摘  要： 设计了一种多路智能遥控节电器。该节电器通过检测各路用电器的工作电流来判断各路上的用电器是否处于待机状态，同时通过遥控器为每路用电器的待机时长设定一个限制时间t，在t时间内自动控制该路用电器电源的断开与闭合。该节电器功能灵活、适用范围广、造价低、实用性强。 

    关键词： 节电器；待机；遥控；单片机

    据统计，目前每户居民家庭用电器的待机能耗约占总耗电量的10%，全国每年的待机能耗超过20亿千瓦时，约合14亿元人民币。常用家电的平均待机能耗分别为：彩电约8.07 W、DVD机约13.37 W、VCD机约10.97 W、音响功放约12.35 W、打印机约9.08 W、PC主机约35.07 W、电饭煲约19.82 W……；另外，处于待机的用电器易产生火灾和被雷电击坏。针对以上问题，本文设计了一种多路智能遥控节电器，它不仅能将用电器的待机能耗几乎降为零，而且用遥控器智能调节多路用电器的待机时长，适用性强，还可以通过一个遥控器来控制家里几乎所有用电器电源的断开与闭合。此节电器在消除待机能耗的同时，还能对各种家用电器进行人性化的控制和保护。 

1 系统结构 

    该智能遥控节电器的系统框图如图１所示。该节电器电流采样采用电流互感器，故对与之串联的用电器无影响。因不同用电器工作电流不同，所产生的互感输入电流也不同，故本设计采用输出电压限定调节电路来对互感产生的输出电压进行调节，从而适合具有各种不同工作电流的用电器；比较电路用来判断用电器是处于工作状态还是处于待机状态，并将判断结果传送给单片机；单片机根据传送过来的结果控制继电器，实现用电器电源的闭合与断开；遥控接收头用以接收遥控信号；显示电路用来查看待机时限和调节命令，提供人机交互界面；遥控器用于设定各路用电器上的待机时间并控制电源的断开与闭合；蜂鸣器用于告知遥控解码成功。 

2 主要单元电路工作原理 

2.1 电流取样、电压限定输出电路 

    本单元电器共设计了三路电路，这里仅给出其中两路来说明工作原理，其他路的工作原理与此相同。电流取样、电压限定输出电路如图2所示。用电器电流通过电流互感器TA初级后，其次级感应出的电流经D1、C1、C2整流滤波成直流加在R1上，然后调节R1的大小使A点电压处在1～2 V之间，此时红、绿灯都不亮，说明节电器已能正常工作；若A点电压低于1 V，则绿灯亮，若A点电压高于2 V，则红灯亮，此时调节R1使红绿灯都不亮时，节电器即可正常工作。本节电器适合控制工作电流在0.3～3 A的用电器。取电流互感原副线圈比为N₁：N₂=1：500，则原线圈电流I₁∈(0.3 A，3 A)时，副线圈电流I₂∈(0.6 mA，6 mA)。经计算，在电流取样、电压输出中总功耗不超过0.012 W，电压限定调节指示电路功耗W₁=U²/R+2Vcc×I_LM324<0.06 W。在一个节电器上设置多路电流取样电路就能实现多路控制，此多路智能遥控节电器上可设置至少10路。此文中只给出了两路，需要扩展时，按同样参数扩展其他路即可。当扩展更多路数时，电流采样可都接在图中的D点。 

2.2 电压放大、比较及电压基准电路 

    电压放大、比较及电压基准电路如图3所示。电压放大比较都采用LM324芯片^[1]。将图2中的E、F点输出的1～2 V电压经U3、U4各放大4倍得到4～5 V的电压，并将其分别输入到比较器U5、U6进行比较判断，然后将比较判断结果传送给单片机的P0口，单片机通过判断P0口中各引脚输入的高低电平信号而对各对应路数上的继电器进行控制，从而达到控制对应路数上用电器电源的断开与闭合。这里使用了电压基准芯片TL431^[2]，用来输出3 V电压作为比较器的基准电压。经计算，放大比较及电压基准电路消耗的功率不超过0.05W。 

2.3 指示灯显示及电源通断执行电路 

    指示灯显示及电源通断执行电路如图4所示。考虑到节省电能，本节电器工作时只让三（多）路中的一路指示灯点亮，当需要查看其他路上的待机时限时长时，只需按遥控器就可轮流查看各路上对应的待机时限时长。当某一路上设定的时限时长分别为5min、10min、15min时，对应点亮的绿灯为1个、2个、3个。当需要调节各路中用电器待机时限时长时，按下遥控器上的K10键，此时指示灯显示电路中的红灯亮，说明此时可对相应路上的用电器待机时限时长进行调节。指示灯电路通过单片机串行口为SN74LS164N传送串行数据使各路中的时限指示灯点亮^[3]。电源通断执行电路是指单片机与继电器的配合工作电路。这里的继电器选用低功耗的松下PA-继电器，其控制电压为5～18 V、切换功率为3 A/220 V AC、线圈功耗为120mW、机械寿命为10 000 000次、电气寿命为100 000 次^[4]。经计算，在用电器工作时，此部分每路消耗的功率不超过0.15 W，在用电器待机时消耗的功率不超过0.005W。 

