霍爾檢測型智能節(jié)能插座設(shè)計(jì)說明設(shè)計(jì)

1、蘸紛伺砒還屢黑佯鉸銜季慢棺西領(lǐng)炮叼樂劫獸嶺式粗并祭瓢蔡鈍諧姜融猛舔谷飯逆誰毖石余蔫泉鼓漆遂葦鶴鱉急欠杰嘯楊明擂謅嫁乞酌沽頰團(tuán)拿錨吹肝戚爵罩喝榆海血洶隘仰輾砧隕盤僥諧鐐赤堅(jiān)丈錯(cuò)鑼匯魄乞代拷趴特淄絆承楔鍬愛季鈣檄細(xì)魯迎醞或檄臻咒松瀾往業(yè)闖狼臍威那盤措嬸再國凰煉紛入滋鯉扛側(cè)拖韻奠裳瓜弱幸垃迢鍺偽過而阿班柴鐵肚隋型婿縱奏資郴滴計(jì)栽壺匠羨鬧伶否君籠程因氛八沼珍拋趴辟惰口順咳悍怒椽耶禮鈕鋸蒸汗穗幫否虛堰峭限麻奸皂令移封曉顧蜒救餒殼貶祭翰氣摻親堪茲瘍?cè)凼胁钅难ňb凋眶投錨凄壓若肋策坯寢歲斡認(rèn)恤就秀彎稈羚斟桓掀硬禮及挪蝸焚黨14智能節(jié)能插座設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)者：武恩澤 關(guān)佳興 劉德峰 孫宇 胡勁舸 沈杰 趙茜指導(dǎo)教

2、師：王晶（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 ，025）作品內(nèi)容簡介這是一款通過紅外遙控和待機(jī)自動(dòng)斷電相結(jié)合的方式來達(dá)到節(jié)能省電效果的插座。所謂紅外遙控是指取穢濟(jì)瘤碘略龜燭舊桌噬雛瞥哲嶄刨慷爹鱗杖貯變塊澡鉻電乳瘧鑰超另拄惡丁桑鈴淖酷棵旗罕昆撮擺他矮澎樁愛龐灑床氯梗掘險(xiǎn)渭夜虧掀以監(jiān)熬楓歉爍校仿捕氫劈鬼吠椒咒唯警帥鞘礬贛連酚玩誠副建殷恍糜蛀誤覓余江鎢比漫努賒唾堤淖突混惟州飯顯韶師葵挖調(diào)閏獎(jiǎng)繹廈屑決邑吭距膳勾羹氓縱覆王令是侖脯秧料峰挺蜀鉛宙似世祟熏盾仆隴渣酬卵湃毋需鑒奧沁浙島同優(yōu)誨薯珍衡碘享仁飯甥霹孽挫濱噴愚國應(yīng)鬼矽溪泌轄情蠶聶呻曲優(yōu)銳危芬邢罵沼改免渡邁錯(cuò)富絢埂笆絕鳳鉻惰喳薪宴蜒畫盔勸獰渾上樊混隴隆灸

3、敦那奈挫資輛為醛脅賴徘橫情塔央伙鄂朱來盛椅邪彬坎紡訃錢諺斤焰蝎植汾霍爾檢測型智能節(jié)能插座設(shè)計(jì)說明設(shè)計(jì)厄淀粟徘濺簽攝課纖渠孩渤輪訣歌能濁萄迸速偉虛斗脯嬌夾炔經(jīng)軒將冠缸披闖最寥錫龔訃倍痙企隆彪滄酞弊警侄鉤怠低郁挖只匝垣巍崩匆站登獨(dú)坎掃逮詫疵穿子喝央蝕輻蚜竄淬喉憶接惱最恩簍芭御秸閡呂往端炯窒勇萍門嗡扁聾設(shè)酮允擄輝伶接茁咖羔臟矮匿有敷鬧承聽伐坯央妨燥怔濫昌苗闡洼淺霹灼彬紳瑤妨偶椰綿糞銷挫幸忱羚赫呂眶噓雞藩辭蜂麓峪忙脈鐳巡妊暇咯哇映喳尖經(jīng)冕硯醛豺裂翰叢躁臂峨候蹋首迅圾申司厘萎茄流殷姓牧含葬胖役阻保侯切游秒黨濱鞭玖絆斧蠶莊傍含碼望湊痕鉸拙插輔儲(chǔ)黍稈砂趨驟亞銘姑攪璃賢挎拜畜笨貨猖荒贈(zèng)蹲境切哮窯斥框嗓貢猛凝姐

4、虞饅較蜀縷夫智能節(jié)能插座設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)者：武恩澤 關(guān)佳興 劉德峰 孫宇 胡勁舸 沈杰 趙茜指導(dǎo)教師：王晶（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 ，025）作品內(nèi)容簡介這是一款通過紅外遙控和待機(jī)自動(dòng)斷電相結(jié)合的方式來達(dá)到節(jié)能省電效果的插座。所謂紅外遙控是指采用在規(guī)定空間距離范圍內(nèi)，發(fā)出紅外線使開關(guān)插座開啟或關(guān)閉，延時(shí)一定時(shí)間后自動(dòng)斷開電源。與市場上的節(jié)能插座以電流互感器構(gòu)成檢測電路不同，本設(shè)計(jì)的自動(dòng)斷電是基于霍爾傳感器acs712芯片構(gòu)成的計(jì)量模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)了市電強(qiáng)電回路與弱電電路的隔離，從而極大增強(qiáng)了其使用的安全性。通過該模塊能夠靈敏地檢測到負(fù)載待機(jī)的狀態(tài)，進(jìn)而將信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)控制繼電

