畢業(yè)論文-紅外遙控家用電器智能節(jié)電器的設(shè)計

浙江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE 2-紅外遙控家用電器智能節(jié)電器的設(shè)計諸葛奕敏(自動化與電氣工程學(xué)院指導(dǎo)教師：項新建)摘要：隨著具有待機功能的家用電器的普及，其產(chǎn)生的功耗也成為家庭用電中的一大浪費。待機能耗是指機器在不使用的情況下，插頭還接在插座上有電流通過產(chǎn)生的功耗。電視機，空調(diào)，飲水機，微波爐等家用電器都會產(chǎn)生待機能耗。因為家電的工作電流和待機電流相差很大，所以可以通過測量流過家用電器的電流判斷電器的工作或待機狀態(tài)。本課題利用STC單片機來判斷并控制家用電器的工作或待機模式。在檢測到待機信號時，單片機控制繼電器開關(guān)，將電流切斷，家電完全斷電，消除了待機功耗，達到節(jié)能的目的。同時，單片機接收到紅外遙控信號后，閉合繼電器，重新給其通電，就可開啟電器。本文也論證了此研究的現(xiàn)實意義和實現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞：待機能耗；電流檢測；紅外線遙控；節(jié)能Abstract:Withthepopularityofelectricalappliancewithstandbyfunction,thestandbypowerconsumptionbecomesabigwaste.Standbypowerisproducedwhentheplugsstillisconnectingtothepowersourceswhenmachinestopsnormalwork.Television,air-conditioning,water-machine,microwavepotcancausesuchstandbypower.Asthereisbigdifferencebetweenstandbycurrentandworkingcurrent,workingorstandbymodecanbejudgedbymeasuringthecurrentflowingthroughappliances.STCsinglechipmicrocomputerisappliedheretojudgeandcontroltheworkingorstandbymode.Whendetectingstandbysignal,microcomputergivesstructuretorelayswitchtocutoffthecurrent,thenstandbypoweriseliminatedsoastorealizeenergysaving.Singlechipmachinecanalsorestartapplianceafterreceivinginfraredsignals.Thesignificanceandrealizationschemearealsodiscussedinthispaper.Keywords：Standbypower；electricitydetection；infraredcontrol；energysaving1前言進入二十一世紀(jì)，能源問題已經(jīng)越來越成為全世界關(guān)注的熱門問題。在我國能源問題也被提升到一個極重要的戰(zhàn)略高度上，在這個大背景下，建設(shè)節(jié)約型社會已經(jīng)成為了一種趨勢應(yīng)運而生。然而，還有某些能源的浪費沒有引起人們足夠的重視。比如待機能耗：是指機器在不使用的情況下，插頭還接在插座上有電流通過產(chǎn)生的功耗，這在我國還是一個比較新的概念。電視機，空調(diào)，飲水機，微波爐等家用電器都會產(chǎn)生待機能耗。對于許多人來說，并沒意識到這些家用電器會產(chǎn)生這種不必要的電能的浪費。各國因待機而消耗的能量越占能耗總數(shù)的3%至13%，而我國的待機能耗高于平均水平。