红外遥控家用电器智能节电器的设计.docx

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红外遥控家用电器智能节电器的设计

红外遥控家用电器智能节电器的设计

诸葛奕敏

（自动化与电气工程学院指导教师：

项新建）

摘要：

随着具有待机功能的家用电器的普及，其产生的功耗也成为家庭用电中的一大浪费。

待机能耗是指机器在不使用的情况下，插头还接在插座上有电流通过产生的功耗。

电视机，空调，饮水机，微波炉等家用电器都会产生待机能耗。

因为家电的工作电流和待机电流相差很大，所以可以通过测量流过家用电器的电流判断电器的工作或待机状态。

本课题利用STC单片机来判断并控制家用电器的工作或待机模式。

在检测到待机信号时，单片机控制继电器开关，将电流切断，家电完全断电，消除了待机功耗，达到节能的目的。

同时，单片机接收到红外遥控信号后，闭合继电器，重新给其通电，就可开启电器。

本文也论证了此研究的现实意义和实现方案。

关键词：

待机能耗；电流检测；红外线遥控；节能

Abstract:

Withthepopularityofelectricalappliancewithstandbyfunction,thestandbypowerconsumptionbecomesabigwaste.Standbypowerisproducedwhentheplugsstillisconnectingtothepowersourceswhenmachinestopsnormalwork.Television,air-conditioning,water-machine,microwavepotcancausesuchstandbypower.Asthereisbigdifferencebetweenstandbycurrentandworkingcurrent,workingorstandbymodecanbejudgedbymeasuringthecurrentflowingthroughappliances.STCsinglechipmicrocomputerisappliedheretojudgeandcontroltheworkingorstandbymode.Whendetectingstandbysignal,microcomputergivesstructuretorelayswitchtocutoffthecurrent,thenstandbypoweriseliminatedsoastorealizeenergysaving.Singlechipmachinecanalsorestartapplianceafterreceivinginfraredsignals.Thesignificanceandrealizationschemearealsodiscussedinthispaper.

