单片机实例分享，饮水机自动关电源专用插座

为了满足学生饮水需要，学校在每个教室配备了一台饮水机。但由于各种原因，大家经常忘记关闭饮水机，导致饮水机整夜反复烧水，不仅耗费了大量的电能，而且喝这种经过反复烧过的水也有害健康。于是，我们想到了制作一个控制器，当我们忘记关机时，能够自动关闭饮水机电源。

基本原理

饮水机对机箱里的水通电加热，水烧开后会断电停止加热。如果没有将烧好的水用掉，烧好的水会慢慢地散热降温，当温度降到加热下限时，饮水机会控制再次加热。由于加热机箱包裹了性能较好的保温材料，散热降温速度较慢，两次加热间的时间间隔较长，一般在10min以上。如果水烧开后，用去了烧好的全部或部分热水，则温度会很快降到加热下限，这样两次加热的时间间隔较短。这个过程的示意图如图6.1所示。

图6.1 饮水机电流变化示意图

我们可以根据通电电流的有无测量两次加热的时间间隔，从而可以判断有没有倒水，如果连续两次加热没有倒水，则判断不需要再烧水，直接关闭饮水机电源。对电流有无的判断，可以在饮水机里完成，也可以在输电线路上(如在插线板里)完成。如果选择后者，则没必要修改饮水机，可以极大限度地方便推广使用。

结构框图及系统电路图

根据上述分析，我们设计了系统的结构框图(如图6.2所示)及系统电路图(如图6.3所示)。

图6.2 系统结构框图

图6.3 系统电路图

这部分电路的原理图如图6.4所示，饮水机的功率一般都在1000W以上，我们教室里使用的功率为1000W，额定电流约为5A。当饮水机加热时，有较大的电流流过两个阻值为0.5Ω的水泥电阻并联后组成的取样电阻，并联后的阻值为0.25Ω，两端电压的有效值为1.2V，最大值为1.6V。由于光耦里的红外二极管导通、发光电压为1.2V，因此在加热过程中能周期性地发光。当光耦初级发光时，光耦次级光敏三极管导通，从而输出一个低电平到P27，供单片机进行判断。当电流为零，或者电流方向不符合导通条件时，光耦次级光敏三极管截止，通过上拉电阻的作用，输出高电平到P27，因此有加热电流时，周期性地输出低电平到P27，由此我们可以判断系统有没有加热电流。

图6.4 电流检测电路

此处的取样电阻消耗的功率约为6W，所以选用两个功率为5W的水泥电阻并联使用，光耦选用常用的线性光耦EL817，它不仅实现了信号的耦合，同时也实现了系统与市电的的隔离，提高了系统的稳定性。

系统设置了3个按键，分别用来实现以下3个功能。

(1)存储正常降温的时间数据。

当系统完成一次没有倒水的降温时，按此按键可以把这个降温时间数据存入存储器AT24C02中，供系统参考，判断是否存在倒水动作。

(2)设置加热一次断电。

如果是家庭使用，多数情况下，我们只要喝一杯水，此时只要烧一次就可以了，按此按键，在烧好一次水之后，系统将断电。

(3)设置智能断电。

按此按键后，系统进入自动断电状态的初始设置，如工作类型设定，没有倒水的烧水次数清零，读取参考数据等。

3. LED 指示灯及蜂鸣器警示部分

这部分电路设置了4个LED指示灯。其中，3个在按键旁边，用于状态指示，在按键1旁边的用于指示是否有可存数据，如果等待时间大于10min，则认为是没有倒水的时间间隔，可以存储使用。按键2和按键3旁边的指示灯，用于指示系统的工作状态，按键2旁边的灯亮，说明处于一次烧水状态，如果按键3旁边的指示灯亮，说明系统处于自动断电状态。初始默认为智能断电。

另一个3mm共阳双色发光二极管用于指示系统工作状态，发红色光表示饮水机处于加热状态，发绿色光表示饮水机处于等待状态。由于红色LED正常工作电压降约为1.7V，绿色LED正常工作电压降约为3V，所以为了获得相同的亮度，它们要连接不同的限流电阻。本制作中，红色LED串联1kΩ电阻作为限流电阻，绿色LED串联200Ω作为限流电阻，这使得它们的亮度能基本一致。安装二极管时要特别注意引脚的极性。

