1、1智能节能插座设计说明书设计者：武恩泽 关佳兴 刘德峰 孙宇 胡劲舸 沈杰 赵茜指导教师：王晶（南京航空航天大学自动化学院，南京 ，025）作品内容简介这是一款通过红外遥控和待机自动断电相结合的方式来达到节能省电效果的插座。所谓红外遥控是指采用在规定空间距离范围内，发出红外线使开关插座开启或关闭，延时一定时间后自动断开电源。与市场上的节能插座以电流互感器构成检测电路不同，本设计的自动断电是基于霍尔传感器 ACS712 芯片构成的计量模块，该模块实现了市电强电回路与弱电电路的隔离，从而极大增强了其使用的安全性。通过该模块能够灵敏地检测到负载待机的状态，进而将信号反馈给单片机，单片机控制继电器的开
2、关以接通或断开电源，无需用户将电器插头拔下即达到节电目标。插座的开关的接通根据负载特性有红外遥控和按键两种方法，保证用户的使用方便。该节能插座可组网应用于小型供电网络（如家庭和学校） ，也可应用于数字功率传递系统以及微电网的 multi-agent 分布协调系统中。关键词：电流检测 功率分配 数字化 电力系统 红外遥控 联系人：刘德峰联系电话：15605175699EMAIL：1 研制背景及意义传统的插座仅具有开关电源的作用，而现在大量电器都有了待机功能，用户只能通过从插座上拔出插头，才能实现电器的彻底断电，由于手工操作的不便利和大量用户没有切断电源的习惯，待机能耗已经造成了大量能源浪费，根据
3、中国节能认证中心对家庭待机能耗做过的调查显示，待机能耗占到家庭电力消耗的 10左右，仅以电视机为例，平均每台电视机的待机能耗是 807W ，按每天待机 16 小时大约耗电 0128 度。待机能耗引起的资源和环境问题越来越受到社会的广泛关注，为此国际能源署提出了“1 瓦计划” ，到 2010 年实施 1 瓦的待机能耗行动。该计划得到欧盟和美国的积极响应，并签署协议承诺逐年降低待机能耗，各国相继推行了强制性法规(例如 2003 年欧盟委员会正式启动了“欧洲理智能源计划” ，2005年 6 月欧盟发表了关于能源效率的绿皮书，2006 年美国实施了“白标机制” 等)。智能开关插座因其方便节能，受到了国
4、外消费者的广泛欢迎，目前智能开关插座正在成为新节能产品的研究热点。智能节能开关插座是针对电视机的一款智能开关插座，本文阐述了红外节能开关插座的硬件电路设计、软件算法设计，给出了自动开关插座的设计和定型方案，消费者利用它可以对家中一些需要不断开关的电器进行自动断电控制，而不需要拔掉插头。该插座除了具有自动断电功能外，由于具有了 MCU 控制电路，因此对于电力系统数字化改造具有重要意义。传统的电力系统是一个功率不可控的系统，系统的稳定运行受负载功2率不波动的不利影响，功率输出波动会增加输电能耗，而接入的负载过高会使功率源过载，并降低供电电压，从而影响负载工作，也有可能导致跳闸断电，使大量负载停止工
5、作，同时造成电网负载输出的更大波动，造成更大的电能损耗。所以功率系统的信息化是未来电力系统的发展趋势。改造后的电力系统将采用负载的准入制，使负载分配合理且能防止电力系统过载，而此智能节能插座即作为新型电力系统的底层功率非配器，并不需要电器做任何改变即能完成新型功率负载电气安装。该插座的主要作用为电网实现功率传递控制系统提供了数字功率负载的控制节点， 。针对传统电力系统由于功率不可靠而导致的运行不稳定，可采用一种采用余额制新型微型功率系统模型，由多级功率分配器和数字功率负载组成。智能插座可通过 MCU 审批子属电器的功率请求，并实时与上级功率分配器交互，以实现功率的合理分配和电力系统输出的稳定运
6、行。同时同一子网中各节能插座之间借助数字通信可在任一节点实现全网的电源开关控制。2 设计方案2.1 智能节能开关插座的硬件设计2.1.1 智能节能开关插座的工作原理智能节能开关插座工作时，可通过检测电视负载的电流来判断电视处于工作状态还是待机状态，当检测到电视待机时，单片机被唤醒，延时一定时间后，向外输出一个电平信号使继电器关断，即切断了电视的电源，用户无需拔下电视插头即能避免待机功耗。当电视需要开机时，首先按下遥控器开机键，红外接收电路接收到该信号后向单片机发送一个开机信号，单片机唤醒后向开关电路发送一个电平信号使继电器接通，这时用户只需再按一次遥控器上的电源键即可实现电视开机。智能插座在关