Keywords：

Standbypower；electricitydetection；infraredcontrol；energysaving

1前言

进入二十一世纪，能源问题已经越来越成为全世界关注的热门问题。

在我国能源问题也被提升到一个极重要的战略高度上，在这个大背景下，建设节约型社会已经成为了一种趋势应运而生。

然而，还有某些能源的浪费没有引起人们足够的重视。

比如待机能耗：

是指机器在不使用的情况下，插头还接在插座上有电流通过产生的功耗，这在我国还是一个比较新的概念。

电视机，空调，饮水机，微波炉等家用电器都会产生待机能耗。

对于许多人来说，并没意识到这些家用电器会产生这种不必要的电能的浪费。

各国因待机而消耗的能量越占能耗总数的3%至13%，而我国的待机能耗高于平均水平。

以上海为例，如按每户家庭待机能耗占其总用电量的10%，600万户家庭每户20瓦能耗计，一个家庭一年就要浪费175千瓦时的电量，全市仅待机耗电每年越8亿千瓦时。

由此可见，待机能耗产生的浪费是惊人的[6]。

实际上很多家用电器都是处在待机状态中。

此时，机器没有任何的任务，但是却消耗了电能。

这完全是一种不必要的浪费。

就拿微波炉来说，在没有加热食物时，就处于待机状态，只有一个数字时钟在耗电。

可是，将加热食物时的耗电量与数字时钟的耗电量相比较，还是后者大。

听起来十分讽刺，但却是事实。

很多人都没有意识到这些机器的没有实现主要功能的时候在耗电。

再比如空调，可以说是待机功耗很大的家用电器。

尽管意识到这个问题，人们还是不愿意频繁插拔插头来减少看似微小的用电量。

所以依靠人们自愿在不使用家用电器时将插头拔出，肯定是不现实的。

所以研究一种智能产品来代替人们切断待机电流以降低这种不必要的浪费非常必要。

90年代，美国的科学家们开始研究待机功耗。

结果发现在发达国家，待机功耗平均占有整个居民或家庭用电的10%左右。

于是，他们开始着手研究一些可以降低待机能耗的电源，目标是将待机功耗降到1瓦特以下。

许多国家已经采用这样的一些非强制性标准。

澳大利亚还使用了强制法规使用待机功耗在1瓦特之内的设备。

在美国加州出售待机功耗3瓦特以上的电力设备是违法的[3]。

说到此，我们还应该关注到贸易出口的问题。

很多国家都已经明确规定待机功耗超标的电气设备是不能出口的。

而我国的家电，如电视就远远不能满足国外的节能标准。

这样，很多产品就面临不能出口到国外的局面。

这对与我国的电子行业也是一个很大的打击。

就在2005年，向来以价格战的中国电视机第一次面临国外品牌挑起的价格战而无力应战的尴尬局面；同时高能耗产品正面临严重的国内外市场壁垒。

高于9瓦的电视机在2006年被强制撤市。

然而这种政府的强制规定也引起了电子研究或生产商的反对，认为这样的举动会限制电子设计方面的创新。

认为这种规则应该是行业导向而非政府行为的。

但是，由于待机能耗的确是一个不容忽视的能源浪费，在能源紧缺的形势下，每个人都不能坐视不理。

所以采用一种对家电本身设计没有太高要求的方案应该能起到两全齐美的作用。

这种智能节电器应该是简单易于操作，成本低，并且独立于家电设备。

这样既能达到节能的要求，也不影响家电的正常功能。

本课题旨在研究出一种可以切断待机电流的智能节电器，避免家电长期处于待机状态，消耗不必要的电能。

采用的方案就是通过流过家电的电流大小来判断家电的工作或待机状态。

尽管各种家电的型号功能不同，但是待机电流都明显小于正常工作电流。

所以就可以利用电流检测装置，如电流互感器等检测家用电器的电流大小，将电流信号输入单片机，利用单片机判断待机或工作模式。

当判断出家电处于待机模式下，智能节电器将延时一段时间，再重新判断确定是否处于待机状态，如果仍处于待机状态，单片机就给继电器指令自动切断电器电流。

这时，电器已经处于完全断电的状态中。

而只有微弱的电流通过此节电器，这样，就可以明显降低待机能耗。

当然，家电被切断了电流，使用时还要开启。

由于电器完全断电，以致家用电器接收红外遥控信号的接收器也无法工作。

那么就应该通过控制节能器来给电器通电。

因此，必须要给智能节电器安装红外线接收头。

经过解调的信号进入单片机。

单片机再对其解码，再将闭合信号给继电器。

继电器闭合，家电重新通电。

这样，就能使用原有的家用电器的遥控器来控制节能设备，开启家用电器。

简便易操作。

在家电进入待机状态1分钟之后，就会彻底退出待机模式，而完全断电。

这时，整个系统只有智能节电器在消耗的电能。

消耗的电能要远远小于待机能耗，这样才具有节能的意义。

由于家用电器几乎采用红外遥控，所以遥控方式选择红外遥控。

此外，要了解各种家用，如电视，空调，音箱，饮水机等电器的待机电流大小，从而以最大的待机电流作为判断待机模式与否的依据。

总而言之，智能节电器具有自动功能，遥控功能，低能耗的特点，不需要改变家电的电路结构，不需要改变遥控器的电路结构，不改变用户的操作方式。

待机时芯片采用机械继电器切断家电的交流线路，启动时能用遥控器操作。

相当于一个独立的控制电源的设备。

简便易行，成本极低。

2系统硬件设计

2.1系统总体结构

图2.1为红外遥控家用电器智能节电器的整个工作系统。

电源经过智能节电器与家用电器相联。

对于电源，智能节电器相当于用电体，本身带有插头与电源相连；而对于家用电器，它又相当于普通插座，带有插孔，家用电器的插头就长期插于此接口中。

当家用电器处于正常工作状态时，智能节电器就相当于一根导线，电流顺畅流入家用电器；当家用电器处于待机模式时，节电器中的继电器断开，就起到切断电源的作用。

这时，没有任何电流流过家用电器。

当家用电器从电源断开后，需要时我们还要重新开启。

智能节电器也带有红外线接收头，并有解码功能程序，但是在此系统中，红外线解码功能并不是必须的。

因为系统接收到红外信号就可以开启电器，而不必区别是那种红外信号。

所以，可以通过判断是否出现高低电平来确定红外信号的到来。

2.2系统硬件结构

如图2.2所示，整个系统由5部分组成。

STC12C5410控制芯片作为微控制器。

电流检测装置采用电流互感器做检测元件，经过整流进入单片机。

由于STC12C5410单片机本身带有模数转换功能，在单片机内部就可以A/D转换成数字量，所以无需在外部再添加A/D转换芯片，如ADC0809。

红外线遥控器是家用电器本来就带有的，所以不在本系统的设计之内。

红外线接收头选用HS0038。

HS0038不仅能完成对红外信号的接收，还具有解调功能，经解调的信号可以直接进入单片机解码。

单片机得到待机电流信号并进行一段时间的延时判断确认，控制继电器使其断开，这样流过家电的待机电流就被完全切除了。

当单片机输入红外线信号时，就给继电器动作信号，重新闭合，使家电通电。

家用电器又恢复到正常工作状态。

2.3交流电流检测模块

系统设计的核心就是根据电流的大小来判断家用电器的待机模式。

所以交流电流的检测是设计中的重要部分。

各种不同型号、不同品牌的家用电器的待机电流都是不一样的。

但是有一个相同点，就是明显小于家电正常工作时的电流。

所以完全可以通过电流的大小来判断家电的工作或待机状态。

2.3.1检测方案论证

检测电流的方法有串联电阻检测法，霍尔元件和CT法。

（1）串联电阻检测电流法：

简单，精确，成本低。

但是缺点是，如果检测电阻上通过的电流较大，那么在产生的能耗就很大。

而且，此法输出信号小，需另加放大器。

（2）霍尔元件：

简单，但是成本高。

（3）CT法就是利用电流互感器：

电流互感器检测电流在保持良好波形的同时还具有较宽的带宽，电流互感器还提供了电气隔离，并且检测电流小损耗也小。

考虑到电流互感器产生的损耗小，成本低，还能够反映主电路中的电流,并能将控制电路与主电路隔离,从而提高安全性,降低干扰选择其测量通过家用电器的电流[7]。

2.3.2电流互感器原理

电流互感器的构造是由铁芯、一次绕组、二次绕组、接线端子及绝缘支撑物等组成。

其一次绕组的匝数较少，串接在需要测量电流的线路中，流过较大的被测电流，二次绕组的匝数较多，串接在测量仪表或继电保护回路里[5]。

它的工作原理和变压器相似。

电流互感器的特点是：

（1）一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次线圈中的电流完全取决于被测电路的负荷电流．而与二次电流无关；

（2）电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。

电流互感器的二次回路不允许开路。

它在工作时，二次回路始终是闭合，接近短路状态，一次电流所产生的磁化力大部分被二次电流所补偿，总磁通密度不大，二次绕组电势也不大。

当电流互感器开路时，二次回路阻抗无限大，电流等于零，一次电流完全变成励磁电流，在二次绕组产生很高的电势，威胁人身安全，造成仪表、保护装置、互感器二次绝缘损坏。

电流互感器的二次回路必须接地，以防止一次绝缘击穿，二次串入高压，损坏设备。

电流互感器将整个