当水烧好时，蜂鸣器会发出声音，提醒我们可以倒水，当要自动关闭电源时，也发出声音提醒我们，使我们不用看指示灯，即可在第一时间知道水有没有烧好。

4. 数据存储部分

不同的饮水机，不同的环境温度，烧好水后的自动降温时间是不同的，不能一概而论，所以此处设置了一个数据存储部分，用于存储某种使用状态下，自动降温的时间，当换用了不同的饮水机，或者环境温度变化较大时，可重新设置并保存。由于存储的数据量不是很大，并且要求断电后能够保存，此处选用常用的AT24C02作为存储芯片。

5. 环境温度检测

由于不同的环境温度，水温降低的速度不一样，我们可以加入一个环境温度检测电路，根据测得的环境温度不同，对自动降温时间做出适当的修正。

6. 继电器控制

控制系统通过继电器控制是否给饮水机通电，如图6.5所示。当P22输出高电平时，VT1导通，继电器触片接到常开引脚，接通饮水机的电源。反之，则关闭饮水机的电源。由于继电器是感性元件，断电时将产生较高的感应电动势，所以要接上一个二极管(IN4007)作为续流二极管，吸收所产生的感应电流。此处使用的继电器额定电流为10A，完全适合此制作的需要。

图6.5 继电器输出电路

7. 主控电路

由于处理的数据不多，对处理速度要求不高，所以选用常用的51单片机作为主控单元，负责协调控制整个系统的工作，包括电流检测、时间测量、按键扫描、220V高压输出控制等相关操作，整个系统就是通过主控电路把各部分电路结合成一个有机整体的。

8. 电源电路

由于系统要驱动5V继电器，所需的工作电流较大，控制部分总电源达250mA，所以找到一个输出5V/500mA的废旧手机充电器，拆掉里面的电路板作为电源模块，给系统供电。

程序设计

根据系统的工作过程，设计出单片机程序的流程，如图6.6所示。其主要的控制部分在定时中断里完成，而按键扫描，则在主程序里完成。

图6.6 主要程序框图

制作过程

(1)根据设计的原理图绘制PCB图，利用热转印法手工制作电路板。设计PCB时要充分考虑安装的空间、形状、关键元器件的位置，设计好的PCB如图6.7所示，安装好相关元器件之后的电路板如图6.8所示。

图6.7 PCB 图

图6.8 焊接好元器件的电路板

(2)由于控制器涉及220V的高压电，因此必须制作一个外壳，把里面的电路包装起来。我们选用的是加工性能好、透明度高的亚克力板(有机玻璃板)，在保护里面电路的同时，不至于把我们制作的精华部分隐藏起来。为使系统更协调，底板采用乳白色的亚克力板。根据设计，裁取合适的6块板，并在面板上相应的位置加工相关的孔，如散热孔、安装孔、按键孔、插座孔等。加工好的几块板如图6.9所示，再用亚克力板专用胶水把各部分粘连起来，如图6.10所示。

图6.9 裁好并钻好孔的几块亚克力板

(3)从废旧手机充电器上取出里面的电路板作为系统的供电电源，取废旧插线板里的插座单元，作为输出插座，如图6.11所示，并把它们安装在机壳的相应位置上。

图6.10 粘好的外壳

图6.11 电源和插座

(4)把电路板、开关等固定在插线板里，接好线，即完成了系统的制作，其接线图如图6.12所示，每次按触动开关，系统自动启动，并保持通电状态。当给饮水机断电时，系统电源也跟着断电，节省电能的同时，也防止系统长时间通电而影响其寿命。制作完成的作品如图6.13所示。

图6.12 电路连接示意图

图6.13 最终的成品图

使用方法

把本控制器电源线插头插到室内的插座上，饮水机的电源线插到本控制器上，按触动开关，即可开机使用。

1. 获取自然降温时间

初次使用或者是换用其他饮水机之后，要把水烧开一次，并让其自然降温。通过按保存键，把自然降温的时间存在存储器里，供下次使用时参考。

2. 正常控制

在接通电源之后，按自动断开键进入自动断电状态，在这种情况下，如果两次烧开之后没有倒水，则关闭系统电源。当按饮水机上的一次烧水，则一次烧开之后断电。开机默认为自动断电状态，关闭饮水机时控制器本身将断电。