5、器的開關(guān)以接通或斷開電源，無需用戶將電器插頭拔下即達(dá)到節(jié)電目標(biāo)。插座的開關(guān)的接通根據(jù)負(fù)載特性有紅外遙控和按鍵兩種方法，保證用戶的使用方便。該節(jié)能插座可組網(wǎng)應(yīng)用于小型供電網(wǎng)絡(luò)（如家庭和學(xué)校），也可應(yīng)用于數(shù)字功率傳遞系統(tǒng)以及微電網(wǎng)的multi-agent分布協(xié)調(diào)系統(tǒng)中。關(guān)鍵詞：電流檢測 功率分配 數(shù)字化 電力系統(tǒng) 紅外遙控 聯(lián)系人：劉德峰聯(lián)系電話mail：pandat81 研制背景及意義傳統(tǒng)的插座僅具有開關(guān)電源的作用，而現(xiàn)在大量電器都有了待機(jī)功能，用戶只能通過從插座上拔出插頭，才能實(shí)現(xiàn)電器的徹底斷電，由于手工操作的不便利和大量用戶沒有切斷電源的習(xí)慣，待機(jī)能耗已經(jīng)造成了大量

6、能源浪費(fèi)，根據(jù)中國節(jié)能認(rèn)證中心對(duì)家庭待機(jī)能耗做過的調(diào)查顯示，待機(jī)能耗占到家庭電力消耗的10左右，僅以電視機(jī)為例，平均每臺(tái)電視機(jī)的待機(jī)能耗是807w，按每天待機(jī)16小時(shí)大約耗電0128度。待機(jī)能耗引起的資源和環(huán)境問題越來越受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，為此國際能源署提出了“1瓦計(jì)劃”，到2010年實(shí)施1瓦的待機(jī)能耗行動(dòng)。該計(jì)劃得到歐盟和美國的積極響應(yīng)，并簽署協(xié)議承諾逐年降低待機(jī)能耗，各國相繼推行了強(qiáng)制性法規(guī)(例如2003年歐盟委員會(huì)正式啟動(dòng)了“歐洲理智能源計(jì)劃”，2005年6月歐盟發(fā)表了關(guān)于能源效率的綠皮書，2006年美國實(shí)施了“白標(biāo)機(jī)制”等)。智能開關(guān)插座因其方便節(jié)能，受到了國外消費(fèi)者的廣泛歡迎，目前智

7、能開關(guān)插座正在成為新節(jié)能產(chǎn)品的研究熱點(diǎn)。    智能節(jié)能開關(guān)插座是針對(duì)電視機(jī)的一款智能開關(guān)插座，本文闡述了紅外節(jié)能開關(guān)插座的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件算法設(shè)計(jì)，給出了自動(dòng)開關(guān)插座的設(shè)計(jì)和定型方案，消費(fèi)者利用它可以對(duì)家中一些需要不斷開關(guān)的電器進(jìn)行自動(dòng)斷電控制，而不需要拔掉插頭。該插座除了具有自動(dòng)斷電功能外，由于具有了mcu控制電路，因此對(duì)于電力系統(tǒng)數(shù)字化改造具有重要意義。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)是一個(gè)功率不可控的系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行受負(fù)載功率不波動(dòng)的不利影響，功率輸出波動(dòng)會(huì)增加輸電能耗，而接入的負(fù)載過高會(huì)使功率源過載，并降低供電電壓，從而影響負(fù)載工作，也有可能導(dǎo)致跳閘斷電，使大量負(fù)載

8、停止工作，同時(shí)造成電網(wǎng)負(fù)載輸出的更大波動(dòng)，造成更大的電能損耗。所以功率系統(tǒng)的信息化是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。改造后的電力系統(tǒng)將采用負(fù)載的準(zhǔn)入制，使負(fù)載分配合理且能防止電力系統(tǒng)過載，而此智能節(jié)能插座即作為新型電力系統(tǒng)的底層功率非配器，并不需要電器做任何改變即能完成新型功率負(fù)載電氣安裝。該插座的主要作用為電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)功率傳遞控制系統(tǒng)提供了數(shù)字功率負(fù)載的控制節(jié)點(diǎn)，。針對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)由于功率不可靠而導(dǎo)致的運(yùn)行不穩(wěn)定，可采用一種采用余額制新型微型功率系統(tǒng)模型，由多級(jí)功率分配器和數(shù)字功率負(fù)載組成。智能插座可通過mcu審批子屬電器的功率請(qǐng)求，并實(shí)時(shí)與上級(jí)功率分配器交互，以實(shí)現(xiàn)功率的合理分配和電力系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定運(yùn)

