??? 摘? 要： 設(shè)計了一種多路智能遙控節(jié)電器。該節(jié)電器通過檢測各路用電器的工作電流來判斷各路上的用電器是否處于待機狀態(tài)，同時通過遙控器為每路用電器的待機時長設(shè)定一個限制時間t，在t時間內(nèi)自動控制該路用電器電源的斷開與閉合。該節(jié)電器功能靈活、適用范圍廣、造價低、實用性強。?

????關(guān)鍵詞： 節(jié)電器；待機；遙控；單片機

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??? 據(jù)統(tǒng)計，目前每戶居民家庭用電器的待機能耗約占總耗電量的10%，全國每年的待機能耗超過20億千瓦時，約合14億元人民幣。常用家電的平均待機能耗分別為：彩電約8.07 W、DVD機約13.37 W、VCD機約10.97 W、音響功放約12.35 W、打印機約9.08 W、PC主機約35.07 W、電飯煲約19.82 W……；另外，處于待機的用電器易產(chǎn)生火災和被雷電擊壞。針對以上問題，本文設(shè)計了一種多路智能遙控節(jié)電器，它不僅能將用電器的待機能耗幾乎降為零，而且用遙控器智能調(diào)節(jié)多路用電器的待機時長，適用性強，還可以通過一個遙控器來控制家里幾乎所有用電器電源的斷開與閉合。此節(jié)電器在消除待機能耗的同時，還能對各種家用電器進行人性化的控制和保護。?

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，故對與之串聯(lián)的用電器無影響。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)計采用輸出電壓限定調(diào)節(jié)電路來對互感產(chǎn)生的輸出電壓進行調(diào)節(jié)，從而適合具有各種不同工作電流的用電器；比較電路用來判斷用電器是處于工作狀態(tài)還是處于待機狀態(tài)，并將判斷結(jié)果傳送給單片機；單片機根據(jù)傳送過來的結(jié)果控制繼電器，實現(xiàn)用電器電源的閉合與斷開；遙控接收頭用以接收遙控信號；顯示電路用來查看待機時限和調(diào)節(jié)命令，提供人機交互界面；遙控器用于設(shè)定各路用電器上的待機時間并控制電源的斷開與閉合；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)計了三路電路，這里僅給出其中兩路來說明工作原理，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。用電器電流通過電流互感器TA初級后，其次級感應出的電流經(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點電壓處在1～2 V之間，此時紅、綠燈都不亮，說明節(jié)電器已能正常工作；若A點電壓低于1 V，則綠燈亮，若A點電壓高于2 V，則紅燈亮，此時調(diào)節(jié)R1使紅綠燈都不亮時，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。取電流互感原副線圈比為N₁：N₂=1：500，則原線圈電流I₁∈(0.3 A，3 A)時，副線圈電流I₂∈(0.6 mA，6 mA)。經(jīng)計算，在電流取樣、電壓輸出中總功耗不超過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。在一個節(jié)電器上設(shè)置多路電流取樣電路就能實現(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，需要擴展時，按同樣參數(shù)擴展其他路即可。當擴展更多路數(shù)時，電流采樣可都接在圖中的D點。?

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2.2 電壓放大、比較及電壓基準電路?