公牛2A1C 65W快充插座深度拆解，这设计做工，不愧是公牛

插线板是人们日常生活中不可缺少的东西，随着快充技术的发展，越来越多的插线板上直接配备有USB-A接口或USB-C快充接口。作为插线板行业龙头大哥，公牛最近也推出了一款功率高达65W 2A1C的多口插线板，USB接口最大输出功率分别为18W和65W，支持多快充协议，可以为当前市面上绝大部分手机、平板、笔记本提供65W USB PD快速充电。下面我们就来看看其内部用料如何。

一、公牛USB快充插座外观

公牛这款六位延长线插座的包装盒采用白绿配色，包装盒扁平修长，可以看出插线板不是很占用空间，正面印有插线板外观图且占据了一大半面积，很有辨识度。

盒子一端印有公牛品牌、产品名称和三大特性。

另一端印有1.8米长度和支持笔记本65W快充信息。

盒子背面印有产品参数、特点、注意事项以及售后等相关信息。

插线板外套有防尘袋。

线缆使用包塑线捆扎，规格为300/500V 3 X 1.0mm²，线缆粗壮有韧性，经久耐用。

三脚插头上凹印公牛logo。

插头两侧设有凹槽，方便用户插拔使用，并且适合在沙发后面等空间狭小处使用。插脚外套保护塑料壳。

插头内侧有“GNT-10BS10”型号和“10A 250V”规格参数字样，并且已经通过了3C认证。

实测电源线长约1.6m，机身长约20cm，总长度1.8m，可以满足大多数使用场景。

插座本体与线身连接处增加橡胶套，抗弯折。

公牛快充延长线插座采用PC阻燃材质白色外壳，机身顶面磨砂处理，侧身亮面设计，整体修长扁平。

电源开关特写，旁边有公牛品牌logo。

下面是2A1C三个USB接口，均采用蓝色胶芯。

接口旁凹印有区别标识以及每个接口的最大输出功率。

插座上设有六位插孔，其中3+2位插孔和2位插孔各三个。

每个AC插孔都设置有安全门，单口无法插入，避免异物进入，有效防止小孩好奇贪玩发生意外。

插线板底部四角都有软胶垫，增大摩擦力防止机身在桌面上打滑，而且还能隐藏螺丝起到装饰的作用，底部外壳上还标注了产品的规格参数等信息。

产品型号：GNV-UU2656技术参数：额定电压：250V-最大功率：2500W最大电流：10AUSB模块输入：200-240V~50/60Hz 1.2A单口输出：USB-C：5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A 65W MAXUSB 1/2：5V3A、9V2A、12V1.5A 18W MAX双口输出：USB-C+USB 1/2：（5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V2.25A）+（5V3A、9V2A、12V1.5A）USB 1+USB 2：共用5V3A三口输出：USB-C：5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V2.25AUSB 1+USB 2：共用5V3A公牛集团股份有限公司产品已经通过了CCC认证。

底部另一端设有警示语。

使用ChargerLAB POWER-Z KT002检测USB-C口的输出协议，显示支持Apple 2.4A、Samsung 5V/2A和DCP协议，以及QC2.0/3.0、AFC、FCP、SCP、MTK PE+2.0多个快充协议。

除此之外，其PDO报文显示USB-C口还支持USB PD3.0快充标准，具备5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A五组固定电压档位以及3.3-21V/3A一组PPS电压档位。

