??? 摘? 要： 設(shè)計(jì)了一種多路智能遙控節(jié)電器。該節(jié)電器通過(guò)檢測(cè)各路用電器的工作電流來(lái)判斷各路上的用電器是否處于待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)遙控器為每路用電器的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)設(shè)定一個(gè)限制時(shí)間t，在t時(shí)間內(nèi)自動(dòng)控制該路用電器電源的斷開(kāi)與閉合。該節(jié)電器功能靈活、適用范圍廣、造價(jià)低、實(shí)用性強(qiáng)。?

????關(guān)鍵詞： 節(jié)電器；待機(jī)；遙控；單片機(jī)

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??? 據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前每戶(hù)居民家庭用電器的待機(jī)能耗約占總耗電量的10%，全國(guó)每年的待機(jī)能耗超過(guò)20億千瓦時(shí)，約合14億元人民幣。常用家電的平均待機(jī)能耗分別為：彩電約8.07 W、DVD機(jī)約13.37 W、VCD機(jī)約10.97 W、音響功放約12.35 W、打印機(jī)約9.08 W、PC主機(jī)約35.07 W、電飯煲約19.82 W……；另外，處于待機(jī)的用電器易產(chǎn)生火災(zāi)和被雷電擊壞。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種多路智能遙控節(jié)電器，它不僅能將用電器的待機(jī)能耗幾乎降為零，而且用遙控器智能調(diào)節(jié)多路用電器的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，適用性強(qiáng)，還可以通過(guò)一個(gè)遙控器來(lái)控制家里幾乎所有用電器電源的斷開(kāi)與閉合。此節(jié)電器在消除待機(jī)能耗的同時(shí)，還能對(duì)各種家用電器進(jìn)行人性化的控制和保護(hù)。?

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?

??? 該智能遙控節(jié)電器的系統(tǒng)框圖如圖１所示。該節(jié)電器電流采樣采用電流互感器，故對(duì)與之串聯(lián)的用電器無(wú)影響。因不同用電器工作電流不同，所產(chǎn)生的互感輸入電流也不同，故本設(shè)計(jì)采用輸出電壓限定調(diào)節(jié)電路來(lái)對(duì)互感產(chǎn)生的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而適合具有各種不同工作電流的用電器；比較電路用來(lái)判斷用電器是處于工作狀態(tài)還是處于待機(jī)狀態(tài)，并將判斷結(jié)果傳送給單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)傳送過(guò)來(lái)的結(jié)果控制繼電器，實(shí)現(xiàn)用電器電源的閉合與斷開(kāi)；遙控接收頭用以接收遙控信號(hào)；顯示電路用來(lái)查看待機(jī)時(shí)限和調(diào)節(jié)命令，提供人機(jī)交互界面；遙控器用于設(shè)定各路用電器上的待機(jī)時(shí)間并控制電源的斷開(kāi)與閉合；蜂鳴器用于告知遙控解碼成功。?

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2 主要單元電路工作原理?

2.1 電流取樣、電壓限定輸出電路?

??? 本單元電器共設(shè)計(jì)了三路電路，這里僅給出其中兩路來(lái)說(shuō)明工作原理，其他路的工作原理與此相同。電流取樣、電壓限定輸出電路如圖2所示。用電器電流通過(guò)電流互感器TA初級(jí)后，其次級(jí)感應(yīng)出的電流經(jīng)D1、C1、C2整流濾波成直流加在R1上，然后調(diào)節(jié)R1的大小使A點(diǎn)電壓處在1～2 V之間，此時(shí)紅、綠燈都不亮，說(shuō)明節(jié)電器已能正常工作；若A點(diǎn)電壓低于1 V，則綠燈亮，若A點(diǎn)電壓高于2 V，則紅燈亮，此時(shí)調(diào)節(jié)R1使紅綠燈都不亮?xí)r，節(jié)電器即可正常工作。本節(jié)電器適合控制工作電流在0.3～3 A的用電器。取電流互感原副線(xiàn)圈比為N₁：N₂=1：500，則原線(xiàn)圈電流I₁∈(0.3 A，3 A)時(shí)，副線(xiàn)圈電流I₂∈(0.6 mA，6 mA)。經(jīng)計(jì)算，在電流取樣、電壓輸出中總功耗不超過(guò)0.012 W，電壓限定調(diào)節(jié)指示電路功耗W₁=U²/R+2Vcc×I_LM324<0.06 W。在一個(gè)節(jié)電器上設(shè)置多路電流取樣電路就能實(shí)現(xiàn)多路控制，此多路智能遙控節(jié)電器上可設(shè)置至少10路。此文中只給出了兩路，需要擴(kuò)展時(shí)，按同樣參數(shù)擴(kuò)展其他路即可。當(dāng)擴(kuò)展更多路數(shù)時(shí)，電流采樣可都接在圖中的D點(diǎn)。?

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2.2 電壓放大、比較及電壓基準(zhǔn)電路?