以上海為例，如按每戶家庭待機能耗占其總用電量的10%，600萬戶家庭每戶20瓦能耗計，一個家庭一年就要浪費175千瓦時的電量，全市僅待機耗電每年越8億千瓦時。由此可見，待機能耗產(chǎn)生的浪費是驚人的[6]。實際上很多家用電器都是處在待機狀態(tài)中。此時，機器沒有任何的任務(wù)，但是卻消耗了電能。這完全是一種不必要的浪費。就拿微波爐來說，在沒有加熱食物時，就處于待機狀態(tài)，只有一個數(shù)字時鐘在耗電。可是，將加熱食物時的耗電量與數(shù)字時鐘的耗電量相比較，還是后者大。聽起來十分諷刺，但卻是事實。很多人都沒有意識到這些機器的沒有實現(xiàn)主要功能的時候在耗電。再比如空調(diào)，可以說是待機功耗很大的家用電器。盡管意識到這個問題，人們還是不愿意頻繁插拔插頭來減少看似微小的用電量。所以依靠人們自愿在不使用家用電器時將插頭拔出，肯定是不現(xiàn)實的。所以研究一種智能產(chǎn)品來代替人們切斷待機電流以降低這種不必要的浪費非常必要。90年代，美國的科學(xué)家們開始研究待機功耗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在發(fā)達國家，待機功耗平均占有整個居民或家庭用電的10%左右。于是，他們開始著手研究一些可以降低待機能耗的電源，目標(biāo)是將待機功耗降到1瓦特以下。許多國家已經(jīng)采用這樣的一些非強制性標(biāo)準(zhǔn)。澳大利亞還使用了強制法規(guī)使用待機功耗在1瓦特之內(nèi)的設(shè)備。在美國加州出售待機功耗3瓦特以上的電力設(shè)備是違法的[3]。說到此，我們還應(yīng)該關(guān)注到貿(mào)易出口的問題。很多國家都已經(jīng)明確規(guī)定待機功耗超標(biāo)的電氣設(shè)備是不能出口的。而我國的家電，如電視就遠遠不能滿足國外的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。這樣，很多產(chǎn)品就面臨不能出口到國外的局面。這對與我國的電子行業(yè)也是一個很大的打擊。就在2005年，向來以價格戰(zhàn)的中國電視機第一次面臨國外品牌挑起的價格戰(zhàn)而無力應(yīng)戰(zhàn)的尷尬局面；同時高能耗產(chǎn)品正面臨嚴(yán)重的國內(nèi)外市場壁壘。高于9瓦的電視機在2006年被強制撤市。然而這種政府的強制規(guī)定也引起了電子研究或生產(chǎn)商的反對，認(rèn)為這樣的舉動會限制電子設(shè)計方面的創(chuàng)新。認(rèn)為這種規(guī)則應(yīng)該是行業(yè)導(dǎo)向而非政府行為的。但是，由于待機能耗的確是一個不容忽視的能源浪費，在能源緊缺的形勢下，每個人都不能坐視不理。所以采用一種對家電本身設(shè)計沒有太高要求的方案應(yīng)該能起到兩全齊美的作用。這種智能節(jié)電器應(yīng)該是簡單易于操作，成本低，并且獨立于家電設(shè)備。這樣既能達到節(jié)能的要求，也不影響家電的正常功能。本課題旨在研究出一種可以切斷待機電流的智能節(jié)電器，避免家電長期處于待機狀態(tài)，消耗不必要的電能。采用的方案就是通過流過家電的電流大小來判斷家電的工作或待機狀態(tài)。盡管各種家電的型號功能不同，但是待機電流都明顯小于正常工作電流。所以就可以利用電流檢測裝置，如電流互感器等檢測家用電器的電流大小，將電流信號輸入單片機，利用單片機判斷待機或工作模式。當(dāng)判斷出家電處于待機模式下，智能節(jié)電器將延時一段時間，再重新判斷確定是否處于待機狀態(tài)，如果仍處于待機狀態(tài)，單片機就給繼電器指令自動切斷電器電流。這時，電器已經(jīng)處于完全斷電的狀態(tài)中。而只有微弱的電流通過此節(jié)電器，這樣，就可以明顯降低待機能耗。當(dāng)然，家電被切斷了電流，使用時還要開啟。由于電器完全斷電，以致家用電器接收紅外遙控信號的接收器也無法工作。那么就應(yīng)該通過控制節(jié)能器來給電器通電。因此，必須要給智能節(jié)電器安裝紅外線接收頭。