另外使用KT002检测USB-A1口的输出协议，显示支持Apple 2.4A、Samsung 5V/2A、DCP、QC2.0/3.0、AFC、FCP这些协议。

另外使用KT002检测发现USB-A2口同样支持Apple 2.4A、Samsung 5V/2A、DCP、QC2.0/3.0、AFC、FCP协议。

二、公牛USB快充插座拆解

去掉软胶塞，机身四角均采用H型防拆螺丝固定。

打开机身壳，底部外壳上设有很多支撑小圆柱，右端还有充电器的初次级隔离板。

排插线尾端使用螺丝和锁扣进行固定，一体铜带使用卡扣进行固定，而且和充电器之间设有隔离板，插孔供电从电路板上焊接引出。

PCB板正面一览，变压器区域配有黄铜散热片，并且散热片上粘贴有绝缘胶带，Type-C接口小板和输出二次降压小板均为独立焊接。

拆掉散热片，变压器、电感电容等大多数元器件打胶加固，初次级之间分隔明显。

板子背面同样配有散热片，并且两者之间还有黑色绝缘板隔离。

拆掉散热片，整流桥和同步整流MOS两个主要发热芯片上还贴有导热垫帮助散热。

PCB板侧面一览，左侧是继电器，用于插排输出控制。夹在继电器和输出小板之间的是充电器延时保险丝、共模电感、X电容等元器件。

宁波汇龙仓 932-5VDC-SL-AH 继电器，线圈电压5V，触点容量10A250V。

汇龙仓 932-5VDC-SL-AH 继电器 详细资料。

保险丝外套热缩管。

两颗滤波电感。

滤波电容规格为400V 2.2μF。

另一颗也是一样的规格，且两颗电容均为SAMXON万裕品牌。

工字电感外套热缩管。

此外还有一颗小电容，规格为10V 220μF。

必易微KP321XB系列高性能低成本PEM控制功率开关，适用于离线式小功率降压型应用场合，外围电路简单、器件个数少。同时产品内置高耐压MOSFET可提高系统浪涌耐受能力。与以上元件组成非隔离开关电源，用于继电器通断控制。

必易微KP321X系列资料信息。

合力为HLW8012单相多功能计量IC，配合取样电阻采集插排电流。

合力为HLW8012资料信息。

丝印L1515的IC，响应按键开关操作，并检测HLW8012输出的电流信号，进行过载保护。

电源开关特写。

以上是插排内部继电器控制电路，下面是65W快充充电器电路，采用定压输出，二次降压的架构。USB-C口为单独一路降压，两个USB-A口共用一路降压电路，单口快充，双口5V，由单片机进行Type-C口智能功率控制。

旁边有一颗LED灯，套有热缩管。

延时保险丝特写，规格为3.15A 250V。

共模电感外套热缩管，用于滤除EMI干扰。

安规X电容容量为0.47μF，来自DGCX东莞市成希电子有限公司。

滤波电感特写。

来自深圳市沃尔德实业有限公司输入端整流桥WRLSB80M，这颗软桥通过较软的恢复曲线，比较平滑的关断特性，可以降低二极管结电容达到非常少的谐波振荡产生的效果。选用的LSB封装，拥有良好的散热特性，帮助中大瓦数适配器提升可靠性，单颗可做60W+。

沃尔德 WRLSB80M 资料信息。

PCB板前端一览，左侧设有多颗高压滤波电解电容，其中两颗顶部还套有绝缘管。

两颗黑色电解电容来自艾华，规格为400V 22μF。

另外两颗是永铭铝电解电容，规格均为400V 27μF。

永铭KCX系列铝电解电容是2019年推出快充电源专用产品，其工作温度范围在-55℃~105℃，3000小时寿命，并具备抗雷击、低漏电流（低待机功耗）、高纹波电流、高频低阻抗等性能优势。

充电头网了解到，凭借小体积的特点，永铭KCX系列电解电容还被京造65W 1A1C氮化镓快充充电器、努比亚65W 2C1A氘锋氮化镓快充、毕亚兹2C1A 65W氮化镓快充、SlimQ 65W氮化镓USB PD快充、爱否开物1A2C 65W PD氮化镓快充等产品采用，获得客户一致认可。

此外还有一颗电容外套绝缘管，SAMXON万裕品牌，规格为400V 15μF。

PCB板侧面一览，初级开关MOS配有散热片帮助导热。

PWM供电电容规格为63V 4.7μF，来自丰宾。

PWM主控芯片采用通嘉科技LD5763BGSM，工作频率最高可达100KHz。

通嘉LD5763BGSM详细资料。

初级开关MOS管，AOS万代AOTF360A70L，NMOS，耐压800V。

AOS AOTF360A70L 资料信息。

变压器特写，顶部贴有信息标签。

亿光EL 1018光耦，横跨在初级和次级之间，用于初级次级通信，反馈输出电压。

蓝色Y电容也是来自东莞市成希电子有限公司，用于输出抗干扰。

次级同步整流控制器来自茂睿芯，型号MK91808。茂睿芯MK9180X系列是紧凑的适用于反激拓扑的同步整流控制器，兼容于CCM、DCM以及QR 工作模式；使用自主知识产权的自供电技术为VCC供电，可以直接置于正端应用而无需辅助绕组。