??? 電壓放大、比較及電壓基準(zhǔn)電路如圖3所示。電壓放大比較都采用LM324芯片^[1]。將圖2中的E、F點(diǎn)輸出的1～2 V電壓經(jīng)U3、U4各放大4倍得到4～5 V的電壓，并將其分別輸入到比較器U5、U6進(jìn)行比較判斷，然后將比較判斷結(jié)果傳送給單片機(jī)的P0口，單片機(jī)通過(guò)判斷P0口中各引腳輸入的高低電平信號(hào)而對(duì)各對(duì)應(yīng)路數(shù)上的繼電器進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制對(duì)應(yīng)路數(shù)上用電器電源的斷開(kāi)與閉合。這里使用了電壓基準(zhǔn)芯片TL431^[2]，用來(lái)輸出3 V電壓作為比較器的基準(zhǔn)電壓。經(jīng)計(jì)算，放大比較及電壓基準(zhǔn)電路消耗的功率不超過(guò)0.05W。?

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2.3 指示燈顯示及電源通斷執(zhí)行電路?

??? 指示燈顯示及電源通斷執(zhí)行電路如圖4所示?？紤]到節(jié)省電能，本節(jié)電器工作時(shí)只讓三（多）路中的一路指示燈點(diǎn)亮，當(dāng)需要查看其他路上的待機(jī)時(shí)限時(shí)長(zhǎng)時(shí)，只需按遙控器就可輪流查看各路上對(duì)應(yīng)的待機(jī)時(shí)限時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)某一路上設(shè)定的時(shí)限時(shí)長(zhǎng)分別為5min、10min、15min時(shí)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮的綠燈為1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)。當(dāng)需要調(diào)節(jié)各路中用電器待機(jī)時(shí)限時(shí)長(zhǎng)時(shí)，按下遙控器上的K10鍵，此時(shí)指示燈顯示電路中的紅燈亮，說(shuō)明此時(shí)可對(duì)相應(yīng)路上的用電器待機(jī)時(shí)限時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。指示燈電路通過(guò)單片機(jī)串行口為SN74LS164N傳送串行數(shù)據(jù)使各路中的時(shí)限指示燈點(diǎn)亮^[3]。電源通斷執(zhí)行電路是指單片機(jī)與繼電器的配合工作電路。這里的繼電器選用低功耗的松下PA-繼電器，其控制電壓為5～18 V、切換功率為3 A/220 V AC、線(xiàn)圈功耗為120mW、機(jī)械壽命為10 000 000次、電氣壽命為100 000 次^[4]。經(jīng)計(jì)算，在用電器工作時(shí)，此部分每路消耗的功率不超過(guò)0.15 W，在用電器待機(jī)時(shí)消耗的功率不超過(guò)0.005W。?

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2.4 開(kāi)關(guān)電源電路?

??? 開(kāi)關(guān)電源電路如圖5所示。以MAX5033芯片為核心構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源電路輸出參數(shù)為+5 V/0.5 A，其轉(zhuǎn)化效率高達(dá)94%，且其輸入電壓范圍廣、輸出電壓穩(wěn)定，并給整個(gè)節(jié)電器提供電能^[5]。?

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2.5 遙控發(fā)射電路?

??? 遙控發(fā)射電路如圖6所示。DT9122芯片是通用紅外遙控發(fā)射集成電路，采用CMOS工藝制造，最多可外接64個(gè)按鍵，價(jià)格低廉，簡(jiǎn)單易用。

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3 程序流程圖?

??? 主程序流程圖如圖7所示。圖7中的“遙控調(diào)時(shí)定時(shí)時(shí)間到？”指在遙控器按下K10鍵后開(kāi)始定時(shí)，在定時(shí)時(shí)間內(nèi)可對(duì)各路的待機(jī)時(shí)限時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)實(shí)際時(shí)間超過(guò)定時(shí)時(shí)長(zhǎng)后，調(diào)整無(wú)效。程序中的子程序還有：定時(shí)器T0定時(shí)中斷服務(wù)子程序、遙控信號(hào)譯碼子程序、延時(shí)子程序、蜂鳴器響一聲子程序。其中遙控信號(hào)譯碼子程序中有這樣幾個(gè)主要過(guò)程：鍵值識(shí)別、K10鍵按下后的時(shí)間保存、各路上對(duì)應(yīng)的待機(jī)時(shí)限時(shí)長(zhǎng)調(diào)整、顯示指示燈的循環(huán)查看。?

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4 節(jié)能方案分析?