7、机时切断电源的功能自动实现，无需用户的任何操作，而电视开机时用户需要按两次遥控器电源键才能开机，但是用户再无需按电视机身上的电源开关，所以并没有增加用户的操作负担。智能节能开关插座的原理图如图1所示，它是由 MCU 控制电路、检测电路、比较电路、关断电路、红外接收电路、开关插头电路和电源电路等部分构成的智能开关插座。 红外遥控接收器MCU 控制电路指示灯比较器检测电路 开关电路开关插头电路 电视负载市电按键电路图 1 系统总框图2.1.2 检测电路的设计在智能节能开关插座的硬件电路设计中，检测电路负责检测负载电视机输入端处于不同状态下的电流信号。该部分设计中，负载电流首先流入霍尔传感器 ACS
8、712 为核心的电流采3样电路，传感器经过内部信号的处理向外输出一个与输入电路成比例的弱电交流电压，电压信号经过后级电路的放大，整流，得到一个稳定的直流电压,电压输入到比较器，进而输出一个高低电平，分别对应电视待机和工作的两种状态。检测电路的系统框图图：输出高低电平传感器检测电路电压放大电路整流滤波比较器市电电流采样电视负载图 2 检测电路框图1.电流采样电路对于电视工作状态的检测，有功率检测，电流检测，电压检测等，在此我们选择电流信号作为采样信号，电视机开机工作时主回路的工作电流为 0.1A 左右，而待机状态则约等于0A，由此可通过检测电流信号来判断电视机的工作状态。此模块电路以霍尔型电流传
9、感器ACS712 为核心，该芯完全基于霍尔感应的原理设计，由一个精确的低偏移线性霍尔传感器电路与位于接近 IC 表面的铜箔组成，电视负载电流直接输入到芯片的采样输入端（IP+），并从负输入端（IP-）流出，电流流过铜箔时，产生一个磁场 ,霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波、斩波与修正电路，输出一个电压信号，该信号从芯片的第七脚输出，直接反应出流经铜箔电流的大小。输入电流与输出电压成正比，因为斩波电路的原因，其输出将加载于 0.5*Vcc 上，所以输出电压除了采样电流转换得到的交流电压信号外，还有 2.5V电流采样公式：Vout = 2.5 + 0.185 * Ipa
10、）Ip = 0A 时， Vout = 2.5V;a）Ip = 5A 时， Vout = 3.425V;a）Ip = -5A 时， Vout = 1.575V;电视正常工作时，Ip=0.6A 左右，Vout=2.5V （dc）+0.11V（ac）；电路如图所示：4VCOUTFILERGNDP+-AS7123uf0.K图 3 电流采样电路2.电压放大电路电流采样电路得到的电压包含两部分，一部分为直流无效信号，另外一部分即为检测信号，由于检测信号只有 0.11v，远小于直流干扰信号，所以首先应将直流信号滤除，由于单片机只能识别 3v 以上的直流电压为高电平，所以滤除直流后的交流小信号首先需经放大电路
11、进行放大，才能进一步处理。滤直流利用电容通交流隔直流的特性，使用电容时将其串入放大电路的输入端；放大电路以运算放大器 LM324 为核心，通过一个反相比例运算电路实现，由于输入为交流信号，为保证运放工作在放大区，应在同相输入端加一定的正向直流电压如图，同时此正向偏置电压会输出到运放的输出端造成干扰，所以运放输出端应串联一个滤波电容。电路如图所示： 685M图 4 电压放大电路3.整流滤波电路电压放大电路输出的交流电压还需整流、滤波才能变成直流电压。此模块由整流电路和滤波电路组成，整流电路采用全桥整流的方式由四个二极管组成，将交流电压变换为单向脉动电压，滤波电路采用 RC 低通滤波器，充电时间常
12、数=RC，滤波后电路输出一个不稳定的直流电压。电路如图所示5C14.7ufR0kVINOUT图 5 整流滤波电路4.比较器整流滤波后的输出电压虽然是直流信号，但输出不稳定，幅值较小（2V 左右），无法作为单片机高电平输入信号，所以需经此比较器处理，将其转换为 5V 标准高电平信号。比较器以高性能比较器芯片 LM311 为核心，参考电压输入到比较器的反向输入端，检测电压信号输入到同相输入端，当信号电压高于参考电压时，比较器输出 5V 高电平，反之则输出低电平。通过对前面几级的实际电路检测得知，当电视负载处于大功率工作状态时，滤波电路输出的电压为 2V 左右，而电视负载处于待机状态时，同一点电压为
