霍爾檢測(cè)型智能節(jié)能插座設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、智能節(jié)能插座設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(jiǎn)介這是一款通過(guò)紅外遙控和待機(jī)自動(dòng)斷電相結(jié)合的方式來(lái)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(xiàn)使開(kāi)關(guān)插座開(kāi)啟或關(guān)閉，延時(shí)一定時(shí)間后自動(dòng)斷開(kāi)電源。與市場(chǎng)上的節(jié)能插座以電流互感器構(gòu)成檢測(cè)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(guò)該模塊能夠靈敏地檢測(cè)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)控制繼電器的開(kāi)關(guān)以接

2、通或斷開(kāi)電源，無(wú)需用戶(hù)將電器插頭拔下即達(dá)到節(jié)電目標(biāo)。插座的開(kāi)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(hù)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(cè) 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(huà)mail：pandat81 研制背景及意義傳統(tǒng)的插座僅具有開(kāi)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(hù)只能通過(guò)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(hù)沒(méi)有切斷電源的習(xí)慣，待機(jī)能耗已經(jīng)造成了大量能源浪費(fèi)，根

3、據(jù)中國(guó)節(jié)能認(rèn)證中心對(duì)家庭待機(jī)能耗做過(guò)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(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，為此國(guó)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(guó)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(guó)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(shū)，2006年美國(guó)實(shí)施了“白標(biāo)機(jī)制”等)。智能開(kāi)關(guān)插座因其方便節(jié)能，受到了國(guó)外消費(fèi)者的廣泛歡迎，目前智能開(kāi)關(guān)插座正

4、在成為新節(jié)能產(chǎn)品的研究熱點(diǎn)。 智能節(jié)能開(kāi)關(guān)插座是針對(duì)電視機(jī)的一款智能開(kāi)關(guān)插座，本文闡述了紅外節(jié)能開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)高會(huì)使功率源過(guò)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

5、大的電能損耗。所以功率系統(tǒng)的信息化是未來(lái)電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。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(guò)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(guò)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)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

6、任一節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的電源開(kāi)關(guān)控制。2 設(shè)計(jì)方案2.1 智能節(jié)能開(kāi)關(guān)插座的硬件設(shè)計(jì)2.1.1 智能節(jié)能開(kāi)關(guān)插座的工作原理 智能節(jié)能開(kāi)關(guān)插座工作時(shí)，可通過(guò)檢測(cè)電視負(fù)載的電流來(lái)判斷電視處于工作狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)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(hù)無(wú)需拔下電視插頭即能避免待機(jī)功耗。當(dāng)電視需要開(kāi)機(jī)時(shí)，首先按下遙控器開(kāi)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(kāi)機(jī)信號(hào)，單片機(jī)喚醒后向開(kāi)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(hù)只需再按一次遙控器上的電源鍵即可實(shí)現(xiàn)電視開(kāi)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(wú)需用戶(hù)的任何操作

7、，而電視開(kāi)機(jī)時(shí)用戶(hù)需要按兩次遙控器電源鍵才能開(kāi)機(jī)，但是用戶(hù)再無(wú)需按電視機(jī)身上的電源開(kāi)關(guān)，所以并沒(méi)有增加用戶(hù)的操作負(fù)擔(dān)。 智能節(jié)能開(kāi)關(guān)插座的原理圖如圖1所示，它是由mcu控制電路、檢測(cè)電路、比較電路、關(guān)斷電路、紅外接收電路、開(kāi)關(guān)插頭電路和電源電路等部分構(gòu)成的智能開(kāi)關(guān)插座。 紅外遙控接收器mcu控制電路指示燈比較器檢測(cè)電路開(kāi)關(guān)電路開(kāi)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(cè)電路的設(shè)計(jì) 在智能節(jié)能開(kāi)關(guān)插座的硬件電路設(shè)計(jì)中，檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)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(guò)內(nèi)部信號(hào)的處理向外