??? 電壓放大、比較及電壓基準電路如圖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進行比較判斷，然后將比較判斷結(jié)果傳送給單片機的P0口，單片機通過判斷P0口中各引腳輸入的高低電平信號而對各對應路數(shù)上的繼電器進行控制，從而達到控制對應路數(shù)上用電器電源的斷開與閉合。這里使用了電壓基準芯片TL431^[2]，用來輸出3 V電壓作為比較器的基準電壓。經(jīng)計算，放大比較及電壓基準電路消耗的功率不超過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)電器工作時只讓三（多）路中的一路指示燈點亮，當需要查看其他路上的待機時限時長時，只需按遙控器就可輪流查看各路上對應的待機時限時長。當某一路上設(shè)定的時限時長分別為5min、10min、15min時，對應點亮的綠燈為1個、2個、3個。當需要調(diào)節(jié)各路中用電器待機時限時長時，按下遙控器上的K10鍵，此時指示燈顯示電路中的紅燈亮，說明此時可對相應路上的用電器待機時限時長進行調(diào)節(jié)。指示燈電路通過單片機串行口為SN74LS164N傳送串行數(shù)據(jù)使各路中的時限指示燈點亮^[3]。電源通斷執(zhí)行電路是指單片機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、線圈功耗為120mW、機械壽命為10 000 000次、電氣壽命為100 000 次^[4]。經(jīng)計算，在用電器工作時，此部分每路消耗的功率不超過0.15 W，在用電器待機時消耗的功率不超過0.005W。?

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2.4 開關(guān)電源電路?

??? 開關(guān)電源電路如圖5所示。以MAX5033芯片為核心構(gòu)成的開關(guān)電源電路輸出參數(shù)為+5 V/0.5 A，其轉(zhuǎn)化效率高達94%，且其輸入電壓范圍廣、輸出電壓穩(wěn)定，并給整個節(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個按鍵，價格低廉，簡單易用。

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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)時定時時間到？”指在遙控器按下K10鍵后開始定時，在定時時間內(nèi)可對各路的待機時限時長進行調(diào)整。當實際時間超過定時時長后，調(diào)整無效。程序中的子程序還有：定時器T0定時中斷服務子程序、遙控信號譯碼子程序、延時子程序、蜂鳴器響一聲子程序。其中遙控信號譯碼子程序中有這樣幾個主要過程：鍵值識別、K10鍵按下后的時間保存、各路上對應的待機時限時長調(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。當用電器工作時繼電器閉合，而每個繼電器在閉合時消耗功率約0.12 W，按此計算。此節(jié)電器可設(shè)計10路，當10路上的用電器同時工作時，10個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，功耗非常小。經(jīng)計算，當此節(jié)電器設(shè)計成10路時，總能耗不超過2 W。對于普通家庭來說，家用電器每天的待機時間為18~22 h，工作時間為2~6 h。經(jīng)分析，家用電器的平均待機能耗約為8 W。若使用此節(jié)電器，按10路來計算，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路來計算，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20 h來計算約為(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 擴展說明?

??? 此節(jié)電器根據(jù)單片機的接口至少可擴展成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判斷結(jié)果的輸入擴展；P0口的其他引腳和P2口的部分引腳用于用電器對應各路執(zhí)行電路的擴展；P2口的其他引腳用于指示顯示電路路數(shù)的擴展。?

6 系統(tǒng)特點?

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

????(2)適用范圍廣。此節(jié)電器對工作電流在0.3～3 A之間的所有具有待機和不具有待機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，調(diào)節(jié)R1的大小使LED1與LED2都不亮即可。由于此節(jié)電器本身能對用電器的電源進行斷開與閉合，所以一旦插上用電器并調(diào)節(jié)好R1后，用電器電源的開與合就能通過遙控器來控制，以后就沒有必要再將用電器插頭拔下來，這樣節(jié)電器上的每一路就能對它上面的用電器長期正常地發(fā)揮控制、調(diào)節(jié)和保護作用。?

????(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)計了一個電源開機鍵外，還為每一路設(shè)計了一個即時關(guān)閉電源鍵。當需要立刻斷開用電器電源時，按用電器路數(shù)上的對應即時關(guān)閉遙控鍵即可；當用電器完全斷開電源后又想重新讓用電器合上電源開始工作，此時按下用電器路數(shù)上的遙控電源開機鍵即可。此外還可根據(jù)具體用電器的需要，通過遙控器對每路用電器的待機限定時間進行調(diào)整。?

參考文獻?

[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單片機原理及應用.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，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.