红外遥控节能智能插座设计.docx

编 本科毕业设计（论文）目 录1. 绪论11.1遥控节能插座的研究背景和意义11.2 遥控节能插座的研究现状和前景31.3 本次遥控节能插座的研究内容51.3.1 本次毕业设计所应用的原理61.3.2 本次毕业设计的目的62. 本次设计的原理 82.1 本次设计用到的芯片的原理82.1.1 红外接收头的原理82.1.2 PIC12F675芯片的原理92.1.3 继电器的工作原理92.2 电路的工作原理132.2.1 红外接收电路132.2.2 降压稳压电路142.2.3 检测电路152.2.4 MCU控制电路152.2.5 通断电路153.系统焊接与调试173.1 硬件电路部分焊接173.1.1检测电路部分的电阻183.1.2 降压稳压电路部分的元器件183.2 调试193.2.1 降压稳压电路的调试193.2.2调试单片机的AD采样模块 193.2.3 调试红外接收模块 193.2.4 Timer1模块的的调试194 节能插座的软件设计. 224.1 红外接收部分224.2 AD 转换部分224.3 自动断电部分225. 总结246. 参考文献257. 致谢261. 绪论1.1遥控节能插座的研究背景和意义在能源越来越枯竭的今天，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，如电视机，电脑，冰箱，空调等等家用电器。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。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。 所谓待机能耗，就是电器不工作待机状态下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。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 ，节能插座的研究 ，将给我们解决待机能耗问题。1.2 遥控节能插座的研究现状和前景自节能类插座来世以来，节能插座得到了迅速的发展。目前市场上已经出现多种有节能的插。人们从各种途径来减少各种电器的待机功耗,现在在市场上热卖各种节能环保插座。据调查，市场上卖的“小管家”智能型插座在上海市每月销售超过2万个。在苏宁电器等门店，价格从80元至200元。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. 可以加USB充电功能，这样，方便对MP3,MP4,手机等进行充电，也可以加防雷器，可以避免雷击损坏家用电器等等。 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市民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世纪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。1.3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,设计出一种红外遥控节能插座,红外节能插座是指采用在规定空间距离范围内，用遥控器发出红外信号使开关插座开启，在待机状态延时一定时间后自动断的设备。1.3.1 电路的原理图本次设计中用到的元器件主要有红外接收头（IRM-26），PIC12F675单片机，继电器，三极管，整流二极管 ，稳压二极管，电阻，电容等，它们的连接方法如下图。图1 工作原理图上面右边的红外接收头收到遥控器发的红外信号以后就开启继电器，然后回路就通了，单片机一直检测回路上负载的电压，如果电压一直小于单片机里预设的阈值的话就认为负载在待机状态，就自动断电。1.3.2 本次设计的目的 本次设计中要达到两个目的，一是用红外遥控器开启插座，其次是要是负载一直在待机状态的话延时一段时间后就自动断电，从而达到节约电，节能的目的。为了达到这些目的首先得用protel画出上面的工作原理图，然后进一步画出PCB原理图，然后焊接各元件，调试，检验等。2. 本次毕业设计的原理2.1 本次毕业设计用到的芯片的原理2.1.1 红外接收头的原理红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。 内部电路包括红外监测二极管，放大器，限副器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流 信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出 高低电平，还原出发射端的信号波形。红外接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。 