8、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(guò)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(cè)電路的系統(tǒng)框圖圖：輸出高低電平傳感器檢測(cè)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(cè)電路框圖1.電流采樣電路對(duì)于電視工作狀態(tài)的檢測(cè)，有功率檢測(cè)，電流檢測(cè)，電壓檢測(cè)等，在此我們選擇電流信號(hào)作為采樣信號(hào)，電視機(jī)開(kāi)機(jī)工作時(shí)主回路的工作電流為0.1a左右，而待機(jī)狀態(tài)則約等于0a，由此可通過(guò)檢測(cè)電流信號(hào)來(lái)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

9、低偏移線(xiàn)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(guò)銅箔時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng),霍爾元件根據(jù)磁場(chǎng)感應(yīng)出一個(gè)線(xiàn)性的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)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，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

10、 = 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(wú)效信號(hào)，另外一部分即為檢測(cè)信號(hào)，由于檢測(cè)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(guò)一個(gè)反相比例運(yùn)

11、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(wú)法作為單片機(jī)高

12、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(cè)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(guò)對(duì)前面幾級(jí)的實(shí)際電路檢測(cè)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(cè)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(kāi)關(guān)插頭電路開(kāi)關(guān)電路主要有繼電器

13、組成，電磁式繼電器一般由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓線(xiàn)圈中就會(huì)流過(guò)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(kāi)觸點(diǎn)吸合。當(dāng)線(xiàn)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(lái)的位置使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)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(kāi)、常閉”觸點(diǎn)可以這樣來(lái)區(qū)分繼電器線(xiàn)圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)為“常開(kāi)觸點(diǎn)”處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)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

14、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(xiàn)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，從而切斷了電視機(jī)電源；用戶(hù)需要開(kāi)機(jī)時(shí)，首先遙控器給紅外接收電路發(fā)送一個(gè)開(kāi)機(jī)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(kāi)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(kāi)通電路，

15、當(dāng)負(fù)載為除電視、空調(diào)等之外的沒(méi)有配套遙控器的電器時(shí)，繼電器無(wú)法依賴(lài)紅外信號(hào)吸合，所以增設(shè)了一個(gè)按鍵電路以滿(mǎn)足此類(lèi)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(kāi)關(guān)的功能（即保證電器機(jī)身上的開(kāi)關(guān)常開(kāi)后不需再對(duì)其進(jìn)行任何操作），開(kāi)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(kāi)機(jī)信號(hào)，單片機(jī)接收到開(kāi)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(kāi)始工作。按鍵電路如下圖所示：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(cè)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(cè)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

16、，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-acs71212p1c11ufc20.1ufd1r11kvccc14.7ufr1100kr35krf510kr210kr110kc20.1ufc30.1ufc14.7uf23647185lm32423647185lm31110k5.7kr11kvccvccvin132j2q1r22kr1100kr44.7kr34.7kctrlpowerdiin4007vcc231srd-05wdc-sl-ck1p101p112p123p134p145p156p1

17、67p178rest9p3010p3111p3212p3313p3414p3515p3616p3717x218x119gnd20vcc40p0039p0138p0237p0336p0435p0534p0633p0732ea31ale30psen29p2728p2627p2526p2425p2324p2223p2122p2021u2stc89c52p10p11p13p14p15p16p17p30p31p32p33p33p34p35p36p00p01p02p03p04p05p06p07p27p26p25p24p23p22p21p20p12vccx2x1resetvccvccgndoutu1hs00

18、38br1100r2100k4.7up3.3123p?header 3c122pfc222pfc3103c410ufvccp1.2p1.1s1圖 8 單片機(jī)控制電路2.2 智能節(jié)能開(kāi)關(guān)插座的軟件設(shè)計(jì) 智能節(jié)能開(kāi)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(cè)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(cè)過(guò)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(kāi)機(jī)上電自檢測(cè)。插座電源接通后，首先應(yīng)把電視機(jī)電源插頭插到開(kāi)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(kāi)機(jī)信號(hào)后，將其反

19、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(tīng)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(kāi)機(jī)的正常操作流程，再次按下遙控器的開(kāi)機(jī)電源鍵或其他鍵，即可打開(kāi)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(cè)電路檢測(cè)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(kāi)機(jī)時(shí)不再按遙控器，而是只需按下按鍵開(kāi)關(guān)，即可開(kāi)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(wú)需用戶(hù)

