本发明公开了一种基于插头识别的智能防触电插座系统，包括CPU主控制器模块、插头检测模块、电源模块、可控硅开关模块和复位模块；插头检测模块对插头信息进行采集，CPU主控制器模块对插头检测模块采集的信号进行分析和判断后输出驱动信号控制可控硅开关模块，可控硅开关模块控制插座电源的通断，复位模块对CPU主控制器模块运行状态进行复位，电源模块提供直流电源。通过插头检测模块识别是否有插头插入插座，实时把插头检测模块的检测信号传输至CPU主控制器模块，CPU主控制器模块根据插头检测模块采集的信号输出驱动信号控制可控硅开关模块通断，进而形成智能防触电系统。本发明结构简单、成本低廉，提高了插头检测系统的安全性，市场应用前景广阔。
1.一种基于插头识别的智能防触电插座系统，其特征在于，包括CPU主控制器模块、插头检测模块、电源模块、可控硅开关模块和复位模块，所述插头检测模块、电源模块、可控硅开关模块和复位模块均与CPU主控制器模块相连；插头检测模块对插头信息进行采集，复位模块对CPU主控制器模块运行状态进行复位，电源模块向CPU主控制器模块、插头检测模块、可控硅开关模块和复位模块提供直流电源；
通过插头检测模块识别是否有插头插入插座，实时把插头检测模块的检测信号传输至CPU主控制器模块，CPU主控制器模块对插头检测模块采集的信号进行分析和判断后输出驱动信号控制可控硅开关模块通断，可控硅开关模块控制插座电源的通断，进而形成智能防触电系统；
上述电源模块包括LM7805芯片、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4，其中第一电容C1的正极分别与输入电压Vin、LM7805芯片的输入端连接，第一电容C1的负极分别与第三电容C3的一端、LM7805芯片的接地端连接，第三电容C3的另一端与输入电压Vin连接；第二电容C2的正极分别与LM7805芯片的输出端、输出电源VCC连接，第二电容C2的负极与LM7805芯片的接地端连接；第四电容C4的一端与LM7805芯片的接地端连接、另一端与LM7805芯片的输出端连接；LM7805芯片的接地端接地GND；所述Vin为变压器降压整流后的输入电压，通过该电源模块将Vin转换为5V的输出电源VCC，输出电源VCC作为CPU主控制器模块、插头检测模块、可控硅开关模块和复位模块的电源。
2.根据权利要求1所述的基于插头识别的智能防触电插座系统，其特征在于，所述插头检测模块包括光电对射信号检测电路、开关按压信号检测电路和应变片力学信号检测电路，所述光电对射信号检测电路、开关按压信号检测电路为数字量检测，所述应变片力学信号检测电路为模拟信号检测；CPU主控制器模块分析和判断该三个检测电路的输出结果，当三个检测电路同时判断有插头插入插座时，CPU主控制器模块输出高电平使可控硅开关模块控制插座电源导通。
3.根据权利要求1所述的基于插头识别的智能防触电插座系统，其特征在于，所述可控硅开关模块包括第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一发光二极管D1、第一三极管SS8050、第一双向可控硅BTA20-600B，其中第八电阻R8一端与第一发光二极管D1阳极连接、另一端与VCC连接，第九电阻R9一端与第一三极管SS8050的基极连接、另一端为V4端口，第十电阻R10一端与第一双向可控硅BTA20-600B的发射极连接、另一端接地GND，第一发光二极管D1的阴极与第一三极管SS8050的集电极连接，第一双向可控硅BTA20-600B的第一阳极与交流电源火线输入端AC+连接、第二阳极与交流电源火线输出端AC-Load连接、控制极与第一三极管SS8050的发射极相连；
第一发光二极管D1为交流电源开关指示灯，第一三极管SS8050为驱动三极管，V4端口与CPU主控制器模块相连，当V4端口输出为低电平时，驱动第一三极管SS8050截止，第一双向可控硅BTA20-600B的控制极为低电平，第一双向可控硅BTA20-600B关断，插座断电；当V4端口输出为高电平时，驱动第一三极管SS8050导通，第一双向可控硅BTA20-600B的控制极为高电平，第一双向可控硅BTA20-600B导通，插座带电。
4.根据权利要求1所述的智能防触电插座系统，其特征在于，所述CPU主控制器模块包括主控制器芯片ATMEGA328P-AU、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第二发光二极管D2、第一晶振XTAL和第一下载端口J1，其中第十一电阻R11的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PC6端口连接、另一端与VCC连接，第十二电阻R12的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PB4端口连接、另一端与第二发光二极管D2的阳极连接，第五电容C5的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