图2 红外接收头我们知道，人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。比紫光波长还短的光叫紫外线，比红光波长还长的光叫红外线。红外线遥控就是利用波长为0.761.5m之间的近红外线来传送控制信号的。图3 包装尺寸 图4 绝对最大额定值2.1.2 单片机PIC12F675芯片的原理单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。PIC单片机（Peripheral Interface Controller）是一种用来开发去控制外围设的芯片，由Microchip 公司生产出来的。PIC12F675是8引脚闪存8位CMOS单片机 。它由 定时/计数器模块，模数转换模块，比较器模块等模块组成，具有高性能的RISC CPU ，特殊单片机功能，低功耗功能，外设功能 等功能。图5 引脚示意图图6 引脚说明图7 内部结构框图我在本次设计中用到芯片的 各个引脚，存储器，定时器模块，模数转换模块。数据存储器（参见图8）被分成两个存储区，这两个存储区中包含通用寄存器和特殊功能寄存器。特殊功能寄存器位于每个存储区的前32 个单元中。寄存器中20h到5Fh 的存储单元是通用寄存器，它们以静态RAM 的形式实现并同时映射到两个存储区中。所有其它RAM均未用，且读取时返回值为0。RP0（STATUS）是存储区选择位。RP0 = 0 选择存储区0 ， RP0 = 1 选择存储区1图8 数据存储器 我在本次设计中 在红外信号的接收，自动断电功能的实现方面分别用到了此单片机的Timer0,Timer1模块。Timer0 工作原理Timer0是8位定时/计数器，通过清零T0CS 位（OPTION_REG）选择定时器模式。在定时器模式下，Timer0 模块在每个指令周期递增（不带预分频器）。如果对TMR0 执行写操作，在接下来的两个指令周期Timer0 禁止递增。当TMR0 寄存器定时器/ 计数器产生从FFh 至00h 的溢出时，产生Timer0 中断。此溢出将T0IF 位置位。可以通过清零T0IE 位（INTCON）来屏蔽该中断。在重新允许中断之前，必须在软件中用Timer0 模块的中断服务程序将T0IF 位（INTCON）清零。图9 TIMER0/WDT 预分频器的框图 Timer1 工作原理Timer1是16位定时器，在定时器工作模式下， Timer1 在每个指令周期进行递增计数。在计数器工作模式下Timer1 在外部时钟输入T1CKI 的每个上升沿进行递增计数。此外，计数器模式时钟可以与单片机系统时钟同步或异步运行。在计数器和定时器模块中，计数器/ 定时器时钟可通过T1G 输入引脚进行选通控制。如果需要外部时钟振荡器（且单片机正在使用不带CLKOUT 的INTOSC），Timer1 可以使用LP 振荡器作为时钟源。Timer1 寄存器（TMR1H:TMR1L）递增到FFFFh 时将翻转返回到0000h。当Timer1 计满回零时，Timer1 的中断标志位（PIR1）将置1。要使能计满回零时产生中断。Timer1 具有四个预分频器选项，允许对时钟输入进行1、2、4、或8 分频。T1CKPS 位（T1CON）对预分频计数器进行控制。对预分频计数器不能直接进行读写操作；但是，通过写入TMR1H 或TMR1L 可清零预分频计数器。 图10 Timer1 框图 图11 TIMER1 加计数边沿 模数转换器（A/D）模块 模数转换器（A/D）可以将模拟输入信号转换为表示该信号的一个10 位2 进制数。PIC12F675 有四个模拟输入通道，并复用到一个采样保持电路。采样保持电路的输出与模数转换器的输入相连。模数转换器通过逐次逼近比较产生二进制数，并将结果存入10 位寄存器。可用软件选择转换所使用的参考电压为VDD 或者是VREF引脚提供的电压。有两个用于控制A/D 模块功能的寄存器：ADCON0， ANSEL 。 ANS3:ANS0 位（ANSEL）和TRISIO 位控制A/D 端口引脚的操作。置位相应的TRISIO 位，可将引脚输出驱动器置为高阻态。同样，置位相应的ANS 位可禁止数字输入缓冲器。PIC12F675 上有4 个模拟通道（AN0 到AN3） 。CHS1:CHS0 位（ADCON0）控制哪条通道与采样保持电路相连。图12 AD 框图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 电路的工作原理本次设计主要由降压稳压电路，红外线接收电路，检测电路，MCU控制电路，通断电路等组成。2.2.1 红外线接收电路电路的接收部分用红外接收头（IRM-26 ），抗干扰电阻。电路的接收部分如下图13所示。图13 红外接收头的工作电压是5v直流电，三脚接降压稳压电路出来的5v电，二脚接地，一脚为输出端，接到单片机的IO口，收到遥控器发射的红外信号以后把信号送到单片机去，然后就可以开启继电器，电阻R12的作用是抗干扰信号。