节能插座的研究与设计论文.docx
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节能插座的研究与设计论文
目录
一.绪论
1.1节能插座的研究背景和目的
1.2节能插座的研究现状
1.3节能插座的研究前景
1.4本次节能插座的研究内容
1.4.1本次毕业设计所应用的原理
1.4.2本次毕业设计的目的
二.本次课题设计的原理
2.1本次设计中使用到的芯片
2.1.1红外热释电传感器的原理
2.1.2BISS0001芯片的工作原理
2.1.3继电器的工作原理
2.2电路的工作原理
2.2.1接收电路的工作原理
2.2.2放大电路的工作原理
2.2.3执行电路的工作原理
2.2.45v电源的产生电路
三.系统设计
3.1供电部分电路的设计
3.2接收部分电路的设计
3.3放大处理电路的设计
四.系统的调试
4.1系统的上电
4.2系统的不足与调试
4.3系统的优化
4.3.1系统电源的优化
4.3.2系统继电器的优化
4.3.3系统的可扩展性
4.4系统的成本和体积估算
五.总结
六.参考文献
七.致谢
1.1节能插座的研究背景
在能源枯竭的今天,人们想尽一切办法去开发新的能源,但是随着家用电器、视听产品的普及,自动化办公设备的广泛应用和网络化的不断发展,越来越多的产品具有了待机功能,如遥控开关、定时开关、智能开关等等。
但人们在享受便捷的同时,待机状态下所消耗的能源也在造成惊人的浪费。
据中国节能认证中心调查,我国城市家庭的平均待机能耗,相当于每个家庭每天都在亮着一盏15瓦到30瓦的长明灯。
专家们把待机能耗比喻为“吸血虫”。
据测算,家电待机能耗占到中国家庭电力消耗的10%以上
据调查,我国家电待机现象十分普遍,有近七成的家庭使用家电后不关闭电源,三成多市民甚至不知道待机也会耗电。
电器长期待机有三宗“罪”。
之一:
耗费电能惊人――不节能。
电器待机年“吃”掉国家数百亿度电。
之二:
意外事故频频发生――不安全。
据统计,火灾损失中有3成以上是由电气火灾引起的,其中的罪魁祸首竟是连接电器的插座。
究其原因,除了插座质量不过关以外,另一个重要原因即是处于长期通电状态下的电器,存在安全隐患,待机时间一长,导致超负荷工作而发生危险。
插座已经成为家庭用电安全的软肋!
之三:
降低电器使用寿命――不经济。
此外,电器待机不仅消耗电能,因为长期通电,原件寿命会大大缩短,使电器过早报废。
并存在电器着火隐患!
目前,待机功耗引起了各国政府的关注,美国、欧盟等许多国家和地区纷纷制定了产业政策,修订相关产品标准,降低待机状态下的能源浪费。
我国从今年3月1日起,彩电实施能效新标准,待机能耗高于9瓦的彩电不能上市销售。
所谓待机能耗,就是电器不拔插头时所耗费的电能。
据中国节能产品认证中心的调查,待机能耗较大的产品有:
电脑、空调、电视、DVD、VCD、音响功放、录像机和打印机等。
上海市能源利用监测中心的报告显示,单台电视机加上DVD、功放、音响,整个家庭影院系统待机能耗30瓦左右。
在关机状态下,电脑的显示器、打印机、扫描仪、音箱合计待机能耗20瓦以上。
随着夏季用电高峰的到来,使用空调的用户明显增多,空调待机能耗会更多。
如果将待机能耗放到一个宏观的背景下进行估算,那么结果会更惊人。
以74厘米彩色电视机为例,按平均待机能耗18瓦,一天待机16小时,以2000万台电视机计算,每年浪费电能达21亿千瓦时。