????此節(jié)電器系統(tǒng)的主要功耗集中在電源通斷執(zhí)行電路中的繼電器上。當(dāng)用電器工作時(shí)繼電器閉合，而每個(gè)繼電器在閉合時(shí)消耗功率約0.12 W，按此計(jì)算。此節(jié)電器可設(shè)計(jì)10路，當(dāng)10路上的用電器同時(shí)工作時(shí)，10個(gè)繼電器的總功耗約為0.12×10=1.2 W。系統(tǒng)其他部分的工作電流都為微安級(jí)，功耗非常小。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)此節(jié)電器設(shè)計(jì)成10路時(shí)，總能耗不超過(guò)2 W。對(duì)于普通家庭來(lái)說(shuō)，家用電器每天的待機(jī)時(shí)間為18~22 h，工作時(shí)間為2~6 h。經(jīng)分析，家用電器的平均待機(jī)能耗約為8 W。若使用此節(jié)電器，按10路來(lái)計(jì)算，則10路用電器和節(jié)電器系統(tǒng)的總能耗按用電器每天工作4 h計(jì)算，約為(0.12×10+0.8)×4=8 W/h，其中0.8 W是繼電器以外其他部分的功耗。若不使用此節(jié)電器，還是按10路來(lái)計(jì)算，則用電器和節(jié)電器系統(tǒng)的總能耗按用電器每天工作4 h和待機(jī)20 h來(lái)計(jì)算約為(0.12×10+0.8)×4+8×10×20=1 608 W。則此節(jié)電器能將電能節(jié)省1 608/8=201(倍)。?

5 擴(kuò)展說(shuō)明?

??? 此節(jié)電器根據(jù)單片機(jī)的接口至少可擴(kuò)展成10路，P1口的其他引腳和P3口的部分引腳用于各路電流取樣信號(hào)判斷結(jié)果的輸入擴(kuò)展；P0口的其他引腳和P2口的部分引腳用于用電器對(duì)應(yīng)各路執(zhí)行電路的擴(kuò)展；P2口的其他引腳用于指示顯示電路路數(shù)的擴(kuò)展。?

6 系統(tǒng)特點(diǎn)?

??? (1)具有三級(jí)省電模式。第一級(jí)：設(shè)其中一路設(shè)定的待機(jī)時(shí)限為t，當(dāng)這一路上的用電器待機(jī)時(shí)間超過(guò)t后，此路上的用電器電源將被繼電器完全斷開(kāi)，此時(shí)完全消除待機(jī)。第二級(jí)：當(dāng)節(jié)電器上所有路上的用電器都不工作時(shí)，單片機(jī)將進(jìn)入休閑模式，此時(shí)整個(gè)節(jié)電器系統(tǒng)幾乎不消耗電能。由于休閑模式能通過(guò)中斷來(lái)喚醒，當(dāng)遙控接收頭接收到遙控信號(hào)時(shí)，單片機(jī)將跳出休閑模式繼續(xù)發(fā)揮檢測(cè)控制作用。第三級(jí)：為了使本系統(tǒng)耗能盡可能小，在指示待機(jī)時(shí)限和調(diào)時(shí)的顯示電路中，每次只讓其中一路的待機(jī)時(shí)限指示燈亮。當(dāng)需要查看其他路上設(shè)定的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)時(shí)，只需用遙控器讓各路上指示燈左右循環(huán)移動(dòng)顯示即可。這樣就能使最少的LED燈點(diǎn)亮，從而降低了本系統(tǒng)的能耗。?

????(2)適用范圍廣。此節(jié)電器對(duì)工作電流在0.3～3 A之間的所有具有待機(jī)和不具有待機(jī)功能的用電器都能正常發(fā)揮控制和節(jié)電作用。具體方法是：如在第一路上插上用電器，讓用電器正常工作時(shí)，調(diào)節(jié)R1的大小使LED1與LED2都不亮即可。由于此節(jié)電器本身能對(duì)用電器的電源進(jìn)行斷開(kāi)與閉合，所以一旦插上用電器并調(diào)節(jié)好R1后，用電器電源的開(kāi)與合就能通過(guò)遙控器來(lái)控制，以后就沒(méi)有必要再將用電器插頭拔下來(lái)，這樣節(jié)電器上的每一路就能對(duì)它上面的用電器長(zhǎng)期正常地發(fā)揮控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)作用。?

????(3)具有一定的智能性。此節(jié)電器的遙控器除了為每一路設(shè)計(jì)了一個(gè)電源開(kāi)機(jī)鍵外，還為每一路設(shè)計(jì)了一個(gè)即時(shí)關(guān)閉電源鍵。當(dāng)需要立刻斷開(kāi)用電器電源時(shí)，按用電器路數(shù)上的對(duì)應(yīng)即時(shí)關(guān)閉遙控鍵即可；當(dāng)用電器完全斷開(kāi)電源后又想重新讓用電器合上電源開(kāi)始工作，此時(shí)按下用電器路數(shù)上的遙控電源開(kāi)機(jī)鍵即可。此外還可根據(jù)具體用電器的需要，通過(guò)遙控器對(duì)每路用電器的待機(jī)限定時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。?

參考文獻(xiàn)?

[1] LM324 data sheet.http：//www.ic37.com/htm_pdf/137775_868277-pdf.htm?

[2] TL431 data sheet.http：//www.ic37.com/htm_pdf/137775_868277-pdf.htm.?

[3] 張毅剛.MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.?

[4] PA-繼電器.http：//www.njwzdz.com/exhibit/ex-hview.asp??pid=81#?

[5] Maxim.max5033 data sheet.http：//www.ic37.com/htm_pdf/629380_449323-pdf.htm.