13、 1V，由此设置参考电压为 1.8V。当电视负载工作时，比较器向单片机输送一个高电平信号，而待机状态时向单片机发送一个低电平信号，由此得到检测电流的数字信号。该模块电路如图。 3KF268LM图 6 比较器电路2.1.3 开关插头电路开关电路主要有继电器组成，电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压线圈中就会流过一定的电流从而产生电磁效应 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯从而带动衔铁的动触点与静触点常开触点吸合。当线圈断电后电磁的吸力也随之消失衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置使动触点与原来的静触点常闭触点吸合。这样吸合、释放
14、，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“ 常开、常闭 ”触点 可以这样来区分继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点称为“ 常开触点”处于接通状态的静触点称为 “常闭触点”。该模块电路如下图所示，电源接通后，电源指示灯点亮，单片机的电平信号从 J1 输入，电视负载正常工作时，单片机不发出置低的信号，为 J1 口输入为高电平，三极管导通，集6电极电平被拉低，控制指示灯亮，同时继电器内部电感线圈导通，继电器吸合状态；当电视负载进入待机状态后，单片机延时一定时间后发出一个低电平信号，该信号将三极管的基极电平拉低，三极管截止，集电极电平拉高，控制指示灯熄灭，同时电感断电，继电器释放动触点，
15、开关断开，从而切断了电视机电源；用户需要开机时，首先遥控器给红外接收电路发送一个开机信号，红外接收器进而将此信号反馈给单片机，单片机向外输出一个置高电平给继电器，继电器吸合，电视机供电回路接通。 132JQRK04.7CTLPOWEDINVS-5图 7 开关电路另外，为增强此插座的应用范围，电路中还特地增设了一个按键开通电路，当负载为除电视、空调等之外的没有配套遥控器的电器时，继电器无法依赖红外信号吸合，所以增设了一个按键电路以满足此类负载的需求。插座工作时，此按键取代电器机身上的电源开关的功能（即保证电器机身上的开关常开后不需再对其进行任何操作），开机时首先按下按键，按键电路向单片机反馈一个
16、开机信号，单片机接收到开机请求时向继电器发送一个高电平信号，此信号如上所述，将使继电器吸合，负载主回路接通，即开始工作。按键电路如下图所示：2.1.4 单片机控制电路系统完整总电路图如下图所示，红外检测电路和按键电路其功能与单片机联系密切，故只在此处统一给出，电流检测电路将电视负载的电流信号转换成电压信号后，送入单片机的P1.1，红外接收电路将信号处理后送入 P3.3，按键信号送入 P3.0，单片机的控制信号从 P1.2输出。7VCCVOUTFILTERGNDIP+IP+IP-IP-ACS71212P1C11ufC20.1ufD1R11KVCCC14.7ufR1100kR35KRF510KR2
17、 10KR110KC20.1ufC30.1ufC14.7uf23647185LM32423647185LM31110K 5.7KR11KVCCVCCVIN132J2Q1R22KR1100KR44.7KR34.7KCTRLPOWERDIIN4007VCC231SRD-05WDC-SL-CK1P101P112P123P134P145P156P167P178REST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717X218X119GND20VCC 40P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32EA 31ALE 30