PC6端口连接、另一端与第一下载端口J1的5号引脚DTR连接，第六电容C6的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的AREF端口连接、另一端接地GND，第七电容C7的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PB6端口连接、另一端接地GND，第八电容C8的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PB7端口连接、另一端接地GND，第一下载端口J1的1号引脚接地GND、2号引脚接VCC、3号引脚RXD与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PD0端口连接、4号引脚TXD与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PD1端口连接、5号引脚DTR通过第五电容C5和主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PC6端口连接；主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PB0端口与可控硅开关模块的V4端口连接，主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PB1端口、PB2端口、PB3端口分别与插头检测模块的V3端口、V2端口、V1端口相连。
5.根据权利要求1所述的智能防触电插座系统，其特征在于，所述复位模块包括第一复位开关RESET，第一复位开关RESET的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PC6端口连接、另一端接地GND，采用按键低电压复位。
6.根据权利要求2所述的智能防触电插座系统，其特征在于，所述光电对射信号检测电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、光电对射管U1、第二比较器芯片U2即LM393，其中第一电阻R1的一端与光电对射管U1的阳极输入端连接、另一端与VCC连接，第二电阻R2的一端与光电对射管U1的阳极输出端连接、另一端与VCC连接，第三电阻R3的一端与VCC连接、另一端接地GND、第三端即调节端与比较器芯片U2的反相输入端连接，第二比较器芯片U2的输出端即为光电对射信号检测电路的V1端口；
插头插入插座后，将对光电对射管U1中的光电发射管信号进行遮挡，光电接收管接收不到光电信号则处于关闭状态，第二比较器芯片U2正向输入端为高电平，第二比较器芯片U2的输出端即V1端口输出一个高电平数字信号传输给CPU主控制器模块；在无插头插入插座时，光电对射管U1开通，第二比较器芯片U2正向输入端为低电平，第二比较器芯片U2的输出端即V1端口输出一个低电平数字信号传输给CPU主控制器模块；CPU主控制器模块通过V1端口的高低电平识别来判断插头是否插入插座。
7.根据权利要求2所述的智能防触电插座系统，其特征在于，所述开关按压信号检测电路包括第四电阻R4、第五电阻R5、轻触按压自复位开关S1、第三比较器芯片U3即LM393，其中第四电阻R4的一端与第三比较器芯片U3的正相输入端连接、另一端与VCC连接，轻触按压自复位开关S1一端与第三比较器芯片U3的正相输入端连接、另一端接地GND，第五电阻R5一端接地GND、另一端与VCC连接、第三端即调节端与第三比较器芯片U3的反相输入端连接；
当插头插入插座时，轻触按压自复位开关S1导通，第三比较器芯片U3即LM393正向输入端为高电平，第三比较器芯片U3的输出端即V2端口输出高电平数字信号传输给CPU主控制器模块；当无插头插入插座时，轻触按压自复位开关S1关断，第三比较器芯片U3正向输入端为低电平，第三比较器芯片U3的输出端即V2端口输出低电平数字信传输给CPU主控制器模块，CPU主控制器模块通过V2端口的高低电平识别来判断插头是否插入插座。
8.根据权利要求2所述的智能防触电插座系统，其特征在于，所述应变片力学信号检测电路包括第一应变贴片Y1、第二应变贴片Y2、第六电阻R6、第七电阻R7、运算放大器U4，其中第一应变贴片Y1一端与运算放大器U4的反相输入端连接、另一端与VCC连接，第二应变贴片Y2一端与运算放大器U4的反相输入端连接、另一端接地GND，第六电阻R6一端与运算放大器U4的正相输入端连接、另一端与VCC连接，第七电阻R7一端与运算放大器U4的正相输入端连接、另一端接地GND；
将第一应变贴片Y1和第二应变贴片Y2贴在插座簧片上，当有插头插入插座时，插座簧片变形，第一应变贴片Y1和第二应变贴片Y2中的金属箔材随着应变伸长或缩短，进而电阻值发生变化，通过惠斯通电桥将变化的电阻值转化为变化的电压值，通过运算放大器U4将该电压放大并从运算放大器U4的输出端即V3端口输出至CPU主控制器模块，CPU主控制器模块通过V3端口的电压数值来判断是否有插头插入插座。
