人體感應節能插座的研究與設計

摘要：為了滿(mǎn)足人們節約電能的需要，重點(diǎn)對節能插座進(jìn)行了研究，設計出一種由熱釋電傳感器和BISS0001芯片等常用電子器件構成的節能插座，經(jīng)實(shí)測可以感應到10米范圍內的人體并做出開(kāi)關(guān)動(dòng)作，能夠方便控制多種用電器從而達到節能的目的。
關(guān)鍵詞：感應式節能插座；熱釋電傳感器；繼電器

0 引言
全球能源危機，生態(tài)惡化，種種現實(shí)迫使我們努力開(kāi)源節流?，F代生活電器日新月異，科技工作者不遺余力地開(kāi)發(fā)出各種更加先進(jìn)，更加節能的用電設備和電源插座。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現多種有節能功能的插座，從各種途徑來(lái)減少各種電器的待機功耗。
在日常生活中，我們發(fā)現有這樣一些情況：?jiǎn)我徊孱^的用電器控制其能耗有些麻煩；音箱等設備在電腦上使用完后，常常忘記關(guān)掉；人離開(kāi)房間卻忘記關(guān)掉電腦電視，像這樣導致其長(cháng)時(shí)間工作耗電，浪費能源，損傷機器。由此筆者對節能插座進(jìn)行了初步的查閱和研究，現在和大家交流一下。

1 電源插座基礎研究
根據實(shí)際使用功能暫且將電源插座主要劃分為以下幾種：普通電源插座、保護型電源插座和節能插座。保護型電源插座可以分為過(guò)載保護、防雷保護和防觸電等類(lèi)型。節能插座有電腦節能插座、電視節能插座和人體感應節能插座等幾種。
1．1 普通電源插座
普通電源插座就是從電源連接到電器，使用電器能導通電源的一種設備。在電氣行業(yè)里面又叫“類(lèi)似家用電氣設備”，它只具備導通電源功能，無(wú)其他輔助性功能。
1．2 保護型電源插座
過(guò)保護插座：為了保障用戶(hù)的人身安全和財產(chǎn)安全，通過(guò)一個(gè)電流過(guò)載保護電路，當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(guò)載故障后，通過(guò)手動(dòng)復位可以繼續使用，不用更換保險絲，使用更方便。
防雷保護插座：原理同過(guò)載保護一樣，通過(guò)內置防雷器件，當電路或電器遭遇雷擊時(shí)，瞬間自動(dòng)切斷插座電源，并將其電流導入大地，來(lái)保護用戶(hù)及用電器的安全。
1．3 節能插座
節能插座主要要解決待機能耗問(wèn)題和開(kāi)機能耗問(wèn)題。人們針對待機耗電問(wèn)題開(kāi)發(fā)出一類(lèi)如歐亞護源節能插座和小管家節能插座等。它主要根據線(xiàn)圈感應主機電流的變化，并通過(guò)集成電路的處理和繼電器的通斷來(lái)控制從機的工作，比如在關(guān)掉電腦主機的同時(shí)自動(dòng)關(guān)掉打印機、掃描儀、音響等。開(kāi)機能耗問(wèn)題是用電器本身決定的，但可以通過(guò)節能插座來(lái)主動(dòng)判斷并做出開(kāi)或關(guān)動(dòng)作，從而達到節能的目的。
電腦節能插座在電腦主機關(guān)閉后，能自動(dòng)切斷顯示器、打印機、音箱等外部設備的電源。用戶(hù)可以使用定時(shí)關(guān)機軟件設定任意時(shí)刻關(guān)機，設定的時(shí)間到了，電腦主機自動(dòng)關(guān)機，其它設備也能自動(dòng)斷電。電腦節能插座不僅解決了常時(shí)待機浪費電能的問(wèn)題，而且大大減少了電器的工作時(shí)間，有效延長(cháng)電器設備的壽命。在主機關(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(guò)載、短路及雷擊時(shí)損壞電器。

2 感應式節能插座的研究與設計
2．1 熱釋電效應
若使某些強介電質(zhì)物質(zhì)的表面發(fā)生變化，隨著(zhù)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，這種現象稱(chēng)為熱釋電效應。熱釋電紅外傳感器的窗口接收光線(xiàn)，濾波片對自然界中的白光具有抑制作用，只有特定波長(cháng)的紅外線(xiàn)才能通過(guò)濾波片照射在熱釋電元件上。當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(guò)場(chǎng)效應管后放大輸出電壓信號。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(xiàn)波長(cháng)約為9～10μm。因此要使用一塊波長(cháng)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(chǎng)家大都提供完整的傳感器裝置，而不是簡(jiǎn)單的傳感器元件。多功能傳感器內部有定時(shí)器；通用型的體積小、價(jià)格低，檢測人的傳感器內部設有濾波電路，可避免誤報警。這些裝置用戶(hù)可通過(guò)電阻電容的調節任意設定靈敏度和定時(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 傳感信號處理電路
傳感信號處理電路采用具有獨立的高輸入阻抗運算放大器的BISS0001芯片進(jìn)行設計，BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動(dòng)式的熱釋電紅外開(kāi)關(guān)。BISS0001芯片工作電壓是3～6 V，推薦使用5 V；當工作電壓為5 V時(shí)，輸出的驅動(dòng)電流對應為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(guò)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)電容濾波得到穩定的電壓，只要開(kāi)關(guān)S閉合，電源就可以為下級電路供電。
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(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，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10 A的繼電器。此繼電器需要安裝在體積較小的插座盒內，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，性能穩定的泰明牌焊腳型PCB式繼電器，型號為JQC-3F(T73)DC5V10A。
2．6 插座電路綜合設計
通過(guò)熱釋電傳感器感應人體輻射的紅外線(xiàn)來(lái)判斷是否有人在，然后放大輸出一個(gè)控制信號來(lái)控制繼電器，再通過(guò)繼電器來(lái)控制用電器的通斷，從而達到節能的目的。圖1是本設計的電路組成框圖。

本人采用熱釋電傳感器RE200B，傳感信號處理電路采用具有獨立的高輸入阻抗運算放大器的BISS0001芯片進(jìn)行設計，內部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾，內設延遲時(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?xún)鹊娜梭w，并做出開(kāi)關(guān)動(dòng)作，但要注意將傳感器的視角擺放在向外的一側。此電路還可以對延遲時(shí)間進(jìn)行設置，控制用電器在人或離開(kāi)后的某一時(shí)間開(kāi)關(guān)。

3 總結
感應式節能插座設計能感應半徑10米以?xún)鹊娜梭w并對用電器進(jìn)行控制，具有節約能源，人性化，易用性等特點(diǎn)，符合時(shí)代的要求。本設計，省心又節能，但是其負載能力不是很大，抗干擾能力不夠強，還需進(jìn)一步研究和設計，歡迎朋友們交流與指導。a