楊?yuàn)W迪,李姿景,湯威靜,劉澤華

（黃河科技學(xué)院，河南鄭州 450063）

1 引言

隨著科技的發(fā)展以及人們生活水平的提高，家中的電器越來(lái)越多，自動(dòng)化辦公設(shè)備的廣泛應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的產(chǎn)品具有了待機(jī)功能，人們?cè)谙硎鼙憬莸耐瑫r(shí)，待機(jī)狀態(tài)下所消耗的能源也在造成驚人的浪費(fèi)。據(jù)中國(guó)節(jié)能認(rèn)證中心調(diào)查，我國(guó)城市家庭的平均待機(jī)能耗，相當(dāng)于每個(gè)家庭每天都在亮著一盞15 瓦到30 瓦的長(zhǎng)明燈[1]。如果將待機(jī)能耗放到一個(gè)宏觀的背景下進(jìn)行估算，那么結(jié)果會(huì)更驚人。以74厘米彩色電視機(jī)為例，按平均待機(jī)能耗18瓦，一天待機(jī)16小時(shí)，以2000萬(wàn)臺(tái)電視機(jī)計(jì)算，每年浪費(fèi)電能達(dá)21億千瓦時(shí)[2]。另有文獻(xiàn)表明[3]，火災(zāi)損失中有3成以上是由電氣火災(zāi)引起的，其中的罪魁禍?zhǔn)赘?jìng)是連接電器的插座，其中一個(gè)重要原因是處于長(zhǎng)期通電狀態(tài)下的電器，待機(jī)時(shí)間一長(zhǎng)，易于導(dǎo)致超負(fù)荷工作而發(fā)生危險(xiǎn)。防空載節(jié)能插座的設(shè)計(jì)正是在這種背景下產(chǎn)生的，通過(guò)這一設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)插座帶來(lái)的電氣耗能與安全問(wèn)題。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：使用單片機(jī)為主控芯片，通過(guò)對(duì)功率檢測(cè)電路、紅外感應(yīng)電路發(fā)出的信號(hào)做出判斷，控制交流電路的通斷。功率檢測(cè)電路可以測(cè)量電量值、有功功率、電流有效值、電壓有效值；紅外感應(yīng)模塊能以非接觸的方式監(jiān)測(cè)來(lái)自人體發(fā)出的紅外輻射，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

插座正常工作時(shí)：主控芯片通過(guò)接收功率檢測(cè)電路的輸出信號(hào)判斷用電器是否處于正常工作狀態(tài)，若處于正常工作狀態(tài)則繼續(xù)監(jiān)測(cè)，反之輸出斷路信號(hào)切斷交流電的連接，實(shí)現(xiàn)用電器零功率待機(jī)；

用電器電源斷開(kāi)時(shí)：通過(guò)紅外感應(yīng)電路監(jiān)測(cè)插座是否即將被使用，若監(jiān)測(cè)到插座近距離內(nèi)有人員，則主控芯片輸出信號(hào)控制交流電路的閉合實(shí)現(xiàn)電器的正常使用。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用電器待機(jī)時(shí)自動(dòng)斷電，用電器使用時(shí)電路自動(dòng)接通功能，可節(jié)約用電器待機(jī)狀態(tài)下?lián)p耗的電能，較市場(chǎng)上大部分插座有較好的節(jié)能效果。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

主控模塊如圖2所示。主控模塊電路由振蕩電路、復(fù)位電路等外圍電路和AT89C51 芯片組成。本設(shè)計(jì)中，使用芯片的I/O 口接收紅外感應(yīng)路發(fā)來(lái)的信號(hào)，計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器接收來(lái)自功率檢測(cè)模塊發(fā)出的頻率信號(hào)，通過(guò)芯片對(duì)獲取信號(hào)的計(jì)算來(lái)控制交流電源開(kāi)關(guān)電路的通斷。

圖2 主控模塊電路圖

3.2 功率檢測(cè)模塊

功率檢測(cè)模塊功能是實(shí)現(xiàn)用電器功率的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能。電路如圖3所示，主要由功率計(jì)量芯片HLW8012、電壓采樣網(wǎng)絡(luò)和電流采樣單元組成。HLW8012是深圳市合力為科技推出的電能計(jì)量芯片，可以測(cè)量有功功率、電壓有效值、電流有效值，通常應(yīng)用于節(jié)能插座、智能家電等場(chǎng)合。

圖3 功率檢測(cè)模塊電路圖

電壓信號(hào)采樣功能通過(guò)電阻網(wǎng)的分壓采樣實(shí)現(xiàn)，電流信號(hào)采樣功能通過(guò)對(duì)流經(jīng)康銅電阻的負(fù)載工作電流采樣實(shí)現(xiàn)，采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)HLW8012 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)。主控芯片測(cè)量HLW8012脈沖時(shí)，通過(guò)測(cè)量相鄰兩個(gè)上升沿或下降沿的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算功率值。脈沖頻率與檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算公式如下：

1)有功功率與脈沖頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系：

2)電流有效值與脈沖頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

3)電壓有效值與脈沖頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系：

其中：

F：脈沖頻率；V1：V1P-V1N 引腳的電壓信號(hào)；VBPS：內(nèi)置基準(zhǔn)電源，電壓為2．43v；V2：V2P 引腳的電壓信號(hào)；fbosc：內(nèi)置晶振，頻率約為3．579MHZ。

