人體感應節(jié)能插座的研究與設計

摘要：為了滿足人們節(jié)約電能的需要，重點對節(jié)能插座進行了研究，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(jié)能插座，經(jīng)實測可以感應到10米范圍內(nèi)的人體并做出開關動作，能夠方便控制多種用電器從而達到節(jié)能的目的。
關鍵詞：感應式節(jié)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(xiàn)實迫使我們努力開源節(jié)流。現(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，更加節(jié)能的用電設備和電源插座。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；音箱等設備在電腦上使用完后，常常忘記關掉；人離開房間卻忘記關掉電腦電視，像這樣導致其長時間工作耗電，浪費能源，損傷機器。由此筆者對節(jié)能插座進行了初步的查閱和研究，現(xiàn)在和大家交流一下。

1 電源插座基礎研究
根據(jù)實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(jié)能插座。保護型電源插座可以分為過載保護、防雷保護和防觸電等類型。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，使用電器能導通電源的一種設備。在電氣行業(yè)里面又叫“類似家用電氣設備”，它只具備導通電源功能，無其他輔助性功能。
1．2 保護型電源插座
過保護插座：為了保障用戶的人身安全和財產(chǎn)安全，通過一個電流過載保護電路，當插座上電流大于額定電流時，會自動切斷電源。排除過載故障后，通過手動復位可以繼續(xù)使用，不用更換保險絲，使用更方便。
防雷保護插座：原理同過載保護一樣，通過內(nèi)置防雷器件，當電路或電器遭遇雷擊時，瞬間自動切斷插座電源，并將其電流導入大地，來保護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能耗問題和開機能耗問題。人們針對待機耗電問題開發(fā)出一類如歐亞護源節(jié)能插座和小管家節(jié)能插座等。它主要根據(jù)線圈感應主機電流的變化，并通過集成電路的處理和繼電器的通斷來控制從機的工作，比如在關掉電腦主機的同時自動關掉打印機、掃描儀、音響等。開機能耗問題是用電器本身決定的，但可以通過節(jié)能插座來主動判斷并做出開或關動作，從而達到節(jié)能的目的。
電腦節(jié)能插座在電腦主機關閉后，能自動切斷顯示器、打印機、音箱等外部設備的電源。用戶可以使用定時關機軟件設定任意時刻關機，設定的時間到了，電腦主機自動關機，其它設備也能自動斷電。電腦節(jié)能插座不僅解決了常時待機浪費電能的問題，而且大大減少了電器的工作時間，有效延長電器設備的壽命。在主機關閉后，連接在插座上的其它電器隨即完全切斷電源，防止過載、短路及雷擊時損壞電器。

2 感應式節(jié)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，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。熱釋電紅外傳感器的窗口接收光線，濾波片對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。當由于熱釋電元件的上下兩個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)部有定時器；通用型的體積小、價格低，檢測人的傳感器內(nèi)部設有濾波電路，可避免誤報警。這些裝置用戶可通過電阻電容的調(diào)節(jié)任意設定靈敏度和定時時間。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式的熱釋電紅外開關。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，輸出的驅(qū)動電流對應為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、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會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。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會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(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，型號為JQC-3F(T73)DC5V10A。
2．6 插座電路綜合設計
通過熱釋電傳感器感應人體輻射的紅外線來判斷是否有人在，然后放大輸出一個控制信號來控制繼電器，再通過繼電器來控制用電器的通斷，從而達到節(jié)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芯片進行設計，內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾，內(nèi)設延遲時間定時器和封鎖時間定時器。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，并做出開關動作，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間進行設置，控制用電器在人或離開后的某一時間開關。

3 總結
感應式節(jié)能插座設計能感應半徑10米以內(nèi)的人體并對用電器進行控制，具有節(jié)約能源，人性化，易用性等特點，符合時代的要求。本設計，省心又節(jié)能，但是其負載能力不是很大，抗干擾能力不夠強，還需進一步研究和設計，歡迎朋友們交流與指導。a