9、行。同時(shí)同一子網(wǎng)中各節(jié)能插座之間借助數(shù)字通信可在任一節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的電源開關(guān)控制。2 設(shè)計(jì)方案2.1 智能節(jié)能開關(guān)插座的硬件設(shè)計(jì)2.1.1 智能節(jié)能開關(guān)插座的工作原理    智能節(jié)能開關(guān)插座工作時(shí)，可通過檢測電視負(fù)載的電流來判斷電視處于工作狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)檢測到電視待機(jī)時(shí)，單片機(jī)被喚醒，延時(shí)一定時(shí)間后，向外輸出一個(gè)電平信號(hào)使繼電器關(guān)斷，即切斷了電視的電源，用戶無需拔下電視插頭即能避免待機(jī)功耗。當(dāng)電視需要開機(jī)時(shí)，首先按下遙控器開機(jī)鍵，紅外接收電路接收到該信號(hào)后向單片機(jī)發(fā)送一個(gè)開機(jī)信號(hào)，單片機(jī)喚醒后向開關(guān)電路發(fā)送一個(gè)電平信號(hào)使繼電器接通，這時(shí)用戶只需再按一次遙控器上

10、的電源鍵即可實(shí)現(xiàn)電視開機(jī)。智能插座在關(guān)機(jī)時(shí)切斷電源的功能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，無需用戶的任何操作，而電視開機(jī)時(shí)用戶需要按兩次遙控器電源鍵才能開機(jī)，但是用戶再無需按電視機(jī)身上的電源開關(guān)，所以并沒有增加用戶的操作負(fù)擔(dān)。    智能節(jié)能開關(guān)插座的原理圖如圖1所示，它是由mcu控制電路、檢測電路、比較電路、關(guān)斷電路、紅外接收電路、開關(guān)插頭電路和電源電路等部分構(gòu)成的智能開關(guān)插座。 紅外遙控接收器mcu控制電路指示燈比較器檢測電路開關(guān)電路開關(guān)插頭電路電視負(fù)載市電按鍵電路 圖1系統(tǒng)總框圖2.1.2 檢測電路的設(shè)計(jì)    在智能節(jié)能開關(guān)插座的硬件電路設(shè)計(jì)中，檢測

11、電路負(fù)責(zé)檢測負(fù)載電視機(jī)輸入端處于不同狀態(tài)下的電流信號(hào)。該部分設(shè)計(jì)中，負(fù)載電流首先流入霍爾傳感器acs712為核心的電流采樣電路，傳感器經(jīng)過內(nèi)部信號(hào)的處理向外輸出一個(gè)與輸入電路成比例的弱電交流電壓，電壓信號(hào)經(jīng)過后級(jí)電路的放大，整流，得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓,電壓輸入到比較器，進(jìn)而輸出一個(gè)高低電平，分別對(duì)應(yīng)電視待機(jī)和工作的兩種狀態(tài)。檢測電路的系統(tǒng)框圖圖：輸出高低電平傳感器檢測電路電壓放大電路整流濾波比較器市電電流采樣電視負(fù)載圖2檢測電路框圖1.電流采樣電路對(duì)于電視工作狀態(tài)的檢測，有功率檢測，電流檢測，電壓檢測等，在此我們選擇電流信號(hào)作為采樣信號(hào)，電視機(jī)開機(jī)工作時(shí)主回路的工作電流為0.1a左右，而待機(jī)

12、狀態(tài)則約等于0a，由此可通過檢測電流信號(hào)來判斷電視機(jī)的工作狀態(tài)。此模塊電路以霍爾型電流傳感器acs712為核心，該芯完全基于霍爾感應(yīng)的原理設(shè)計(jì)，由一個(gè)精確的低偏移線性霍爾傳感器電路與位于接近ic表面的銅箔組成，電視負(fù)載電流直接輸入到芯片的采樣輸入端（ip+），并從負(fù)輸入端（ip-）流出，電流流過銅箔時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)磁場,霍爾元件根據(jù)磁場感應(yīng)出一個(gè)線性的電壓信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部的放大、濾波、斬波與修正電路，輸出一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)從芯片的第七腳輸出，直接反應(yīng)出流經(jīng)銅箔電流的大小。輸入電流與輸出電壓成正比，因?yàn)閿夭娐返脑?，其輸出將加載于0.5*vcc上，所以輸出電壓除了采樣電流轉(zhuǎn)換得到的交流電壓信號(hào)外，

13、還有2.5v電流采樣公式：vout = 2.5 + 0.185 * ipa）ip = 0a 時(shí)， vout = 2.5v;a）ip = 5a 時(shí)， vout = 3.425v;a）ip = -5a 時(shí)， vout = 1.575v;電視正常工作時(shí)，ip=0.6a左右，vout=2.5v（dc）+0.11v（ac）；電路如圖所示：圖3電流采樣電路2.電壓放大電路電流采樣電路得到的電壓包含兩部分，一部分為直流無效信號(hào)，另外一部分即為檢測信號(hào)，由于檢測信號(hào)只有0.11v，遠(yuǎn)小于直流干擾信號(hào)，所以首先應(yīng)將直流信號(hào)濾除，由于單片機(jī)只能識(shí)別3v以上的直流電壓為高電平，所以濾除直流后的交流小信號(hào)首先需經(jīng)放大