經(jīng)過解調(diào)的信號進入單片機。單片機再對其解碼，再將閉合信號給繼電器。繼電器閉合，家電重新通電。這樣，就能使用原有的家用電器的遙控器來控制節(jié)能設(shè)備，開啟家用電器。簡便易操作。在家電進入待機狀態(tài)1分鐘之后，就會徹底退出待機模式，而完全斷電。這時，整個系統(tǒng)只有智能節(jié)電器在消耗的電能。消耗的電能要遠遠小于待機能耗，這樣才具有節(jié)能的意義。由于家用電器幾乎采用紅外遙控，所以遙控方式選擇紅外遙控。此外，要了解各種家用，如電視，空調(diào)，音箱，飲水機等電器的待機電流大小，從而以最大的待機電流作為判斷待機模式與否的依據(jù)?？偠灾悄芄?jié)電器具有自動功能，遙控功能，低能耗的特點，不需要改變家電的電路結(jié)構(gòu)，不需要改變遙控器的電路結(jié)構(gòu)，不改變用戶的操作方式。待機時芯片采用機械繼電器切斷家電的交流線路，啟動時能用遙控器操作。相當(dāng)于一個獨立的控制電源的設(shè)備。簡便易行，成本極低。2系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)電源電源智能節(jié)電器家用電器紅外遙控器圖2.1紅外遙控家用電器智能節(jié)電器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖圖2.1為紅外遙控家用電器智能節(jié)電器的整個工作系統(tǒng)。電源經(jīng)過智能節(jié)電器與家用電器相聯(lián)。對于電源，智能節(jié)電器相當(dāng)于用電體，本身帶有插頭與電源相連；而對于家用電器，它又相當(dāng)于普通插座，帶有插孔，家用電器的插頭就長期插于此接口中。當(dāng)家用電器處于正常工作狀態(tài)時，智能節(jié)電器就相當(dāng)于一根導(dǎo)線，電流順暢流入家用電器；當(dāng)家用電器處于待機模式時，節(jié)電器中的繼電器斷開，就起到切斷電源的作用。這時，沒有任何電流流過家用電器。當(dāng)家用電器從電源斷開后，需要時我們還要重新開啟。智能節(jié)電器也帶有紅外線接收頭，并有解碼功能程序，但是在此系統(tǒng)中，紅外線解碼功能并不是必須的。因為系統(tǒng)接收到紅外信號就可以開啟電器，而不必區(qū)別是那種紅外信號。所以，可以通過判斷是否出現(xiàn)高低電平來確定紅外信號的到來。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)繼繼電器家用電器紅外線遙控器檢測電流裝置紅外線接收頭HS0038STC12C5410單片機圖2.2紅外遙控家用電器智能節(jié)電器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示，整個系統(tǒng)由5部分組成。STC12C5410控制芯片作為微控制器。電流檢測裝置采用電流互感器做檢測元件，經(jīng)過整流進入單片機。由于STC12C5410單片機本身帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，在單片機內(nèi)部就可以A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，所以無需在外部再添加A/D轉(zhuǎn)換芯片，如ADC0809。紅外線遙控器是家用電器本來就帶有的，所以不在本系統(tǒng)的設(shè)計之內(nèi)。紅外線接收頭選用HS0038。HS0038不僅能完成對紅外信號的接收，還具有解調(diào)功能，經(jīng)解調(diào)的信號可以直接進入單片機解碼。單片機得到待機電流信號并進行一段時間的延時判斷確認(rèn)，控制繼電器使其斷開，這樣流過家電的待機電流就被完全切除了。當(dāng)單片機輸入紅外線信號時，就給繼電器動作信號，重新閉合，使家電通電。家用電器又恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。