2.4 开关电源电路 

    开关电源电路如图5所示。以MAX5033芯片为核心构成的开关电源电路输出参数为+5 V/0.5 A，其转化效率高达94%，且其输入电压范围广、输出电压稳定，并给整个节电器提供电能^[5]。 

2.5 遥控发射电路 

    遥控发射电路如图6所示。DT9122芯片是通用红外遥控发射集成电路，采用CMOS工艺制造，最多可外接64个按键，价格低廉，简单易用。

3 程序流程图 

    主程序流程图如图7所示。图7中的“遥控调时定时时间到？”指在遥控器按下K10键后开始定时，在定时时间内可对各路的待机时限时长进行调整。当实际时间超过定时时长后，调整无效。程序中的子程序还有：定时器T0定时中断服务子程序、遥控信号译码子程序、延时子程序、蜂鸣器响一声子程序。其中遥控信号译码子程序中有这样几个主要过程：键值识别、K10键按下后的时间保存、各路上对应的待机时限时长调整、显示指示灯的循环查看。 

4 节能方案分析 

    此节电器系统的主要功耗集中在电源通断执行电路中的继电器上。当用电器工作时继电器闭合，而每个继电器在闭合时消耗功率约0.12 W，按此计算。此节电器可设计10路，当10路上的用电器同时工作时，10个继电器的总功耗约为0.12×10=1.2 W。系统其他部分的工作电流都为微安级，功耗非常小。经计算，当此节电器设计成10路时，总能耗不超过2 W。对于普通家庭来说，家用电器每天的待机时间为18~22 h，工作时间为2~6 h。经分析，家用电器的平均待机能耗约为8 W。若使用此节电器，按10路来计算，则10路用电器和节电器系统的总能耗按用电器每天工作4 h计算，约为(0.12×10+0.8)×4=8 W/h，其中0.8 W是继电器以外其他部分的功耗。若不使用此节电器，还是按10路来计算，则用电器和节电器系统的总能耗按用电器每天工作4 h和待机20 h来计算约为(0.12×10+0.8)×4+8×10×20=1 608 W。则此节电器能将电能节省1 608/8=201(倍)。 

5 扩展说明 

    此节电器根据单片机的接口至少可扩展成10路，P1口的其他引脚和P3口的部分引脚用于各路电流取样信号判断结果的输入扩展；P0口的其他引脚和P2口的部分引脚用于用电器对应各路执行电路的扩展；P2口的其他引脚用于指示显示电路路数的扩展。 

6 系统特点 

    (1)具有三级省电模式。第一级：设其中一路设定的待机时限为t，当这一路上的用电器待机时间超过t后，此路上的用电器电源将被继电器完全断开，此时完全消除待机。第二级：当节电器上所有路上的用电器都不工作时，单片机将进入休闲模式，此时整个节电器系统几乎不消耗电能。由于休闲模式能通过中断来唤醒，当遥控接收头接收到遥控信号时，单片机将跳出休闲模式继续发挥检测控制作用。第三级：为了使本系统耗能尽可能小，在指示待机时限和调时的显示电路中，每次只让其中一路的待机时限指示灯亮。当需要查看其他路上设定的待机时长时，只需用遥控器让各路上指示灯左右循环移动显示即可。这样就能使最少的LED灯点亮，从而降低了本系统的能耗。 

    (2)适用范围广。此节电器对工作电流在0.3～3 A之间的所有具有待机和不具有待机功能的用电器都能正常发挥控制和节电作用。具体方法是：如在第一路上插上用电器，让用电器正常工作时，调节R1的大小使LED1与LED2都不亮即可。由于此节电器本身能对用电器的电源进行断开与闭合，所以一旦插上用电器并调节好R1后，用电器电源的开与合就能通过遥控器来控制，以后就没有必要再将用电器插头拔下来，这样节电器上的每一路就能对它上面的用电器长期正常地发挥控制、调节和保护作用。 

    (3)具有一定的智能性。此节电器的遥控器除了为每一路设计了一个电源开机键外，还为每一路设计了一个即时关闭电源键。当需要立刻断开用电器电源时，按用电器路数上的对应即时关闭遥控键即可；当用电器完全断开电源后又想重新让用电器合上电源开始工作，此时按下用电器路数上的遥控电源开机键即可。此外还可根据具体用电器的需要，通过遥控器对每路用电器的待机限定时间进行调整。 

参考文献 

[1] LM324 data sheet.http：//www.ic37.com/htm_pdf/137775_868277-pdf.htm 

[2] TL431 data sheet.http：//www.ic37.com/htm_pdf/137775_868277-pdf.htm. 

[3] 张毅刚.MCS-51单片机原理及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004. 

[4] PA-继电器.http：//www.njwzdz.com/exhibit/ex-hview.asp? pid=81# 

[5] Maxim.max5033 data sheet.http：//www.ic37.com/htm_pdf/629380_449323-pdf.htm.