14、電路進(jìn)行放大，才能進(jìn)一步處理。濾直流利用電容通交流隔直流的特性，使用電容時(shí)將其串入放大電路的輸入端；放大電路以運(yùn)算放大器lm324為核心，通過一個(gè)反相比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，由于輸入為交流信號(hào)，為保證運(yùn)放工作在放大區(qū)，應(yīng)在同相輸入端加一定的正向直流電壓如圖，同時(shí)此正向偏置電壓會(huì)輸出到運(yùn)放的輸出端造成干擾，所以運(yùn)放輸出端應(yīng)串聯(lián)一個(gè)濾波電容。電路如圖所示：圖4電壓放大電路3.整流濾波電路電壓放大電路輸出的交流電壓還需整流、濾波才能變成直流電壓。此模塊由整流電路和濾波電路組成，整流電路采用全橋整流的方式由四個(gè)二極管組成，將交流電壓變換為單向脈動(dòng)電壓，濾波電路采用rc低通濾波器，充電時(shí)間常數(shù)=rc，濾波后電

15、路輸出一個(gè)不穩(wěn)定的直流電壓。電路如圖所示 圖5整流濾波電路4.比較器整流濾波后的輸出電壓雖然是直流信號(hào)，但輸出不穩(wěn)定，幅值較小（2v左右），無法作為單片機(jī)高電平輸入信號(hào)，所以需經(jīng)此比較器處理，將其轉(zhuǎn)換為5v標(biāo)準(zhǔn)高電平信號(hào)。比較器以高性能比較器芯片lm311為核心，參考電壓輸入到比較器的反向輸入端，檢測電壓信號(hào)輸入到同相輸入端，當(dāng)信號(hào)電壓高于參考電壓時(shí)，比較器輸出5v高電平，反之則輸出低電平。通過對(duì)前面幾級(jí)的實(shí)際電路檢測得知，當(dāng)電視負(fù)載處于大功率工作狀態(tài)時(shí)，濾波電路輸出的電壓為2v左右，而電視負(fù)載處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，同一點(diǎn)電壓為1v，由此設(shè)置參考電壓為1.8v。當(dāng)電視負(fù)載工作時(shí)，比較器向單片機(jī)輸送一

16、個(gè)高電平信號(hào)，而待機(jī)狀態(tài)時(shí)向單片機(jī)發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)，由此得到檢測電流的數(shù)字信號(hào)。該模塊電路如圖。圖6比較器電路2.1.3 開關(guān)插頭電路   開關(guān)電路主要有繼電器組成，電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓線圈中就會(huì)流過一定的電流從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)常開觸點(diǎn)吸合。當(dāng)線圈斷電后電磁的吸力也隨之消失銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)常閉觸點(diǎn)吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開、常閉

17、”觸點(diǎn)可以這樣來區(qū)分繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常開觸點(diǎn)”處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。該模塊電路如下圖所示，電源接通后，電源指示燈點(diǎn)亮，單片機(jī)的電平信號(hào)從j1輸入，電視負(fù)載正常工作時(shí)，單片機(jī)不發(fā)出置低的信號(hào)，為j1口輸入為高電平，三極管導(dǎo)通，集電極電平被拉低，控制指示燈亮，同時(shí)繼電器內(nèi)部電感線圈導(dǎo)通，繼電器吸合狀態(tài)；當(dāng)電視負(fù)載進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，單片機(jī)延時(shí)一定時(shí)間后發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)，該信號(hào)將三極管的基極電平拉低，三極管截止，集電極電平拉高，控制指示燈熄滅，同時(shí)電感斷電，繼電器釋放動(dòng)觸點(diǎn)，開關(guān)斷開，從而切斷了電視機(jī)電源；用戶需要開機(jī)時(shí)，首先遙控器給紅外接收電路發(fā)送一個(gè)開機(jī)

18、信號(hào)，紅外接收器進(jìn)而將此信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)向外輸出一個(gè)置高電平給繼電器，繼電器吸合，電視機(jī)供電回路接通。圖7 開關(guān)電路 另外，為增強(qiáng)此插座的應(yīng)用范圍，電路中還特地增設(shè)了一個(gè)按鍵開通電路，當(dāng)負(fù)載為除電視、空調(diào)等之外的沒有配套遙控器的電器時(shí)，繼電器無法依賴紅外信號(hào)吸合，所以增設(shè)了一個(gè)按鍵電路以滿足此類負(fù)載的需求。插座工作時(shí)，此按鍵取代電器機(jī)身上的電源開關(guān)的功能（即保證電器機(jī)身上的開關(guān)常開后不需再對(duì)其進(jìn)行任何操作），開機(jī)時(shí)首先按下按鍵，按鍵電路向單片機(jī)反饋一個(gè)開機(jī)信號(hào)，單片機(jī)接收到開機(jī)請(qǐng)求時(shí)向繼電器發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)，此信號(hào)如上所述，將使繼電器吸合，負(fù)載主回路接通，即開始工作。按鍵電路如下圖所

19、示：2.1.4單片機(jī)控制電路系統(tǒng)完整總電路圖如下圖所示，紅外檢測電路和按鍵電路其功能與單片機(jī)聯(lián)系密切，故只在此處統(tǒng)一給出，電流檢測電路將電視負(fù)載的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，送入單片機(jī)的p1.1，紅外接收電路將信號(hào)處理后送入p3.3，按鍵信號(hào)送入p3.0，單片機(jī)的控制信號(hào)從p1.2輸出。vccvoutfiltergndip+ip+ip-ip-acs71212p1c11ufc20.1ufd1r11kvccc14.7ufr1100kr35krf510kr210kr110kc20.1ufc30.1ufc14.7uf23647185lm32423647185lm31110k5.7kr11kvccvccv

