输入电压，整流桥使输入电压的正负端可以反接。
除了上例外，停电牌主机的电路也可采用其它型号的单片机及外围电路组成系统。例如单片机除了AT89C5×系列，也可采用W78E5×系列；EEPROM数据存储器除了AT24C0×系列，也可采用24LC0×系列；复位电路除了MAX813L，也可采用X25045等；语音提示电路除了ISD1100系列，也可采用ISD1400、ISD1500、ISD1800系列；液晶显示器除了JHD12864C，也可采用LM12864等。智能停电牌的电源箱、电源分配盒、停电牌主机三者也可采用其它的结构组合，如前二者合二为一，或者后二者合二为一，或者三者合为一体、即装于同一外壳内。但以实施例的形式为优选。
操作方法和工作原理当需要停电检修时，检修人员需征得配电工同意，由配电工插入A卡后，检修人员再插入B卡才有效，从而使闭锁开始，同时停电牌主机记忆检修人员的卡号，闭锁点数由0变为1。不插A卡，单插B卡无效。一个智能停电牌主机可允许同一开关拒同时闭锁最多60组检修任务。待检修人员检修完毕后，可拿原来闭锁的B卡进行解除，同时进行语音提示，并且修复点数加1。当B卡刷卡次数与检修组数相等、即修复点数与闭锁点数相等时，意味着所有检修任务完毕，停电牌主机所控接点闭合，解除闭锁恢复正常运行状态。本装置具有断电记忆功能，即使停电牌断电后再恢复供电也能记忆原来闭锁的卡号。
IC卡的信息由读卡器传给单片机U1的P20～P22端，单片机U1系统在程序控制下，对配电工的A卡和检修人员的B卡的数据进行解读和处理。插卡时，单片机P23端为高电平，使晶体管Q3导通，蜂鸣器F1发声作插卡声响提示；单片机P24端为高电平，使发光二极管LED-CARD作插卡发光指示。
单片机的P15、P16端通过EEPROM数据存储器U4即AT24C01的SDA、SCL端进行读写操作，并由AT24C01实现断电记忆。
单片机U1的P0口的P00～P07、P1口的P10～P14端，输出相应信号，控制液晶显示器显示汉字，作出提示。对闭锁点数、修复点数作出相应的显示。
单片机U1系统对配电工的A卡和检修人员的B卡的数据解读和处理后，当判断需要执行闭锁时，单片机U1的P2口的P26端输出低电平，使晶体管Q1截止、晶体管Q2导通，执行继电器RELAY1吸合，常闭控制接点断开，开关柜断电闭锁。与此同时，单片机的P25端输出高电平，发光二极管LED-RELAY发光，指示执行继电器动作。单片机的P27端输出低电平，送语音电路U5的电平触发发音端PLAYL，使语音电路U5的扬声器正相信号端SP+输出预先录入的语音信号，经电容器C5耦合送音频放大电路U6放大，音频放大电路的输出，经电容器C9送至扬声器，发出闭锁警示语。
当检修完毕、刷卡解除闭锁时，单片机的P26端变为高电位，晶体管Q1导通、晶体管Q2截止，执行继电器释放，常闭控制接点闭合，开关柜闭锁解除，可以合闸送电。单片机U1的P0、P1口相应接线端输出信号，控制液晶显示器显示汉字，作出闭锁解除提示；语音电路U5发出闭锁解除语音提示。
除上述已介绍的元件外，其它元器件的型号与规格如下晶体管Q1、Q2C9013 电阻R45.1～22KΩ晶体管Q3C9014 电阻R522～51KΩ发光二极管LED-RELAY红色 电容器C1、C210～47PF发光二极管LED-CARD红色 电容器C3100～470μF二极管D01、D021N4007 电容器C4～C6220～1000μF二极管D1～D4、D101N4004 电容器C71.0～10μF排阻RP110KΩ×9电容器C8470～2200PF排阻RP21KΩ×9 电容器C9220～1000μF电位器RP310～15KΩ 电容器C1047～220μF线绕电阻R015.1～20Ω/2W继电器HJ4231/012-Z2CL型电阻R133～100KΩ 执行继电器JQX-30F(T91)-12V型电阻R24.7～10KΩ 扬声器优质防水喇叭Φ50mm、8Ω/2W电阻R31.0～4.7KΩ 镍氢蓄电池1600mAh、1.5V×8节。