普通壁挂式空调,如果不拔插头,按平均待机能耗30瓦计,一个壁挂式空调一年将浪费246千瓦时,以全国1亿家庭计算,每年要浪费246亿千瓦时。
三峡工程设计安装26台70万千瓦发电机组,机组全部投产后年平均发电847亿千瓦时。
有人保守地估算,待机浪费的电能将抵消掉三峡的发电量。
。
随着我国的经济发展,建设节约型社会已经写入十一五发展规划,成为人们日常生活的主题。
我们觉得它不仅表现在每个人的节能行动上,更可以通过改进设备的使用来达到节能的目的。
目前,以我国电脑拥有量5299万台计算,一年全国电脑累计关机状态下耗电量很可能超过19亿度。
电脑关机耗电因光驱、硬盘等配置不同而不同。
一般来说,关机状态下的电脑功耗为:
主机4.3W,显示屏3.5W,合计7.8W左右。
假设每台电脑每天关机16小时,一年一台电脑累计关机状态下耗电36.2度。
以芯片供应商英飞凌(Infineon)所做的调查而言,以美国一地为例,只要关机的电脑中有百分之一关闭显示器,每天省下的电量约是36万千瓦,相当于一座中型发电厂所能发出的电量。
《人民日报》的一个数字更令人触目惊心:
在中国仅不关显示器和打印机每年浪费12亿度电!
欧盟规定,计算机在睡眠和关闭状况下的能耗须低于10瓦和3瓦,我国目前仅有10.5%的计算机能够达到这一要求;美国规定,显示器在睡眠和关闭状态下的能耗须低于4瓦和2瓦,我国目前仅有19%的显示器能达到这一要求。
有专家发现,不良的习惯是造成能源浪费的关键,而节能插座的研究,将给我们解决待机功耗问题带来新的思路。
节能插座的工作原理很简单,就是通过先进的嵌入式技术,将智能化的电源管理芯片内置于普通插座,通过继电器切断插座的交流电路,从而达到省电的目的。
通过这种方法,人们不必改变自己的习惯就可以达到省电的目的
1.2节能插座的研究现状
自节能类开关问世以来,节能开关得到了迅速的发展.目前市场上已经出现多种有节能保护了的开关和插座等等.人们从各种途径来减少各种电器的待机功耗,比如现在已经在市场上热卖的”小管家”节能环保插座.节电专利产品“小管家”智能插座实质上是一个电源管理器,这类具有聪明“小电脑”的插座使用了最新嵌入式技术,可使其在无需拔掉插头的情况下自动控制断电,使用者可傻瓜式操作。
如在关闭电脑程序或遥控关机时,插座内微电脑智能检测自动切断主机及周边设备电源,电脑开机或遥控开机时就可自动接通电源。
当前,针对电脑、电视机用户的各类智能插座,不仅起到很好的节电效果,还兼具治理谐波、消除浪涌、稳压防雷作用,大大增强了电器设备的使用寿命。
由于第一批进入上海市节能产品应用推荐目录,“小管家”智能型电源管理器时下在上海每月销售超过2万个。
在百思买、苏宁电器等门店,价格从80元至200元不等的各类智能插座套装,成为一些单位团购的年节礼包。
由于不同电器功率不同。
因此智能插座还分为电脑、空调、电视和家庭影院专用等系列,一般来说使用一年省下的待机能耗电费,就相当于智能插座自身价格。
从小管家的热卖可以看出节能类插座非常受到市场的欢迎.但是在调研市场的过程中我发现一个问题,目前市场上大部分的节能插座都会含有一个遥控器,就是人们需要主动控制这些插座的通断,这就给我们使用插座带来了不方便.比如我们随身要带个插座的遥控器?
或者我们忘记了关掉插座,或者插座的遥控器丢失了怎么办?
诸如此类的问题很多.所以在这次设计中,我们打算设计一种新型的节能插座,这种插座不需要遥控器的命令,他能自己”感受”到人的信号,从而自己控制内部的通断,这将给我们带来更大的方便.