20、操作。否否開(kāi)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(kāi) 機(jī)結(jié) 束是否開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)插座的遙控器實(shí)現(xiàn)了相互兼容，用戶(hù)可以用電視遙控器先將開(kāi)關(guān)插座打開(kāi)，再用遙控器打開(kāi)電視機(jī)。用戶(hù)在以后的使用中，如果沒(méi)有將電視機(jī)插頭從智能節(jié)能開(kāi)關(guān)插座中拔出，沒(méi)有將智能節(jié)能開(kāi)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(hù)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(xiàn)方式，主要分為單路負(fù)載和主控型多路

21、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(chǎng)合，如電視機(jī)（無(wú)天線(xiàn)電源為附屬設(shè)備）、空調(diào)等沒(méi)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(cè)電路和繼電器模塊串入電視的零線(xiàn)中，當(dāng)繼電器斷開(kāi)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(wú)影響。繼電器電路+ -檢測(cè)電路+ -繼電開(kāi)關(guān)常通常通常通常通常通常通常通電視零線(xiàn)火線(xiàn)地線(xiàn) 圖10 單負(fù)載接法2.主控型多路負(fù)載 如此接法專(zhuān)門(mén)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(chǎng)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(kāi)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

22、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(xiàn)上串入電流檢測(cè)電路檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，然后在主控和被控負(fù)載的共零線(xiàn)上串入繼電器開(kāi)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(xiàn)電路如圖所示。+ -檢測(cè)電路+ -繼電開(kāi)關(guān)零線(xiàn)地線(xiàn)火線(xiàn)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(xiàn)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(lái)源，根據(jù)設(shè)計(jì)容量限定功率

23、限額；數(shù)字管理部分對(duì)電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，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Υ_定； 與目前的配電箱類(lèi)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

24、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

25、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?xún)?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(cè)，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)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(kāi)關(guān)電源的功能，用戶(hù)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

26、.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3651000（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

27、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(wú)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)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(jiǎn)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(cè)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.

28、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?jī)H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(jiàn)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(shì)在必行，不過(guò)從經(jīng)濟(jì)效益

29、上來(lái)說(shuō)，市面上的普通插座只要20元左右就可以買(mǎi)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)111111價(jià)格/元1.510.50.20.121總計(jì)/元6.3 (元)從成本來(lái)說(shuō)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(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)然更重要的是其節(jié)能所帶來(lái)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(mǎn)足了不同負(fù)載的需求，而市場(chǎng)上的節(jié)能插座僅能控制單負(fù)載的電源，節(jié)電效果

30、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(chǎng)，學(xué)校，辦公場(chǎng)所等用電比較集中的場(chǎng)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(guò)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)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)

31、模停電以及美國(guó)紐約的城市電力系統(tǒng)癱瘓之類(lèi)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?lèi)生活。對(duì)于供電部門(mén)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(cè)性；對(duì)于用戶(hù)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(lái)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(cè)識(shí)別，經(jīng)過(guò)綜合考量我們決定從電流的角度檢測(cè)電路，根據(jù)電流的大小判斷電路處于過(guò)載和待機(jī)狀態(tài)。目前市場(chǎng)上的節(jié)能插

32、座都是采用電流互感器檢測(cè)電流，檢測(cè)電路與市電線(xiàn)路為原邊和副邊的關(guān)系，并沒(méi)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(wú)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acs712，給出另一種隔離型的檢測(cè)電路，既滿(mǎn)足對(duì)電器工作和待機(jī)電流的檢測(cè)，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(kāi)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(kāi)關(guān)和電視開(kāi)關(guān)。這樣設(shè)計(jì)用戶(hù)雖然在開(kāi)機(jī)時(shí)需要按兩次遙控器電源開(kāi)關(guān)，但同時(shí)省去了操作電視機(jī)體開(kāi)關(guān)的麻煩，所以用戶(hù)可以坐在沙發(fā)上就能打開(kāi)電視，這樣其實(shí)是減輕了用戶(hù)的操