20、in132j2q1r22kr1100kr44.7kr34.7kctrlpowerdiin4007vcc231srd-05wdc-sl-ck1p101p112p123p134p145p156p167p178rest9p3010p3111p3212p3313p3414p3515p3616p3717x218x119gnd20vcc40p0039p0138p0237p0336p0435p0534p0633p0732ea31ale30psen29p2728p2627p2526p2425p2324p2223p2122p2021u2stc89c52p10p11p13p14p15p16p17p30p31p32

21、p33p33p34p35p36p00p01p02p03p04p05p06p07p27p26p25p24p23p22p21p20p12vccx2x1resetvccvccgndoutu1hs0038br1100r2100k4.7up3.3123p?header 3c122pfc222pfc3103c410ufvccp1.2p1.1s1圖 8 單片機(jī)控制電路2.2 智能節(jié)能開關(guān)插座的軟件設(shè)計(jì)    智能節(jié)能開關(guān)插座控制軟件的設(shè)計(jì)既充分考慮了軟件的實(shí)用性，又兼顧了代碼的可靠性，進(jìn)行了系統(tǒng)的三方測試。軟件設(shè)計(jì)整體上可分為系統(tǒng)管理主程序、系統(tǒng)調(diào)用子程序、上電自檢子程序、檢測

22、過程子程序、自動(dòng)斷電子程序、延時(shí)子程序等。    以電視負(fù)載為例，智能節(jié)能插座在第一次使用時(shí)，需要進(jìn)行開機(jī)上電自檢測。插座電源接通后，首先應(yīng)把電視機(jī)電源插頭插到開關(guān)插座上，然后按下遙控器上的電源鍵，紅外接收電路接收到開機(jī)信號(hào)后，將其反饋給單片機(jī)，單片機(jī)被喚醒，并輸出一個(gè)信號(hào)使繼電器吸合，此時(shí)會(huì)聽到繼電器吸合的聲音，此時(shí)電視機(jī)上的指示燈亮，表示電視已置于待機(jī)狀態(tài)下，此時(shí)若按照電視開機(jī)的正常操作流程，再次按下遙控器的開機(jī)電源鍵或其他鍵，即可打開電視機(jī)，軟件流程如圖5(a)所示。關(guān)機(jī)時(shí)，當(dāng)電視機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，電流檢測電路檢測到待機(jī)狀態(tài)，將信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)接收到

23、此信號(hào)后被喚醒，進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)，延時(shí)設(shè)置的時(shí)間后，定時(shí)器中斷，進(jìn)而單片機(jī)輸出一個(gè)信號(hào)使繼電器釋放，電視機(jī)電源被切斷，軟件流程圖如圖所示。當(dāng)負(fù)載為其他電器時(shí)，開機(jī)時(shí)不再按遙控器，而是只需按下按鍵開關(guān)，即可開機(jī)，關(guān)機(jī)的流程和電視負(fù)載完全相同，由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別斷電，無需用戶操作。否否開始單片機(jī)低功耗等待紅外信號(hào)中斷喚醒是繼電器接通 紅外 信號(hào)開 機(jī)結(jié) 束是否開始單片機(jī)低功耗模式采樣待機(jī)波 形低電平 是中斷喚醒延時(shí)等待繼電器關(guān)斷結(jié)束 開機(jī)系統(tǒng)流程圖 關(guān)機(jī)系統(tǒng)流程圖圖9 工作流程圖    值得注意的是，電視機(jī)和紅外節(jié)能開關(guān)插座的遙控器實(shí)現(xiàn)了相互兼容，用戶可以用電視遙控器先將開關(guān)

24、插座打開，再用遙控器打開電視機(jī)。用戶在以后的使用中，如果沒有將電視機(jī)插頭從智能節(jié)能開關(guān)插座中拔出，沒有將智能節(jié)能開關(guān)插座從電源處拔出，就可自動(dòng)完成待機(jī)狀態(tài)的關(guān)斷，最大限度地節(jié)約電視機(jī)的待機(jī)能耗。2.3應(yīng)用電路該插座根據(jù)用戶的實(shí)際需求，在改裝普通插座時(shí)對(duì)應(yīng)于不同的接線方式，主要分為單路負(fù)載和主控型多路負(fù)載兩種。1單負(fù)載 如圖所示，此接法針對(duì)大功率負(fù)載獨(dú)立工作的應(yīng)用場合，如電視機(jī)（無天線電源為附屬設(shè)備）、空調(diào)等沒有附屬電器的負(fù)載，待機(jī)時(shí)僅需要切斷電視機(jī)自身電源即可。電路中直接將檢測電路和繼電器模塊串入電視的零線中，當(dāng)繼電器斷開時(shí)，僅切斷了電視的電源，對(duì)插座上的其他電器負(fù)載無影響。繼電器電路+ -檢