令一个方面,目前的节能产品大都要针对某一类产品,比如电脑小管家,电视小管家,冰箱小管家,通常这类节能插座是通过插座里面的电流感应器来感应电器的工作情况,从而来控制电器的工作.比如电器在开机和关机的瞬间,电流会急剧增大,节能插座会根据瞬间电流来判断用电器的使用情况.我们这次设计的插座,不需要判断电流情况,而是通过接收外部人体信号来控制插座,红外热释电传感器的价格低廉,从而达到了节省成本的目的.
1.3节能插座的研究前景
随着人们生活水平的提高,人们身边各种电器将会越来越多,这将会刺激人们去研究和开发更加先进的节能环保类插座.节能插座模块最重要是节能,还有就是质量要稳定,以及自耗电要小.现在市场上所有的节能插座他的本身会有一定的功耗,所以我们要研发新型的节能插座,将需要从降低插座的本身功耗入手,尽可能的通过科学方法降低插座本身的功耗,是插座的节能效率进一步提高.
另一个方面,插座本身的寿命需要尽可能的长,目前市场上的节能类产品的寿命是2年左右,一个插座使用2年以后,插座内部的各种控制电路将渐渐的老化,导致插座的性能不稳定.这就是说我们必须2年更换一次节能插座,这将给我们带来另一种损失.
更有一个方面,目前市场上的节能插座价格普遍偏高,我从因特网上查到,在上海地区,一个普通的节能插座要卖到200多元,这么贵的价格对于一个上海食品来说或许说不算昂贵,但是对于农村人民来说应经相当昂贵,我相信没有哪个农民乐于花200元买个插座放家里面,因为农村人每年的用电费用也不过就200元左右.但是我们中国70%的公民是农村人,所以研发出价格低廉的节能插座,从而向农村推销节能插座将会为我们节省出更多的能源.
另外,目前市场上的节能插座大都应用在家庭办公中,所以插座本身能提供的功率不是很大,
我们能不能设计出大功率的节能插座,从而使节能类产品应用在企业中呢.所以在将来,我们需要设计出负载很大的节能插座,以满足大公司对节能插座的需求.
总的来说,节能插座将会是21实际生活中一个常见的用品,但是目前的插座远远不能满足我们的要求,我们需要改进的地方还很多.
1.4本次节能插座的研究内容
本次研究主要内容是通过设计电路,设计出一种人体感应插座,这个插座能做到人到开启,人离开关闭的功能.
1.4.1电路的原理图
本次设计中使用到的元器件主要有热释电红外传感器RE200B,热释电红外传感信号处理器BISS0001,继电器.他们的连接方法如下图.
人体信号由电路左边的热释电红外传感器接收到,经过电路的放大处理,再经过热释电红外传感信号处理器BISS0001的信号处理,控制继电器的通断,达到控制开关的目的.
1.4.2本次设计要达到的目的
在本次毕业设计中,我们要达到2个目的,一是我们要把上面的电路更加的完善,让电路的性能更加稳定,在完善电路的过程中我们要焊接出电路,然后进行调试,检验,知道符合我们的要求为止.此外,我们要在Protel上画出电路的原理图,然后进一步画出电路的PCB图,方便以后电路芯片的制作.
二:
本次毕业设计的原理
2.1本次设计中使用到的芯片原理
2.1.1热释电红外传感器的原理
近年来,自动控制技术采用光测技术的场合不断增加,且已由可见光向红外光发展。
90年代初期,人们采用新材料研制成功了一种新型传感器件一热释人体红外传感器,它专门用来检测人体辐射的红外线能量,目前已广泛应用于国际安全防御系统、自动控制、告警系统等。
目前,市场上常见的热释电传感器有国产的5002、PH5324、日本的seA02一l、美国产的P2288等,虽然型号不同,但其结构、外形和电参数大致相同,且大多数可以互换.在本次设计中使用到了RE200B.