18、PSEN 29P27 28P26 27P25 26P24 25P23 24P22 23P21 22P20 21U2STC89C52P10P11P13P14P15P16P17P30P31P32P33P33P34P35P36P00P01P02P03P04P05P06P07P27P26P25P24P23P22P21P20P12VCCX2X1RESETVCCVCCGNDOUTU1HS0038bR1100 R2100K4.7uP3.3123P?Header 3C122pfC222pfC3103C410ufVCCP1.2P1.1S1图 8 单片机控制电路2.2 智能节能开关插座的软件设计智能节能开关插座控
19、制软件的设计既充分考虑了软件的实用性，又兼顾了代码的可靠性，进行了系统的三方测试。软件设计整体上可分为系统管理主程序、系统调用子程序、上电自检子程序、检测过程子程序、自动断电子程序、延时子程序等。以电视负载为例，智能节能插座在第一次使用时，需要进行开机上电自检测。插座电源接通后，首先应把电视机电源插头插到开关插座上，然后按下遥控器上的电源键，红外接收电路接收到开机信号后，将其反馈给单片机，单片机被唤醒，并输出一个信号使继电器吸合，此时会听到继电器吸合的声音，此时电视机上的指示灯亮，表示电视已置于待机状态下，此时若按照电视开机的正常操作流程，再次按下遥控器的开机电源键或其他键，即可打开电视机，软
20、件流程如图 5(a)所示。关机时，当电视机进入待机状态后，电流检测电路检测到待机状态，将信号反馈给单片机，单片机接收到此信号后被唤醒，进入延时状态，延时设置的时间后，定时器中断，进而单片机输出一个信号使继电器释放，电视机电源被切断，软件流程8图如图所示。当负载为其他电器时，开机时不再按遥控器，而是只需按下按键开关，即可开机，关机的流程和电视负载完全相同，由系统自动识别断电，无需用户操作。否否开始单片机低功耗等待红外信号中断唤醒是继电器接通红外信号开 机结 束是否开始单片机低功耗模式采样待机波 形低电平 是中断唤醒延时等待继电器关断结束开机系统流程图 关机系统流程图图 9 工作流程图9值得注意的
21、是，电视机和红外节能开关插座的遥控器实现了相互兼容，用户可以用电视遥控器先将开关插座打开，再用遥控器打开电视机。用户在以后的使用中，如果没有将电视机插头从智能节能开关插座中拔出，没有将智能节能开关插座从电源处拔出，就可自动完成待机状态的关断，最大限度地节约电视机的待机能耗。2.3 应用电路该插座根据用户的实际需求，在改装普通插座时对应于不同的接线方式，主要分为单路负载和主控型多路负载两种。1 单负载如图所示，此接法针对大功率负载独立工作的应用场合，如电视机（无天线电源为附属设备）、空调等没有附属电器的负载，待机时仅需要切断电视机自身电源即可。电路中直接将检测电路和继电器模块串入电视的零线中，当
22、继电器断开时，仅切断了电视的电源，对插座上的其他电器负载无影响。继电器电路+ -检测电路+ -继电开关常通 常通 常通 常通常通 常通 常通电视零线火线地线图 10 单负载接法2.主控型多路负载如此接法专门针对主负载需要多个附属设备配合工作的用电场合，如教室多媒体系统。由于系统使用时需要多个负载同时工作，所以开关电路在系统处于待机状态时需要同时切断所有负载的电源，才能使系统的节电性能最大限度，但如果在每个负载上都串入控制电路，会提高插座的成本和工作能耗。解决方法是针对多负载协同工作的特性，只需在主负载零线10上串入电流检测电路检测系统的工作状态，然后在主控和被控负载的共零线上串入继电器开关电路，系统工作时根据主机的工作状态，统一控制所有负载的电源，接线电路如图所示。+ -检测电路+ -继电开关零线地线火线受控 受控 受控受控 受控电脑常通常通图 11 电脑多媒体应用接线法2.4 应用于数字化功率传递系统2.4.1 数字化功率系统的组成：建立传递体系各部分的层次标准，数字化功率传递体系包括数字功率源,功率分配器（功率分配器分为多级）和数字负载。数字功率源：电功率能量来源，根据设计容量限定功率限额；数字管理部分对电压电流进行实时检测，实时计算使用功率及功率余量，提供显示接口，并实施对下级功率分配器和负载的管理；表现形式为变压器、发电机、蓄电池等。
