一種人體感應(yīng)節(jié)能插座的研究與設(shè)計(jì)

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摘要：全球能源危機(jī)，生態(tài)惡化，種種現(xiàn)實(shí)迫使我們努力開源節(jié)流?，F(xiàn)代生活電器日新月異，科技工作者不遺余力地開發(fā)出各種更加先進(jìn)，更加節(jié)能的用電設(shè)備和電源插座。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)多種有節(jié)能功能的插座，從各種途徑來減     全球能源危機(jī)，生態(tài)惡化，種種現(xiàn)實(shí)迫使我們努力開源節(jié)流?，F(xiàn)代生活電器日新月異，科技工作者不遺余力地開發(fā)出各種更加先進(jìn)，更加節(jié)能的用電設(shè)備和電源插座。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)多種有節(jié)能功能的插座，從各種途徑來減少各種電器的待機(jī)功耗。
    在日常生活中，我們發(fā)現(xiàn)有這樣一些情況：單一插頭的用電器控制其能耗有些麻煩；音箱等設(shè)備在電腦上使用完后，常常忘記關(guān)掉；人離開房間卻忘記關(guān)掉電腦電視，像這樣導(dǎo)致其長時(shí)間工作耗電，浪費(fèi)能源，損傷機(jī)器。由此筆者對(duì)節(jié)能插座進(jìn)行了初步的查閱和研究，現(xiàn)在和大家交流一下。
    1 電源插座基礎(chǔ)研究
    根據(jù)實(shí)際使用功能暫且將電源插座主要?jiǎng)澐譃橐韵聨追N：普通電源插座、保護(hù)型電源插座和節(jié)能插座。保護(hù)型電源插座可以分為過載保護(hù)、防雷保護(hù)和防觸電等類型。節(jié)能插座有電腦節(jié)能插座、電視節(jié)能插座和人體感應(yīng)節(jié)能插座等幾種。
    1．1 普通電源插座
    普通電源插座就是從電源連接到電器，使用電器能導(dǎo)通電源的一種設(shè)備。在電氣行業(yè)里面又叫“類似家用電氣設(shè)備”，它只具備導(dǎo)通電源功能，無其他輔助性功能。
    1．2 保護(hù)型電源插座
    過保護(hù)插座：為了保障用戶的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全，通過一個(gè)電流過載保護(hù)電路，當(dāng)插座上電流大于額定電流時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷電源。排除過載故障后，通過手動(dòng)復(fù)位可以繼續(xù)使用，不用更換保險(xiǎn)絲，使用更方便。
    防雷保護(hù)插座：原理同過載保護(hù)一樣，通過內(nèi)置防雷器件，當(dāng)電路或電器遭遇雷擊時(shí)，瞬間自動(dòng)切斷插座電源，并將其電流導(dǎo)入大地，來保護(hù)用戶及用電器的安全。
    1．3 節(jié)能插座
    節(jié)能插座主要要解決待機(jī)能耗問題和開機(jī)能耗問題。人們針對(duì)待機(jī)耗電問題開發(fā)出一類如歐亞護(hù)源節(jié)能插座和小管家節(jié)能插座等。它主要根據(jù)線圈感應(yīng)主機(jī)電流的變化，并通過集成電路的處理和繼電器的通斷來控制從機(jī)的工作，比如在關(guān)掉電腦主機(jī)的同時(shí)自動(dòng)關(guān)掉打印機(jī)、掃描儀、音響等。開機(jī)能耗問題是用電器本身決定的，但可以通過節(jié)能插座來主動(dòng)判斷并做出開或關(guān)動(dòng)作，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
    電腦節(jié)能插座在電腦主機(jī)關(guān)閉后，能自動(dòng)切斷顯示器、打印機(jī)、音箱等外部設(shè)備的電源。用戶可以使用定時(shí)關(guān)機(jī)軟件設(shè)定任意時(shí)刻關(guān)機(jī)，設(shè)定的時(shí)間到了，電腦主機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)，其它設(shè)備也能自動(dòng)斷電。電腦節(jié)能插座不僅解決了常時(shí)待機(jī)浪費(fèi)電能的問題，而且大大減少了電器的工作時(shí)間，有效延長電器設(shè)備的壽命。在主機(jī)關(guān)閉后，連接在插座上的其它電器隨即完全切斷電源，防止過載、短路及雷擊時(shí)損壞電器。
    2 感應(yīng)式節(jié)能插座的研究與設(shè)計(jì)
    2．1 熱釋電效應(yīng)