3.3 紅外檢測(cè)模塊

紅外檢測(cè)模塊功能是監(jiān)測(cè)用電器是否有人員使用，電路如圖4所示，主要使用熱釋電紅外傳感器RE200B 和BISS-0001芯片組成。熱釋電紅外傳感器是一種敏感元件，它由高熱電系數(shù)材料、濾光鏡和阻抗匹配場(chǎng)效應(yīng)管組成。能用非接觸方式檢測(cè)人體發(fā)出的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，可有效地抑制超過(guò)人體輻射波長(zhǎng)（如陽(yáng)光和反射光）的干擾。BISS0001是一款功能較強(qiáng)的熱釋電紅外傳感器信號(hào)處理芯片。設(shè)計(jì)中，此芯片引腳1 應(yīng)接入高電平，選擇紅外開(kāi)關(guān)重復(fù)觸發(fā)模式。熱釋電傳感器RE200B 監(jiān)測(cè)到人體發(fā)出的紅外信號(hào)，經(jīng)過(guò)BISS0001芯片處理后由芯片引腳2端輸出高電平信號(hào)至主控芯片的I/O口，由此實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的功能[4]。

圖4 紅外檢測(cè)模塊

3.4 交流電源開(kāi)關(guān)模塊

交流電源開(kāi)關(guān)模塊如圖5所示，主要由三極管、雙向晶閘管和光電耦合器組成，雙向晶閘管作用是控制交流電源和用電器的通斷[5]，光電耦合器起到隔離高壓交流電路和繼電器的作用。用電器、220V 交流電源和晶閘管串聯(lián)形成閉合回路，單片機(jī)向三極管輸出脈沖信號(hào)控制光電耦合器閉合或斷開(kāi)，光電耦合器可以觸發(fā)雙向晶閘管的通路和斷路，從而控制交流電源電路的通路和斷路。

圖5 交流電源開(kāi)關(guān)電路

3.5 電源電路

本設(shè)計(jì)選用HLK-PM 電源模塊。HLK-PM 是深圳海凌電子推出的針對(duì)智能行業(yè)的電源模塊，應(yīng)用于智能家居，自動(dòng)化控制等行業(yè)中。它的特點(diǎn)是體積小、壽命長(zhǎng)，性價(jià)比高，無(wú)需外接電路即可工作[6]。

4 軟件設(shè)計(jì)

程序流程如圖6所示：主控芯片接收到啟動(dòng)信號(hào)后，進(jìn)入30 秒功率學(xué)習(xí)階段，30 秒后記錄閾值并進(jìn)入待機(jī)監(jiān)測(cè)工作狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到用電器功率低于閾值50%時(shí)，判定用電器為待機(jī)狀態(tài)，主控芯片發(fā)出斷開(kāi)交流電源指令，插座進(jìn)入待啟動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)功率檢測(cè)電路關(guān)閉，紅外檢測(cè)電路啟動(dòng)。

圖6 程序流程圖

5 電路仿真結(jié)果

通過(guò)仿真模擬插座工作中六個(gè)常用的工作狀態(tài)，驗(yàn)證節(jié)能插座的可行性。

此處用脈沖信號(hào)發(fā)生器代替功率采樣模塊，可控高低電平代替紅外感應(yīng)模塊，使用LED 指示燈表示交流電路開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示燈滅代表交流電源斷路，指示燈亮代表交流電源接通。狀態(tài)調(diào)試流程圖如圖7，仿真結(jié)果如圖8。

圖7 狀態(tài)流程圖

圖8 電路仿真結(jié)果

6 電路測(cè)試結(jié)果

依據(jù)設(shè)計(jì)原理制作了節(jié)能插座實(shí)物，將其應(yīng)用于表1中常用的家用電器，通過(guò)測(cè)試得到各種用電器不用節(jié)能插座時(shí)的工作功率、待機(jī)功率以及應(yīng)用節(jié)能插座的待機(jī)功率。

依據(jù)表1中測(cè)量的數(shù)據(jù)，假設(shè)出用電器的工作時(shí)長(zhǎng)，例如，抽油煙機(jī)每天三頓飯的使用時(shí)間大約1．5 小時(shí)，其余時(shí)間均為待機(jī)狀態(tài)。由式（4）～式（6）可以分別計(jì)算出不用節(jié)能插座和應(yīng)用節(jié)能插座時(shí)的能耗，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 常用家電不同狀態(tài)下的功耗

表2 常規(guī)應(yīng)用時(shí)長(zhǎng)下是否用節(jié)能插座的能耗對(duì)比

家電能耗計(jì)算公式：

其中：P工作為工作功率，P待機(jī)為待機(jī)功率，T工作為工作時(shí)間，T待機(jī)為待機(jī)時(shí)間。

由表2可以看出，使用節(jié)能插座時(shí)可以節(jié)約電能的，對(duì)于一家一戶，節(jié)能并不是十分明顯，但是，如果用戶較多，節(jié)能量就非?？捎^。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文利用STC89C51作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了防空載節(jié)能插座的硬件與軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)電路仿真驗(yàn)證了此插座在防空載、防待機(jī)方面的可行性，設(shè)計(jì)具有造價(jià)低，普適性強(qiáng)的特點(diǎn)，有明顯的節(jié)能效果。