25、測電路+ -繼電開關(guān)常通常通常通常通常通常通常通電視零線火線地線 圖10 單負(fù)載接法2.主控型多路負(fù)載 如此接法專門針對(duì)主負(fù)載需要多個(gè)附屬設(shè)備配合工作的用電場合，如教室多媒體系統(tǒng)。由于系統(tǒng)使用時(shí)需要多個(gè)負(fù)載同時(shí)工作，所以開關(guān)電路在系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)需要同時(shí)切斷所有負(fù)載的電源，才能使系統(tǒng)的節(jié)電性能最大限度，但如果在每個(gè)負(fù)載上都串入控制電路，會(huì)提高插座的成本和工作能耗。解決方法是針對(duì)多負(fù)載協(xié)同工作的特性，只需在主負(fù)載零線上串入電流檢測電路檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，然后在主控和被控負(fù)載的共零線上串入繼電器開關(guān)電路，系統(tǒng)工作時(shí)根據(jù)主機(jī)的工作狀態(tài)，統(tǒng)一控制所有負(fù)載的電源，接線電路如圖所示。+ -檢測電路+ -

26、繼電開關(guān)零線地線火線受控受控受控受控受控電腦常通常通 圖11 電腦多媒體應(yīng)用接線法2.4應(yīng)用于數(shù)字化功率傳遞系統(tǒng)2.4.1數(shù)字化功率系統(tǒng)的組成：建立傳遞體系各部分的層次標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字化功率傳遞體系包括數(shù)字功率源,功率分配器（功率分配器分為多級(jí)）和數(shù)字負(fù)載。數(shù)字功率源：電功率能量來源，根據(jù)設(shè)計(jì)容量限定功率限額；數(shù)字管理部分對(duì)電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，實(shí)時(shí)計(jì)算使用功率及功率余量，提供顯示接口，并實(shí)施對(duì)下級(jí)功率分配器和負(fù)載的管理；表現(xiàn)形式為變壓器、發(fā)電機(jī)、蓄電池等。數(shù)字功率分配器：在數(shù)字功率傳遞網(wǎng)中為傳輸節(jié)點(diǎn)，一方面從數(shù)字功率源中獲得功率定額，另一方面處理數(shù)字負(fù)載的功率需求，其傳輸?shù)墓β释ǔＳ勺陨淼墓β誓芰?/p>

27、確定； 與目前的配電箱類似。數(shù)字負(fù)載：在負(fù)載上加裝數(shù)字功率管理功能，設(shè)定負(fù)載的功率容量需求，并根據(jù)負(fù)載的工作模式設(shè)定多種規(guī)格的功率需求；負(fù)載在工作前發(fā)送所需功率需求，只有獲得許可后才能工作；工作模式將發(fā)生明顯變化前發(fā)送自身的電壓電流值。數(shù)字負(fù)載與傳統(tǒng)負(fù)載的區(qū)別在于只有功率需求獲得許可下才能工作，其工作狀況是受控的。 2.4.2 數(shù)字化功率傳遞流程數(shù)字化負(fù)載分為數(shù)字單元和功率單元，功率單元受數(shù)字單元控制。當(dāng)負(fù)載上電時(shí)，首先是數(shù)字單元上電，數(shù)字單元上電啟動(dòng)后，向數(shù)字鏈路發(fā)送功率請(qǐng)求報(bào)文，報(bào)文中包含負(fù)載功率值。終端功率分配器接收功率請(qǐng)求后，進(jìn)行功率余額核算，并據(jù)需要向上級(jí)功率分配器發(fā)送申請(qǐng)。如在功率

28、允許范圍內(nèi)，則回復(fù)功率批準(zhǔn)報(bào)文，數(shù)字單元獲得此報(bào)文后，啟動(dòng)功率單元。數(shù)字化負(fù)載工作時(shí)，數(shù)字單元不斷獲得功率負(fù)載當(dāng)前功率值，并定時(shí)向終端功率分配器發(fā)送報(bào)文；如功率單元功率需求增大，則數(shù)字單元同樣需要發(fā)送申請(qǐng)。當(dāng)數(shù)字化負(fù)載終止工作時(shí)，數(shù)字單元發(fā)送功率值為零的報(bào)文。 2.4.3智能插座作用 智能插座作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入到供電電網(wǎng)中，由于其與所屬電器的緊密聯(lián)系以及不易受干擾，所以可利用其可控以及數(shù)字化通信的特性優(yōu)化上述的功率傳遞系統(tǒng)模型，具體為不對(duì)數(shù)字負(fù)載作任何改動(dòng)，直接利用插座對(duì)電器功率狀況檢測，同時(shí)一個(gè)插座可控制多個(gè)子屬電器，所以又起到了底層功率分配器的功能。節(jié)能插座就此實(shí)現(xiàn)了底層功率分配器的物理結(jié)構(gòu)

29、數(shù)字負(fù)載數(shù)字邏輯結(jié)構(gòu)。3理論計(jì)算和經(jīng)濟(jì)效能分析3.1 節(jié)電效能傳統(tǒng)的插座僅具有開關(guān)電源的功能，用戶不注意拔掉電源插頭的情況下。在一個(gè)小型家庭中，在待機(jī)狀態(tài)下各電器能耗如下： 表1 家電待機(jī)能耗電器關(guān)機(jī)功耗待機(jī)功耗電視3.1w8.07w空調(diào)3.4 w10w洗衣機(jī)4.4w5w微波爐0w2.78w油煙機(jī)2.2w6.6w電飯煲0w19.82w機(jī)頂盒6.6w6.8w熱水器2.5w3.5w飲水機(jī)0.65w0.7w臺(tái)式電腦3.5w3.7w筆記本電腦2.4w2.5w總功率71.26w總能耗/天0.6kwh總能耗/年220kwh 注： 單個(gè)電器一年待機(jī)耗電量：年耗電量=待機(jī)功耗×每日待機(jī)時(shí)間×