热释电传感器由敏感单元,场效应管,高阻抗变换管,滤光窗等几个部分组成,并且在氦气环境下封装而成。
从根本原理上讲,热释电传感器对任何发热体都有反应,但因它自身的频率及波长响应特性决定了该传感器只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时,才给出一个相应的电信号,当温度的变化趋于稳定后,就不再有输出信号,即热释电信号与它本身的温度的变化率成d二比因此,可以说:
热释电传感器只对运动的人体敏感。
山于敏感元件是一种广普材料,对各种波长具有一定的敏感性,为了对阳光、电灯光等有定的抗干扰性,而对人体发出的红外线最敏感,故在一块薄玻璃片上镀上多层滤光层薄膜,然后用该片作为滤光窗该光窗能有效地滤除70一14pm波长以外的红外线。
物体发出的红外辐射能量最强时,其波长与温度的关系满足入:
λm*T=2989(μm*K),其中:
λm为最大波长,T为绝对温度),而人体温度为36一37℃,辐射红外线最强波长为9.67一9.64μm,中心波长为9.65μm,所以,人体辐射的红外线最强的波长恰好落在滤光窗的响应波长范围内。
因此,滤光窗能很好地让人体辐射的红外线通过,而阻止其它射线通过,以免引起干扰。
但是,当与电灯距传感器太近时,由于灯泡发热以及漏进的可见光,在灯泡开关时,仍有可能因传感器有信号输出而使后续电路误动作。
热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。
加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足2m提高到至少10m范围。
菲涅尔透镜实际是一个透镜组,份个单元般都只有一个不大的视场,且相邻的视场既不连续,也不交又,都相隔一个盲区。
这样,当人休在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时,人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器L,形成一个不断交替变化的盲区和亮区,使得敏感单元的温度不断变化,传感器从而输出信号或者说,人体在监控范围内活动时,进人一个视场后,又走出这个视场,再进人另一视场对传感器而言,相当于会儿看到人,一会儿又看不到人,人体的红外线辐射不断改变传感器的温度,使之有一个又一个相应的电信号。
热释电传感器的侧视图
热释电传感器的底视图
人体红外传感器的输出电压仅为数mV,有效的信号频率约为(0.1-10)Hz,因此,红外传感信号的处理是以方面要将传感信号放大到数字电平,一方面要滤除传感器自身的自身干扰和外界的热辐射干扰引起的差动信号。
一般采用低功耗运算放大器组成现行放大器,窗口比较器等。
2.1.2BISS0001芯片的工作原理
BISS0001是一款高性能的被动式热释电红外线传感信号处理器.它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关.
1BISS0001引脚功能说明
BISS0001的管脚说明见下图:
引脚1(A):
可重复触发和不可重复触发选择端.当设为“1”时,允许重复触发;反之,不可重复触发.
引脚2(VO):
控制信号输出端.由有效触发的上跳变沿触发,使VO输出从低电平跳变到高电平视为有效触发.在输出延迟时间外和无有效触发时,VO
保持低电平.
引脚3、4(RR1、RC1):
输出延迟时间Tx调节端.
引脚5、6(RC1、RR2):
触发封锁时间Ti调节端.
引脚5、6(RC1、RR2):
触发封锁时间Ti调节端.
引脚11、7(VDD、VSS):
工作电源正、负端.
引脚8(VRF/RESET):
参考电压及复位输入端.通常接VDD,当接“0”时,可使定时器复位.
引脚9(VC):
触发禁止端.当VC<0.2VDD时,禁止触发;反之,允许触发.
引脚10(IB):
运算放大器偏置电流设置端端.
引脚13、12(2IN-、2OUT):
第2级运算放大器反向输入端、输出.
引脚14、15、16(1IN+、1IN-、1OUT):
第1级运算放大器同向输入端、反向输入端、输出端.
2BISS0001的内部框图见下图
BISS0001采用高性能CMOS工艺制造,功耗很低;工作电压是3~6V,推荐使用5V;当工作电压为5V时,输出的驱动电流对应为10mA;工作温度为-20~70℃;贮存温度-40~125℃.