基于插头识别的智能防触电插座系统
技术领域
[0001] 本发明涉及插座安全技术领域，特别是一种基于插头识别的智能防触电插座系统。
背景技术
[0002] 插座是现代生活中不可或缺的用电连接器件。目前，传统的插座大多是将插座内的电极触片与电源线直接连接，在使用时通过电器的插头直接与电极触片接触达到连通电源的目的。这种插座由于电极触片带电，就会使插头在插拔的过程中产生电弧，容易被人手直接或间接碰到，造成触电事故。另外，儿童出于好奇心可能用手或导体对插座进行误插，非常容易造成触电事故。此外，普通的防触电插座仅是在插口处设置了挡板，无法从根源上识别插头来预防触电事故。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种安全、可靠的基于插头识别的智能防触电插座系统，其在接通电源前通过插头检测模块来识别是否有插头插入，仅当有插头插入时，插座才会延时接通电源，以防止发生触电事故，保证人身的安全。
[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于插头识别的智能防触电插座系统，包括CPU主控制器模块、插头检测模块、电源模块、可控硅开关模块和复位模块，所述插头检测模块、电源模块、可控硅开关模块和复位模块均与CPU主控制器模块相连；插头检测模块对插头信息进行采集，CPU主控制器模块对插头检测模块采集的信号进行分析和判断后输出驱动信号控制可控硅开关模块，可控硅开关模块控制插座电源的通断，复位模块对CPU主控制器模块运行状态进行复位，电源模块向CPU主控制器模块、插头检测模块、可控硅开关模块和复位模块提供直流电源；
[0005] 通过插头检测模块识别是否有插头插入插座，实时把插头检测模块的检测信号传输至CPU主控制器模块，CPU主控制器模块对插头检测模块采集的信号进行分析和判断后输出驱动信号控制可控硅开关模块通断，可控硅开关模块控制插座电源的通断，进而形成智能防触电系统。
[0006] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用高性价比、低功耗的微处理器和超高准确性的插头检测模块，通过插头检测模块来识别插座有无插头插入，从而控制插座电源的通断，实现防触电的目的；(2)既可避免插头在插拔的过程中造成的漏电触电事故，也可避免儿童出于好奇心而用手或导体对插座进行误插造成的触电事故；(3)集低功耗、低成本、智能化控制于一体，可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、体积小、易于安装，无需人为操作，可直接替代传统的插座系统。
附图说明
[0007] 图1为本发明基于插头识别的智能防触电插座系统的工作原理框图。
[0008] 图2为本发明基于插头识别的智能防触电插座系统中电源模块的电路图。
[0009] 图3为本发明基于插头识别的智能防触电插座系统中光电对射信号检测电路图。
[0010] 图4为本发明基于插头识别的智能防触电插座系统中开关按压信号检测电路图。
[0011] 图5为本发明基于插头识别的智能防触电插座系统中应变片力学信号检测电路图。
[0012] 图6为本发明基于插头识别的智能防触电插座系统中可控硅开关模块的电路图。
[0013] 图7为本发明基于插头识别的智能防触电插座系统中CPU主控制器模块的电路图。
具体实施方式
[0014] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0015] 结合图1，本发明基于插头识别的智能防触电插座系统，包括CPU主控制器模块、插头检测模块、电源模块、可控硅开关模块和复位模块，所述插头检测模块、电源模块、可控硅开关模块和复位模块均与CPU主控制器模块相连；插头检测模块对插头信息进行采集，CPU主控制器模块对插头检测模块采集的信号进行分析和判断后输出驱动信号控制可控硅开关模块，可控硅开关模块控制插座电源的通断，复位模块对CPU主控制器模块运行状态进行复位，电源模块向CPU主控制器模块、插头检测模块、可控硅开关模块和复位模块提供直流电源；
[0016] 通过插头检测模块识别是否有插头插入插座，实时把插头检测模块的检测信号传输至CPU主控制器模块，CPU主控制器模块对插头检测模块采集的信号进行分析和判断后输出驱动信号控制可控硅开关模块通断，可控硅开关模块控制插座电源的通断，进而形成智能防触电系统。
[0017] 结合图2，所述电源模块包括LM7805芯片、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4，其中第一电容C1的正极分别与输入电压Vin、LM7805芯片的输入端连接，第一电容C1的负极分别与第三电容C3的一端、LM7805芯片的接地端连接，第三电容C3的另一端与输入电压Vin连接；第二电容C2的正极分别与LM7805芯片的输出端、输出电源VCC连接，第二电容C2的负极与LM7805芯片的接地端连接；第四电容C4的一端与LM7805芯片的接地端连接、另一端与LM7805芯片的输出端连接；LM7805芯片的接地端接地GND；所述Vin为变压器降压整流后的输入电压，通过该电源模块将Vin转换为5V的输出电源VCC，输出电源VCC作为CPU主控制器模块、插头检测模块、可控硅开关模块和复位模块的电源。