2.2.2 降压稳压电路我在本次设计的降压稳压电路部分用了电容降压原理 。电容降压的工作原理并不复杂，他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。 降压稳压电路由两部分组成，第一部分是先把220v交流电转换成24v直流电给继电器供电，第二部分是把24v转换成5v给单片机，红外接收头供电。第一部分是如下图14所示：图14上图所示的降压稳压电路是电容降压式简易电路，C1为降压电容器 ，D2为半波整流二极管，D3为稳压二极管（24v），R2，R3为关断电源后C1的电荷泄放电阻。通过这电路可以达到把220v交流电转换成24v的效果。第二部分如下图15所示：图15C5：电解电容，对稳压后的电压滤波,c3,c4贴片电容（0.1uf），滤波作用，R7放电电容，D4稳压二极管（5v）,通过这电路把24v转换成5v，然后给单片机，红外接收头供电。2.2.3 检测电路图16电阻R4跟回路上的负载相串联，R5的作用是保护作用（万一R4出问题就用R5来保护单片机烧坏），C2的作用是滤波，通过这电路单片机检测负载的电压。2.2.4 MCU控制电路 MCU控制电路就是用单片机来控制电路，如下图所示：图17控制电路用PIC12F675单片机，单片机的一脚接电源，8脚接地，6,7脚用来下载程序，7脚还接检测电路，通过AD转换来检测负载的电压，5脚与红外接收头的输出端相连，通过5脚来控制继电器的开启。2脚与通断电路相连，如果单片机检测的电压一直小于预设的阈值的话，通过把2脚置零来关掉继电器，从而达到自动断电的功能，4脚是复位。2.2.5 通断电路电路的最后一部分是通断电路，通过继电器来控制回路的通断，电路如下图所示：图18当单片机的2号脚没输出的时候，三极管Q1 的基极的电压为零，三极管的发射极输出为零，所以继电器的线圈没有电流，导致开关断开。 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。在继电器的45端反相接了一个二极管D1，这个二极管非常重要，线圈通电正常工作时，二极管对电路不起作用。当继电器线圈在断电的一瞬间会产生一个很强的反向电动势，这个二极管就是用来消耗反向电动势的，如果不加这二极管，反向电动势会直接作用在驱动三极管上，很容易将三极管烧坏。3. 系统的焊接与调试3.1 硬件电路部分的焊接我画好电路原理图，PCB图，然后做PCB板，然后就去老师那领取本次毕业设计中用的元器件，我在本次毕业设计中用到的元器件大部分是贴的，很少几个是插的那种，因为我以前用过的元器件都是插的那种的 ，对贴片的 电阻，电容，二极管，三极管等元件根本就不熟悉，所以我在领元器件之前经过上网查资料，和老师的帮助下对这些元器件慢慢熟悉起来了。3.1.1 在检测电路部分的电阻图19 水泥型绕线电阻器瓦以上。 3.1.2 降压稳压电路部分的元器件 图20 贴片电阻 图21 贴片电容重量轻图22 电解电容电解电容容量大、体积小，耐压高（但耐压越高，体积也就越 大），一般在 500V 以下。常用于交流旁路和滤波， 在本次设计中用作滤波。图23 稳压二极管图24 整流二极管 整流二极管主要用于整流电路，即把交流电变换成脉动的直流电。整流二极管都是面结型，因此 结电容较大，使其工作频率较低。一般为 3kHZ 以下。 3.2 调试3.2.1 降压稳压电路的调试我熟悉完各个元器件以后开始焊接电路了，第一部分焊了降压稳压电路部分，因为刚开始就接220v电来调试比较危险，所以我先没有接220v电，接了12v直流电进行了调试，我先焊了阻容降压电路把12v变换成5v电给红外接收头，单片机供电，焊完电路后我用万用表测各部分的电压是否正常，观察电路中有没有虚焊，短路的地方。要是有虚焊的地方，重新焊接了。3.2.2 调试单片机的AD采样模块因为我在设计中用的单片机PIC12F675自带AD转换模块的，但是不能仿真，AD转换的结果是否正确没有办法看。所以我用比较笨的办法验证了AD转换的结果是否正确。首先，我在降压稳压电路出来的5v电后面接了个电位器，然后接到单片机的IO引脚了。然后通过电位器改变电压在0-5v之间变化，用单片机的AD模块给这电压进行模数转换。刚开始我没有把继电器焊上去，在继电器线圈的两个引脚之间加一个灯，然后在程序里预设一个电压值，如果AD采样的电压小于这个值灯不亮，大于这个值灯就会亮，然后我慢慢的扭转电位器改变电压，电压改变刚好大于预设的电压值的时候灯就会亮，说明AD转换模块工作正常，刚好灯亮的那瞬间我就停止扭转，用万用表测这时候的电压，然后跟我程序里的设的电压值进行比较，看AD转换的结果是否正确，有多少误差。我每次比较完以后在程序里的电压值再修改，再进行比较，就这样比较了好几个值。