3BISS0001工作原理
BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路.它可被设置为可重复触发和不可重复触发2种方式.下面分别介绍2种工作方式.
不可重复触发方式工作原理图见下图
根据实际需要,利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路,将信号放大.然后耦合给运算放大器OP2,再进行第2级放大,同时将直流电位抬高为
图2所标注的VM(≈015VDD)后,将输出信号V2转换成有效触发信号VS.由于VH≈017VDD、VL≈013VDD,所以,当VDD=5V时,可有效抑制±1V的噪
声干扰,提高系统的可靠性.COP3是一个条件比较器.当输入电压VC 递;而当VC>VR时,COP3输出为高电平,进入延时周期.当A端接“0”电平时,在Tx时间内任何V2的变化都被忽略,直至Tx时间结束,即所谓不可重复 触发工作方式.当Tx时间结束时,VO下跳回低电平,同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti.在Ti时间内,任何V2的变化都不能使VO跳变为有 效状态(高电平),可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 可重复触发方式见下图: 可重复触发工作方式下的波形在VC=“0”、A=“0”期间,信号VS不能触发VS为有效状态.在VC=“1”、A=“1”时,VS可重复触发VO为有效状态,并可 促使VO在Tx周期内一直保持有效状态.在Tx时间内,只要VS发生上跳变,则VO将从VS上跳变时刻起继续延长一个Tx周期;若VS保持为“1”状态,则VO一直保持有效状态;若VS保持为“0”状态,则在Tx周期结束后VO恢复为无效状态,并且,同样在封锁时间Ti时间内,任何VS的变化都不能触发VO为有效状态。 此设计中BISS0001的运算放大器OP1作为热释电红外传感器的前置放大。 由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大。 再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后,检出有效触发信号去启动延迟时间定时器。 输出信号经晶体管T1、驱动继电器去接通负载。 SW1是工作方式选择开关,当SW1与1端连通时,红外开关处于可重复触发工作方式;当SW1与2端连通时,红外开关则处于不可重复触发工作方式。 2.1.3继电器的工作原理 在控制部分使用的继电器型号是HK3FF-DC5V-SHG,该继电器有5个引脚,其中2号脚和3号脚是继电器的线圈引脚,一号脚和5号脚是长断的,1号脚和4号脚是常开的,该继电器的工作电压时5V,最大电流为15A,当线圈通电时,1号脚和4号脚连通,和5号脚断开,当线圈断电时,1号脚和5号脚连通,和4号脚断开。 2.2电路的工作原理 2.2.1接收部分电路的工作原理 电路的接收部分是热释电红外传感器RE200B和抗干扰电路。 电路的接收部分如图所示: 热释电传感器的工作电压为5V直流电源,所以RE200B的D脚接5v电源,G脚接地,RE200B的S脚为输出端。 热释电传感器绝缘电阻高达几十到几百兆欧,容易引入外部噪声,在实际使用中,要求有输入阻抗高、噪声小的前置放大器。 通常把前放的场效应管和输入电阻装入管壳内人体红外传感器的输出电压仅为数mV,有效的信号频率约为(0.1-10)Hz,由于S端的输出电压很小,很容易受到外界的干扰,在RE200B的输出端S脚上串联上一个2级带通滤波放大来防止外界的干扰。 人体红外传感器的探测性的发挥很大程度上依赖于一个优良的光学系统,不加光学系统的红外传感器只能感应1米以内的运动人体,加上菲涅尔透镜后,感应距离可以达到8米。 所以使用本次设计制作的插座适宜放在办公桌的附近使用。 2.2.2信号处理电路的工作原理 本次设计中的信号处理芯片是BISS0001,BISS接收到信号,对信号进行处理和放大,然后经过状态控制器的处理通过2号脚输出。 处理部分电路如图所示: RE200B的S脚上的信号通过14号脚传入BISS0001运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第1级放大,然后由C3耦合给运算放大器 OP2进行第2级放大,再经由电压比较器COP1和COP2处理后,在我们的应用电路中,我们把BISS的1号脚(A脚)接高电平,让BISS0001始终处于可重复处罚状态。 