    若使某些強(qiáng)介電質(zhì)物質(zhì)的表面發(fā)生變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電紅外傳感器的窗口接收光線，濾波片對(duì)自然界中的白光具有抑制作用，只有特定波長的紅外線才能通過濾波片照射在熱釋電元件上。當(dāng)由于熱釋電元件的上下兩個(gè)表面受到的照射不同，產(chǎn)生電子形成電流，電流經(jīng)過場效應(yīng)管后放大輸出電壓信號(hào)。熱釋電紅外傳感器的光波靈敏特性在0．2～20μm，人體輻射紅外線波長約為9～10μm。因此要使用一塊波長范圍是8～11μm的帶通濾光片把不需要的光波濾掉。
    2．2 熱釋電紅外傳感器裝置
    由于熱釋電元件本身的檢測能力有限，而且需要輔助電路，所以實(shí)用性差。因此，通常廠家大都提供完整的傳感器裝置，而不是簡單的傳感器元件。多功能傳感器內(nèi)部有定時(shí)器；通用型的體積小、價(jià)格低，檢測人的傳感器內(nèi)部設(shè)有濾波電路，可避免誤報(bào)警。這些裝置用戶可通過電阻電容的調(diào)節(jié)任意設(shè)定靈敏度和定時(shí)時(shí)間。這些傳感器裝置都很容易安裝到照明裝置上，使它只在晚間工作，或用于燈具控制。檢測人的傳感器檢測距離為5 m。只要人體溫度大于環(huán)境溫度4 ℃即可。
    2．3 傳感信號(hào)處理電路
    傳感信號(hào)處理電路采用具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器的BISS0001芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān)。BISS0001芯片工作電壓是3～6 V，推薦使用5 V；當(dāng)工作電壓為5 V時(shí)，輸出的驅(qū)動(dòng)電流對(duì)應(yīng)為10 mA；工作溫度為-20℃～70℃；貯存溫度-40℃～125℃。
    2．4 電源部分
    220 V市電經(jīng)過變壓器輸出5 V交流電壓，經(jīng)橋堆整流，再經(jīng)電容濾波后送入三端穩(wěn)壓器7805，由7805腳輸出的5 V直流電壓再經(jīng)電容濾波得到穩(wěn)定的電壓，只要開關(guān)S閉合，電源就可以為下級(jí)電路供電。
    2．5 電磁繼電器的工作原理和選用
    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而吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力下吸合。
    控制電路的電源電壓為5 V，被控制電路為家用電路220 V，考慮到插座上可能連接多種功率較大用電器，必須選用最大電流至少達(dá)10 A的繼電器。此繼電器需要安裝在體積較小的插座盒內(nèi)，需要選用超小型繼電器產(chǎn)品。綜上考慮，我們選擇了體積超小，性能穩(wěn)定的泰明牌焊腳型PCB式繼電器，型號(hào)為JQC-3F(T73)DC5V10A。
    2．6 插座電路綜合設(shè)計(jì)
    通過熱釋電傳感器感應(yīng)人體輻射的紅外線來判斷是否有人在，然后放大輸出一個(gè)控制信號(hào)來控制繼電器，再通過繼電器來控制用電器的通斷，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
    本人采用熱釋電傳感器RE200B，傳感信號(hào)處理電路采用具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器的BISS0001芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾，內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器。繼電器采用常用的泰明牌JQC-3FDC5V10A繼電器。
    經(jīng)測試，本電路在傳感器配合菲涅爾透的情況下可以很好地探測到10 m以內(nèi)的人體，并做出開關(guān)動(dòng)作，但要注意將傳感器的視角擺放在向外的一側(cè)。此電路還可以對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，控制用電器在人或離開后的某一時(shí)間開關(guān)。
    3 總結(jié)
    感應(yīng)式節(jié)能插座設(shè)計(jì)能感應(yīng)半徑10米以內(nèi)的人體并對(duì)用電器進(jìn)行控制，具有節(jié)約能源，人性化，易用性等特點(diǎn)，符合時(shí)代的要求。本設(shè)計(jì)，省心又節(jié)能，但是其負(fù)載能力不是很大，抗干擾能力不夠強(qiáng)，還需進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)，歡迎朋友們交流與指導(dǎo)。