同时，茂睿芯MK9180X的10nS的关断延时以及高达4A的下拉电流帮助系统可靠工作于CCM模式。通过拥有自主知识产权的开通及关断机制，该芯片可以最大化外驱MOSFET的导通时间以获得尽可能高的效率，并且自主检测DCM振铃，防止误开通。此外，MK9180X的GATE钳位机制也在起机前和起机过程中保护MOSFET不会误开通。

茂睿芯MK9180X详细规格资料。

次级同步整流MOS，华润微，丝印088N12N，所在位置作了过孔设计，增强散热。

输出端一览，两路降压电路均设在小板上，并且打胶加固。

一胖一瘦两颗同步整流输出滤波固态电容，规格均为25V 470μF，其中一颗来自CapXon丰宾。

无丝印MCU，用于USB-A和USB-C输出功率智能分配。

USB-A二次降压小板背面一览，做了过孔设计。

小板背面设有一颗智融SW3510，用于两个USB-A口同步整流降压和协议识别。智融SW3510是一颗内置有USB-C口识别及多种快充功能的高集成度双口充电芯片，支持A+C口任意口快充输出，支持双口独立限流。

此外其集成了5A高效率同步降压变换器，支持 PPS、PD、QC、AFC、FCP、SCP、PE、SFCP等多种快充协议，CC/CV 模式，以及双口管理逻辑。外围只需少量的器件，即可组成完整的高性能多快充协议双口充电解决方案。

智融SW3510详细资料信息。

充电头网了解到，采用智融SW3510的产品还有绿联2A2C 48W智能充电器、摩米士65W氮化镓、倍思45W USB PD快充充电器、倍思60W 2A1C USB PD快充充电器、倍思30W USB PD双口充电器、ROCK洛克30W QC4+双口车载充电器等数十款产品。

智融SW3510外挂一颗威兆VS3622DB，双NMOS，耐压30V，非对称，用于为两个USB-A口输出同步整流降压。

威兆VS3622DB资料信息。

威兆VS3622DE 双NMOS，耐压30V，这里作为两个USB-A口的输出VBUS开关，上方R005电阻为两路USB-A输出检流电阻，用于输出过流保护。

威兆 VS3622DE 资料信息。

小板另一面是降压电感和输出滤波固态电容，磁环电感外套热缩管，输出滤波固态电容规格为16V 180μF，来自丰宾。

两个USB-A母座垂直过孔焊接，加长设计。

USB-C二次降压小板背面一览。

USB-C口同样采用智融SW3510作为降压和协议IC。

外挂两颗威兆VS3610AE，NMOS，耐压30V，用于USB-C口输出同步整流降压。

威兆 VS3610AE 详细资料信息。

小板正面设有磁环降压电感和两个固态滤波电容，电感多线并绕提高效率，电容规格分别是25V 220μF和25V 100μF。

USB-C母座特写。

全部拆解完毕，来张全家福。

充电头网拆解总结

公牛65W USB PD快充插座采用白色PC阻燃材质机身，外观简约。作为公牛旗下首款支持65W USB PD快充的插线板产品，它标志着传统插线板老牌厂商正式入局USB PD快充领域。插线板同时配备了六组国标插孔和三个USB充电接口，既可以满足家电产品的供电，也能为笔记本电脑、手机、平板、游戏机等数码产品进行充电，非常实用。整个插线板的电源通断可以通过一个微动开关控制，使用方便。

充电头网通过拆解了解到，公牛65W PD快充插线板内置的USB电源模块采用了多口PD快充充电器常见的方案，由开关电源+二次降压电路组成，其中开关电源部分采用通嘉LD5763BGS作为PWM主控芯片，并采用茂睿芯MK91808作为同步整流控制器，二者分别搭配相应的MOS实现固定电压输出。

二次降压部分采用了两颗智融SW3510芯片，一颗负责USB-C口的降压和协议识别控制，另一颗负责两个USB-A接口降压和协议识别，两路输出通过一个外挂单片机协调，最终实现三口功率智能输出控制。电源开关继电器采用专用芯片控制，过流保护由采样芯片和采样电阻组成，在过流发生时及时切断继电器，避免意外。

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