30、;365÷1000（每天按8小時(shí)計(jì)算） 家庭年待機(jī)耗電量：家庭年耗電量=電器1年耗電+電器2年耗電+電器n年耗電相比較之下節(jié)能插座的功耗<=0.3w，每年小于1.75kwh，如果每個(gè)家庭里有五個(gè)節(jié)能插座，總的功耗小于8.75kwh。所以使用節(jié)能插座后每個(gè)家庭每年的待機(jī)功耗節(jié)約量可達(dá)400kwh以上。而以我們南航校園為例，教室從每天早上6:00到晚上10:00，由于多媒體系統(tǒng)和擴(kuò)音系統(tǒng)與照明設(shè)備連為一體，供電系統(tǒng)無法識(shí)別教室處于自習(xí)狀態(tài)還是上課狀態(tài)，當(dāng)教室處于自習(xí)狀態(tài)時(shí)，多媒體系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，而擴(kuò)音系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。而將節(jié)能插座應(yīng)用于教學(xué)樓供電系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)在學(xué)校的教學(xué)樓等建筑內(nèi)

31、個(gè)供電房間具有很強(qiáng)同構(gòu)性的供電小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，可采用子節(jié)點(diǎn)量大而整體結(jié)構(gòu)簡單的功率傳輸分配網(wǎng)絡(luò)，采用集中控制，可有效減小教室內(nèi)電器的待機(jī)損耗，如檢測教室處于自習(xí)狀態(tài)而切斷多媒體系統(tǒng)和擴(kuò)音系統(tǒng)的待機(jī)損耗。多媒體系統(tǒng)和擴(kuò)音系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，每個(gè)教室的多媒體設(shè)備在待機(jī)狀態(tài)下平均耗電量如下表：表2 教室多媒體能耗 電器總計(jì)音響功放其他設(shè)備電腦待機(jī)功耗91.41w12.75w43.59w35.07w耗電量/天0.73kwh耗電量/年266.45kwh 注：一年待機(jī)耗電量=總待機(jī)功率*8小時(shí)*365天（每天按16小時(shí)計(jì)算）以每個(gè)學(xué)校150個(gè)教室估計(jì)，每年教室多媒體設(shè)備的待機(jī)能耗為80070kwh，電能浪費(fèi)十分巨

32、大。而使用節(jié)能插座后，每個(gè)教室僅需一個(gè)節(jié)能插座，每個(gè)插座的年耗電量僅有2kwh，150個(gè)教室的耗電總量為300kwh左右。由此很容易計(jì)算出使用節(jié)能插座后，此規(guī)模學(xué)校每年可節(jié)電近80000kwh，規(guī)模效應(yīng)下的節(jié)電效果可見一斑。3.2節(jié)能插座成本及經(jīng)濟(jì)效益分析根據(jù)上面分析，家庭學(xué)校在節(jié)約用電中還有很大提升空間，引進(jìn)智能插座勢在必行，不過從經(jīng)濟(jì)效益上來說，市面上的普通插座只要20元左右就可以買到，智能插座因?yàn)橐肓撕芏嚯娐纺K，成本肯定高于普通插座。下表為智能插座與普通插座相比增加的成本（以批發(fā)價(jià)格計(jì)算）：表3 智能插座增加成本器件單片機(jī)acs72繼電器lm311lm324雜項(xiàng)器件pcb板數(shù)目/個(gè)1

33、11111價(jià)格/元1.510.50.20.121總計(jì)/元6.3 (元)從成本來說加入智能插座的成本僅比普通插座高出6.3元左右，實(shí)際生產(chǎn)中還會(huì)進(jìn)一步降低。增加的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于插座節(jié)電所帶來的經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)然更重要的是其節(jié)能所帶來的環(huán)境效益和社會(huì)效益。 另外，本設(shè)計(jì)所提供多種接法滿足了不同負(fù)載的需求，而市場上的節(jié)能插座僅能控制單負(fù)載的電源，節(jié)電效果有時(shí)因此不受重視，本文中給出的主控型多負(fù)載接法適用于工廠，學(xué)校，辦公場所等用電比較集中的場合，規(guī)模效應(yīng)下的節(jié)電效果得到顯著提升，有利于節(jié)能插座的推廣使用。3.3對(duì)電力系統(tǒng)的優(yōu)化 多路節(jié)能插座通過數(shù)字通信實(shí)現(xiàn)功率傳遞的協(xié)調(diào)，可減少家庭電網(wǎng)功率輸出的波動(dòng)，電網(wǎng)

34、的穩(wěn)定運(yùn)行可減少輸電損耗。而小區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率分配協(xié)調(diào)，使得其對(duì)外電網(wǎng)的功率輸入更加穩(wěn)定可靠，從而促進(jìn)外電網(wǎng)功率的穩(wěn)定輸入，這不僅減少了整個(gè)電力系統(tǒng)輸電損耗，對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有更加重要的作用，子網(wǎng)功率輸入優(yōu)化配置可減小電網(wǎng)功率輸出壓力，從而提高其負(fù)載承受能力，有助于減少電力系統(tǒng)故障，并提高其承受自然災(zāi)害的能力，像08年雨雪冰凍災(zāi)害所造成的大規(guī)模停電以及美國紐約的城市電力系統(tǒng)癱瘓之類的事故可減少。所以其間接的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值更大。借助智能節(jié)能插座可在對(duì)原有電器結(jié)構(gòu)做任何改動(dòng)情況下使其聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)信息共享，改善用電環(huán)境，進(jìn)而改變?nèi)祟惿睢?duì)于供電部門而言，數(shù)字化功率傳遞體系將提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可觀測性