BISS的9号脚是禁止触发端,当9号脚的电平Vc<0.2Vdd时,禁止触发,否则允许触发。 当信号从14号脚输入,经过放大器OP1进行第一次放大然后通过16号脚输出,输出的信号通过一个RC电路降低干扰输入到13号脚经过OP2的第二次放大。 然后输出电压V2,如果V2>Vh且V2 如果V2 引脚 名称 I/O 功能说明 1 A I 可重复触发和不可重复触发选择端。 当A为“1”时,允许重复触发;反之,不可重复触发 2 VO O 控制信号输出端。 由VS的上跳变沿触发,使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。 在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时,Vo保持低电平状态。 3 RR1 -- 输出延迟时间Tx的调节端 4 RC1 -- 输出延迟时间Tx的调节端 5 RC2 -- 触发封锁时间Ti的调节端 6 RR2 -- 触发封锁时间Ti的调节端 7 VSS -- 工作电源负端 8 VRF I 参考电压及复位输入端。 通常接VDD,当接“0”时可使定时器复位 9 VC I 触发禁止端。 当Vc 10 IB -- 运算放大器偏置电流设置端 11 VDD -- 工作电源正端 12 2OUT O 第二级运算放大器的输出端 13 2IN- I 第二级运算放大器的反相输入端 14 1IN+ I 第一级运算放大器的同相输入端 15 1IN- I 第一级运算放大器的反相输入端 16 1OUT O 第一级运算放大器的输出端 BISS的8号脚是参考电压及复位输入端,当接零的时候,BISS进行复位,在电路设计的时候可以在8号脚加上一个开关,方便电路的复位。 当状态控制器接到信号之后,要根据3号脚和4号脚的输入延迟时间Tx的调节端和5号脚和6号脚的输入延迟时间Ti的调节端来控制输入输出的延迟时间。 经计算,输出端延迟时间 Tx=49152R1*C1, 在试验中我选择输出端延迟时间=5min,经计算选择合理的数值: R1=47K, C1=0.12u 输入延迟时间Ti=48R2*C2, 在试验中我选择输入端延迟时间=2min,经计算选择合理数值: R2=1M, C2=2.2u 状态控制器通过判断之后从二号脚输出信号。 2.2.3执行电路的工作原理 电路的最后一部分是继电器的执行电路部分。 这一部分通过一个继电器来控制被控电路的通断。 执行部分电路如下图: 当BISS的2号脚没输出的时候,三极管Q19013的基极的电压为零,三极管的发射极输出为零,所以继电器的线圈断开,在试验中在A和B之间接入发光二极管,当2号脚没输出时候发光二极管不发光。 当2号脚有输出时候,三极管的基极有电压,三极管的发射极有输出,所以三极管的集电极和发射极之间导通,继电器的线圈上有电流,导致开关闭合,这时候连接在A和B点之间的发光二极管发光。 2.2.422v转5V直流电源的设计 本次设计中所有的芯片使用的都是5V电源,所以需要设计一个电路,本次设计中通过查阅参考资料找到了2种用来把220直流电转变成5V直流稳压电源的方法。 第一种方法是家用220v交流电通过全桥整流,稳压后输出稳定的5v直流电。 该电路稳定,输出电流最大值为1A,能带动一定的负载。 电路的工作原理: 从图上看,变压器输入端经过一个保险连接电源插头,如果变压器或后面的电路发生短路,保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温溶化后断开。 变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路,整流后就得到一个电压波动很大的直流电源,所以在这里接一个330uF/25V的电解电容。 变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波,在电容C1两端大约会有11V多一点的电压,假如从电容两端直接接一个负载,当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端的电压发生较大幅度的
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