[0018] 所述插头检测模块采用三重检测结构，包括光电对射信号检测电路、开关按压信号检测电路和应变片力学信号检测电路，所述插头检测模块包括光电对射信号检测电路、开关按压信号检测电路和应变片力学信号检测电路，所述光电对射信号检测电路、开关按压信号检测电路为数字量检测，所述应变片力学信号检测电路为模拟信号检测；CPU主控制器模块分析和判断该三个检测电路的输出结果，当三个检测电路同时判断有插头插入插座时，CPU主控制器模块输出高电平使可控硅开关模块控制插座电源导通。三个检测都是检测有无插头插入插座，三个检测是“与”的关系，只有当三重检测均检测到信号时，才能判断有插头插入，插座才会延时接通电源，以防止发生触电事故，保证人身的安全，大大增加检测的准确性，防止误操作。
[0019] 如图3所示，所述光电对射信号检测电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、光电对射管U1、第二比较器芯片U2即LM393，其中第一电阻R1的一端与光电对射管U1的阳极输入端连接、另一端与VCC连接，第二电阻R2的一端与光电对射管U1的阳极输出端连接、另一端与VCC连接，第三电阻R3的一端与VCC连接、另一端接地GND、第三端即调节端与比较器芯片U2的反相输入端连接，第二比较器芯片U2的输出端即为光电对射信号检测电路的V1端口。插头插入插座后，将对光电对射管U1中的光电发射管信号进行遮挡，光电接收管接收不到光电信号则处于关闭状态，第二比较器芯片U2正向输入端为高电平，第二比较器芯片U2的输出端即V1端口输出一个高电平数字信号传输给CPU主控制器模块；在无插头插入插座时，光电对射管U1开通，第二比较器芯片U2正向输入端为低电平，第二比较器芯片U2的输出端即V1端口输出一个低电平数字信号传输给CPU主控制器模块；CPU主控制器模块通过V1端口的高低电平识别来判断插头是否插入插座。
[0020] 如图4所示，所述开关按压信号检测电路包括第四电阻R4、第五电阻R5、轻触按压自复位开关S1、第三比较器芯片U3即LM393，其中第四电阻R4的一端与第三比较器芯片U3的正相输入端连接、另一端与VCC连接，轻触按压自复位开关S1一端与第三比较器芯片U3的正相输入端连接、另一端接地GND，第五电阻R5一端接地GND、另一端与VCC连接、第三端即调节端与第三比较器芯片U3的反相输入端连接。当插头插入插座时，轻触按压自复位开关S1导通，第三比较器芯片U3即LM393正向输入端为高电平，第三比较器芯片U3的输出端即V2端口输出高电平数字信号传输给CPU主控制器模块；当无插头插入插座时，轻触按压自复位开关S1关断，第三比较器芯片U3正向输入端为低电平，第三比较器芯片U3的输出端即V2端口输出低电平数字信传输给CPU主控制器模块，CPU主控制器模块通过V2端口的高低电平识别来判断插头是否插入插座。
[0021] 如图5所示，所述应变片力学信号检测电路包括第一应变贴片Y1、第二应变贴片Y2、第六电阻R6、第七电阻R7、运算放大器U4，其中第一应变贴片Y1一端与运算放大器U4的反相输入端连接、另一端与VCC连接，第二应变贴片Y2一端与运算放大器U4的反相输入端连接、另一端接地GND，第六电阻R6一端与运算放大器U4的正相输入端连接、另一端与VCC连接，第七电阻R7一端与运算放大器U4的正相输入端连接、另一端接地GND。将第一应变贴片Y1和第二应变贴片Y2贴在插座簧片上，当有插头插入插座时，插座簧片变形，第一应变贴片Y1和第二应变贴片Y2中的金属箔材随着应变伸长或缩短，进而电阻值发生变化，通过惠斯通电桥将变化的电阻值转化为变化的电压值，通过运算放大器U4将该电压放大并从运算放大器U4的输出端即V3端口输出至CPU主控制器模块，CPU主控制器模块通过V3端口的电压数值来判断是否有插头插入插座。
[0022] 如图6所示，所述可控硅开关模块采用BTA20-600B双三端双向可控硅交流开关以及三极管SS8050驱动电路，实现对火线(AC+)的控制。所述可控硅开关模块包括第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一发光二极管D1、第一三极管SS8050、第一双向可控硅BTA20-600B，其中第八电阻R8一端与第一发光二极管D1阳极连接、另一端与VCC连接，第九电阻R9一端与第一三极管SS8050的基极连接、另一端为V4端口，第十电阻R10一端与第一双向可控硅BTA20-600B的发射极连接、另一端接地GND，第一发光二极管D1的阴极与第一三极管SS8050的集电极连接，第一双向可控硅BTA20-600B的第一阳极与交流电源火线输入端AC+连接、第二阳极与交流电源火线输出端AC-Load连接、控制极与第一三极管SS8050的发射极相连。第一发光二极管D1为交流电源开关指示灯，第一三极管SS8050为驱动三极管，V4端口与CPU主控制器模块相连，当V4端口输出为低电平时，驱动第一三极管SS8050截止，第一双向可控硅BTA20-600B的控制极为低电平，第一双向可控硅BTA20-600B关断，插座断电；当V4端口输出为高电平时，驱动第一三极管SS8050导通，第一双向可控硅BTA20-600B的控制极为高电平，第一双向可控硅BTA20-600B导通，插座带电。