权利要求1.一种开关柜智能停电牌，其特征在于包括供电电源部分、停电牌主机、IC卡；停电牌主机包括单片机，与单片机相应的I/O端口对应连接的读卡器、断电记忆电路、液晶显示器、插卡提示电路、语音提示电路、状态执行电路，与单片机复位端连接的系统复位电路，稳压电源，以及外壳；读卡器所插的IC卡分为配电工持有卡、检修工持有卡，或称A卡、B卡；断电记忆电路是EEPROM数据存储器；语音提示电路输出端经音频放大电路与扬声器连接；状态执行电路中的执行继电器的控制接点，串接于开关柜的合闸回路或无压释放回路中；供电电源部分包括输出直流的交流供电电源和后备电源，它和停电牌主机均为矿用一般型设备。
2.根据权利要求1所述的开关柜智能停电牌，其特征在于所说的单片机是带闪存Flash的AT89C5×系列单片机，EEPROM数据存储器是AT24C0×系列的芯片，液晶显示器是内带显示控制器的点阵式图形液晶显示模块，复位电路是带看门狗和电源监控功能的复位电路芯片，语音提示电路是单片永久记忆型语音录放的语音集成电路，插卡提示电路包括插卡声响提示和LED发光提示电路，状态执行电路是以执行继电器为负载的晶体管放大驱动电路。
3.根据权利要求1所述的开关柜智能停电牌，其特征在于所说的供电电源部分包括电源箱、电源分配盒；电源箱内有开关电源作输出直流的交流供电电源，开关电源直流输出的正、负极两端，分别与电源分配盒的电压输入接线端子(X01、X02)连接；在电源分配盒内，接线端子(X01、X02)一路与接下台电源分配盒的接线端子(X03、X04)连接，另一路与为停电牌主机供电的接线端子(X05、X06)连接，其中，接线端子(X01)经正向连接的二极管(D02)与接线端子(X05)连接，第三路与继电器(J01)的两端连接，续流二极管(D01)与继电器(J01)反向并联；后备电源(E0)正极经限流电阻(R01)与接线端子(X05)、即二极管(D02)负极连接，接线端子(X06)与后备电源(E0)负极连接；继电器的常闭接点(J01-1)与电阻(R01)并联。
专利摘要一种矿井停电检修闭锁用的开关柜智能停电牌，由供电电源部分、停电牌主机、IC卡组成。停电牌主机由单片机、读卡器、断电记忆电路、液晶显示器、插卡提示电路、语音提示电路、状态执行电路、系统复位电路、稳压电源及外壳组成。读卡器插的IC卡分为配电工持有卡、检修工持有卡。断电记忆电路是EEPROM。语音提示电路经音频放大送扬声器。状态执行电路的闭锁执行继电器控制接点串于开关柜合闸回路或无压释放回路中。供电有交流供电电源和后备电源。它一改原停电牌仅起形式警示、而无真正的电气闭锁功能，在配电工、检修工均刷卡后闭锁，闭锁后执行检修时其它任何人都无法进行合闸操作，真正起到保护检修人员功能，有效地防止检修环节触电伤亡事故发生。
文档编号H02J7/00GK2857183SQ200520088028
公开日2007年1月10日 申请日期2005年10月25日 优先权日2005年10月25日
发明者孙明, 王宏义, 姚运全 申请人:新汶矿业集团有限责任公司协庄煤矿