下面是比较的结果：电位器的电压程序里的预设电压误差0.009v0.019v0.010v0.056v0.062v0.006v0.080v0.082v0.002v0.124v0.125v0.001v0.250v0.250v0v表1通过上述方法来验证单片机的模数转换模块是否正常工作，转换的结果是否正确，通过上述表格可以看出要采样的电压值越来越大AD转换的结果就越正确。3.2.3 调试红外接收模块因为本次设计中需要用红外遥控器来开启继电器的，但我调试的时候先用灯代替继电器，用遥控器来控制灯的亮灭。这个时候Timer0的作用是用来定时，因为遥控器发的红外信号是高低电平组成的。如下图25所示：图25 红外信号如果单片机的IO是低电平的话我用Timer0延时一定的时间，再判断单片机的IO是否为低电平，如果是低电平就让灯亮，通过这样的调试我对PIC单片机的Timer0模块的工作原理，使用方法有了更进一步的认识。3.2.4 Timer1 模块的调试调试当中，我用Timer1 模块来进行定时，从而控制灯的亮灭，我先程序里设先让灯亮起来，然后用Timer1 模块来定时一定的时间，这时间到了灯就灭，通过这样的调试我对PIC单片机的Timer1模块的工作原理，使用方法有了更进一步的认识。 4. 节能插座的软件设计程序主要由红外信号接收部分，AD转换部分，自动断电部分组成。4.1 红外信号接收部分因为本次设计中需要用红外遥控器来开启继电器使回路通电，首先，按红外遥控器的按键发送红外信号，然后红外接收头就收到遥控器发的红外信号，收到的信号接到单片机的IO口。程序里判断收到的信号如果是低电平的话延时一定的时间再次去判断，如果第二次单片机的IO口还是低电平的话，就认为收到的信号是遥控器发的信号而不是干扰信号。然后就使继电器开启，从而能达到用遥控器来开启节能插座的效果。4.2 AD转换部分单片机的AD转换模块一直对负载的电压进行AD采样，首先在程序里设置一个阈值电压，然后AD采样的结果与阈值电压相比较，如果AD采样的值大于电压阈值的话继续进行AD采样继续比较，如果小于阈值电压的话在存储器了计数。4.3 自动断电部分如果AD采样的结果小于阈值电压的话在存储器里计数，计数计到我一个数的时候，开始用Timer1定时器模块进行延时，等延时时间到了以后就关闭继电器，使回路断路，从而能达到自动断电的功能。程序流程如下图所示：图26 程序流程图5. 总结通过自己的努力和指导老师的帮助下，我做完了毕业设计。目前市场上的节能类产品的种类繁多，我这次毕业设计作品还不够完美。 总的来说，我只做到了最基本的要求，功能很少。我做出来的作品只能用红外遥控器来开启，不能用遥控器来关闭。需要改进的地方还是很多，在将来的研究过程中，我会做出功能更加齐全的节能插座。比如可以6. 参考文献1. 康华光 著，“电子技术基础模拟部分（第五版）”J，高等教育出版社;2. 曾庆贵 著，“集成电路版图设计”J，2008年2月第一版，机械工业出版社;3. 康华光、陈大钦、张林：电子技术基础模拟部分（第五版）J，2006年12月;4. 【美】Paul R.Gray Paul J.Hurst Stephen H.Lewis Robert G.Meyer 著，“模拟集成电路的分析与设计”J，2005年6月第一版，高等教育出版社;5.干学温 赵宝瑛 等著，“集成电路原理与设计”J，2006年6月第一版，北京大学出办社;6.阎石、清华大学电子学教研组：数字电子技术基础（第五版）J ，2006年12月;7.嵌入式系统工程设计 窦振中著J ， 工业出版社，2007年5月;8.赵争鸣,刘建政. 太阳能光伏发电及其应用M . 北京:科学 出版社,2005.;9.王长贵,王斯成. 太阳能光伏发电实用技术M . 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IC 总线应用系统设计M . 北京:北京航空航天大学出版社,1995.;7.致谢在完成终稿的今天，在敲完最后一个句号的时刻，我的思想同周围凝固的热气一样停驻了，不知道是慰藉还是悲伤，大学四年的生活就这样结束了，而眼前的路还很长，虽然似乎有些迷茫，但我必须整理心情，背上行囊，坚定的踏上新的征程。我第一个要感谢是我的导师谢建军老师，从最初的开题报告到文献翻译再到现在的毕业设计和毕业论文，我在谢老师身边学到了不少东西，他教会了我很多东西，不仅是专业方面的知识，还有以后在社会里的事，我感觉在短短的一个月里在他那里学到的东西比以前几年学过的东西还多，我很基础的知识都不知道问他的时候，他并没有生气反而很细心的帮我解释了。我有什么地方做错的时候他很细心的帮我指导纠正错误，诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文遥控节能插座设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 喀哈尔伊敏 2011年 11 月 19 日