[0023] 如图7所示，所述CPU主控制器模块包括主控制器芯片ATMEGA328P-AU、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第二发光二极管D2、第一晶振XTAL和第一下载端口J1，其中第十一电阻R11的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PC6端口连接、另一端与VCC连接，第十二电阻R12的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PB4端口连接、另一端与第二发光二极管D2的阳极连接，第五电容C5的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PC6端口连接、另一端与第一下载端口J1的5号引脚DTR连接，第六电容C6的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的AREF端口连接、另一端接地GND，第七电容C7的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PB6端口连接、另一端接地GND，第八电容C8的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PB7端口连接、另一端接地GND，第一下载端口J1的1号引脚接地GND、2号引脚接VCC、3号引脚RXD与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PD0端口连接、4号引脚TXD与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PD1端口连接、5号引脚DTR通过第五电容C5和主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PC6端口连接；主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PB0端口与可控硅开关模块的V4端口连接，主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PB1端口、PB2端口、PB3端口分别与插头检测模块的V3端口、V2端口、V1端口相连。所述复位模块包括第一复位开关RESET，第一复位开关RESET的一端与主控制器芯片ATMEGA328P-AU的PC6端口连接、另一端接地GND，采用按键低电压复位。
[0024] 主控制器芯片ATMEGA328P-AU为本发明系统的CPU，第二发光二极管D2为CPU工作指示灯，第一复位开关RESET为手动低电平复位模块，第一晶振XTAL的工作频率为16MHz。
[0025] 作为优选，所述CPU控制器采用单片机ATMEGA328P-AU的主控制器，本发明的ATMEGA328P-AU主控制器是Atmel公司AVR系列的RISC微控制器，其在指令和数据吞吐能力方面比传统的CISC结构要快很多倍。时钟频率最高可达20MHz，具有很丰富的片内模拟和数字外设，高性能，低功耗，超高性价比，可满足多种传感单元信号处理的需要。
[0026] 作为优选，所述插头检测模块采用三重检测结构，其中包括光电对射信号检测、开关按压信号检测和应变片力学信号检测，其中光电对射信号和开关按压信号检测属于数字量检测，应变片力学信号检测属于模拟量检测，通过对插头检测数字量和模拟量这两种信号的三重检测，从而保证了检测结果的准确性。
[0027] 作为优选，所述电源模块的芯片采用7805芯片，其内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，从而使其性能很稳定，并能够实现1A以上的输出电流。
[0028] 作为优选，所述可控硅开关控制部分采用Philips公司的BTA20-600B双三端双向可控硅交流开关以及三极管SS8050驱动电路。
[0029] 综上所述，本发明采用插头检测模块来对插头是否插入插座进行判断并将检测数据传输至CPU，CPU进行多重分析后来控制插座交流电源的通断，实现智能防触电的目的，保证使用过程中人身的安全。本设计降低了硬件的复杂度和成本，提高了插头检测系统的准确性，模块化设计，维护方便，市场应用前景广阔。