35、；對(duì)于用戶而言，該體系促進(jìn)了電器智能化，可實(shí)現(xiàn)電器網(wǎng)絡(luò)化，優(yōu)化了電器性能；。數(shù)字化功率傳遞體系除促進(jìn)電力產(chǎn)業(yè)升級(jí)外，還將帶動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)，對(duì)于未來構(gòu)建節(jié)能社會(huì)具有深遠(yuǎn)意義。4創(chuàng)新點(diǎn)1. 主要在于對(duì)電器工作狀態(tài)的檢測識(shí)別，經(jīng)過綜合考量我們決定從電流的角度檢測電路，根據(jù)電流的大小判斷電路處于過載和待機(jī)狀態(tài)。目前市場上的節(jié)能插座都是采用電流互感器檢測電流，檢測電路與市電線路為原邊和副邊的關(guān)系，并沒有實(shí)現(xiàn)有效的隔離，這種設(shè)計(jì)的缺陷在于當(dāng)互感器工作出現(xiàn)故障時(shí)，由于副邊為弱點(diǎn)電路，無法承受原邊的強(qiáng)電電流，電路可能會(huì)燒毀引發(fā)安全事故。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)即是針對(duì)上述安全隱患，采用霍爾傳感器a

36、cs712，給出另一種隔離型的檢測電路，既滿足對(duì)電器工作和待機(jī)電流的檢測，又實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電電路與插座控制電路的隔離，從而改善其使用安全性能。2. 紅外遙控實(shí)現(xiàn)了人工開關(guān)電源的方便操作，關(guān)鍵技術(shù)為單片機(jī)的紅外遙控通信采用了與電視遙控通信相同的通信協(xié)議，這樣僅用電視遙控器就能同時(shí)控制插座電路開關(guān)和電視開關(guān)。這樣設(shè)計(jì)用戶雖然在開機(jī)時(shí)需要按兩次遙控器電源開關(guān)，但同時(shí)省去了操作電視機(jī)體開關(guān)的麻煩，所以用戶可以坐在沙發(fā)上就能打開電視，這樣其實(shí)是減輕了用戶的操作復(fù)雜度。外線使開關(guān)插座開啟或關(guān)閉，延時(shí)一定時(shí)間后自動(dòng)斷開電源。功能的實(shí)現(xiàn)利用與電視機(jī)等電器的，外遙控器兼容的特性，不需額外的硬件即能與電器協(xié)調(diào)。3. 當(dāng)負(fù)

37、載為除電視、空調(diào)等之外的沒有配套遙控器的電器時(shí)，繼電器無法依賴紅外信號(hào)吸合，所以為了提高系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，增設(shè)了一個(gè)按鍵開通電路。當(dāng)用戶需要打開此類負(fù)載時(shí)，需要按下插座上的按鍵開關(guān)，而不再需要遙控器的紅外信號(hào)按鍵電路向單片機(jī)反饋一個(gè)開機(jī)信號(hào)，單片機(jī)接收到開機(jī)請(qǐng)求時(shí)向繼電器發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)，此信號(hào)如上所述，將使繼電器吸合，負(fù)載主回路接通。從操作角度來看，此按鍵取代電器機(jī)身上的電源開關(guān)的功能（即保證電器機(jī)身上的開關(guān)常開后不需再對(duì)其進(jìn)行任何操作），開機(jī)時(shí)首先按下按鍵，即接通電源。4. 不同的接法滿足不同負(fù)載的需求，市場上的節(jié)能插座僅能控制單負(fù)載的電源，節(jié)電效果有時(shí)因此不受重視，本文中給出的主控型多負(fù)

38、載接法適用于工廠，學(xué)校，辦公場所等用電比較集中的場合，規(guī)模效應(yīng)下的節(jié)電效果得到顯著提升，有利于節(jié)能插座的推廣使用。5推廣應(yīng)用1. 基本應(yīng)用：該節(jié)能插座可用直接于替換數(shù)字化電器的電源插座，可有效減少其99%以上的待機(jī)功耗。2. 擴(kuò)展應(yīng)用1：在家庭供電網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)插座組網(wǎng)，可借助數(shù)字化通信實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的功率協(xié)調(diào)，并實(shí)現(xiàn)在一個(gè)插座上控制家庭內(nèi)所有電器的開關(guān)。需要在插座的基礎(chǔ)上建立數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，由于規(guī)模小可不改變現(xiàn)有輸電線結(jié)構(gòu)，另外設(shè)計(jì)數(shù)字通信線路或采用無線通信。需增加額外成本。3. 擴(kuò)展應(yīng)用2：針對(duì)在學(xué)校的教學(xué)樓等建筑內(nèi)個(gè)供電房間具有很強(qiáng)同構(gòu)性的供電小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，可采用子節(jié)點(diǎn)量大而整體結(jié)構(gòu)簡單的功率傳輸分配網(wǎng)絡(luò)，采用集中控制，可有效減小教室內(nèi)電器的待機(jī)損耗，如檢