2.3交流電流檢測模塊系統(tǒng)設(shè)計的核心就是根據(jù)電流的大小來判斷家用電器的待機模式。所以交流電流的檢測是設(shè)計中的重要部分。各種不同型號、不同品牌的家用電器的待機電流都是不一樣的。但是有一個相同點，就是明顯小于家電正常工作時的電流。所以完全可以通過電流的大小來判斷家電的工作或待機狀態(tài)。2.3.1檢測方案論證檢測電流的方法有串聯(lián)電阻檢測法，霍爾元件和CT法。串聯(lián)電阻檢測電流法：簡單，精確，成本低。但是缺點是，如果檢測電阻上通過的電流較大，那么在產(chǎn)生的能耗就很大。而且，此法輸出信號小，需另加放大器。霍爾元件：簡單，但是成本高。CT法就是利用電流互感器：電流互感器檢測電流在保持良好波形的同時還具有較寬的帶寬，電流互感器還提供了電氣隔離，并且檢測電流小損耗也小?？紤]到電流互感器產(chǎn)生的損耗小，成本低，還能夠反映主電路中的電流,并能將控制電路與主電路隔離,從而提高安全性,降低干擾選擇其測量通過家用電器的電流[7]。2.3.2電流互感器原理電流互感器的構(gòu)造是由鐵芯、一次繞組、二次繞組、接線端子及絕緣支撐物等組成。其一次繞組的匝數(shù)較少，串接在需要測量電流的線路中，流過較大的被測電流，二次繞組的匝數(shù)較多，串接在測量儀表或繼電保護回路里[5]。它的工作原理和變壓器相似。電流互感器的特點是：(1)一次線圈串聯(lián)在電路中，并且匝數(shù)很少，因此，一次線圈中的電流完全取決于被測電路的負(fù)荷電流．而與二次電流無關(guān)；(2)電流互感器二次線圈所接儀表和繼電器的電流線圈阻抗都很小，所以正常情況下，電流互感器在近于短路狀態(tài)下運行。電流互感器的二次回路不允許開路。它在工作時，二次回路始終是閉合，接近短路狀態(tài)，一次電流所產(chǎn)生的磁化力大部分被二次電流所補償，總磁通密度不大，二次繞組電勢也不大。當(dāng)電流互感器開路時，二次回路阻抗無限大，電流等于零，一次電流完全變成勵磁電流，在二次繞組產(chǎn)生很高的電勢，威脅人身安全，造成儀表、保護裝置、互感器二次絕緣損壞。電流互感器的二次回路必須接地，以防止一次絕緣擊穿，二次串入高壓，損壞設(shè)備。電流互感器將整個瞬態(tài)電流，包括直流分量耦合到副邊的檢測電阻上進行測量。一、二次額定電流之比，稱為電流互感器的額定互感比：kn=I1n/I2n

因為一次線圈額定電流I1n己標(biāo)準(zhǔn)化，二次線圈額定電流I2n統(tǒng)一為5(1或0.5)安，所以電流互感器額定互感比亦已標(biāo)準(zhǔn)化。kn還可以近似地表示為互感器一、二次線圈的匝數(shù)比，即kn≈kN=N1/N2式中N1、N2為一、二線圈的匝數(shù)。由于各種家電的待機電流及各種品牌的家電待機電流都不一樣，現(xiàn)將主要具有待機功能的家電待機平均電流及待機功耗列出，如下表所示：在編寫中斷程序時，在這些家用電器當(dāng)中選出待機電流最大的作為判斷待機模式的依據(jù)產(chǎn)品平均待機功耗（W）平均待機電流（mA）空調(diào)3.0416電視機8.0736微波爐2.7812DVD13.3761VCD10.9750功放12.3556打印機9.0841表電流互感器選擇電流互感器的選用要考慮到多項數(shù)據(jù)：家用電器的正常工作電流，啟動電流，待機電流，單片機的分辨率以及單片機所能承受的電壓。以空調(diào)為例，2匹空調(diào)正常工作電流在6.8A左右，而三匹空調(diào)的正常工作電流在10A左右，而啟動電流則會達到0正常工作電流的6到8倍。根據(jù)下表的線性參數(shù)可得，三匹空調(diào)的輸出電壓會超過5V，這樣大的電壓是不能進入單片機的。所以應(yīng)在二次側(cè)接入穩(wěn)壓二極管，當(dāng)電壓大于5V時候，就無法進入單片機，以免損壞單片機。電流互感器還應(yīng)該感應(yīng)到幾十毫安的電流。考慮到以上要求系統(tǒng)選用RSCL-06電流互感器（RSCL-06currentmutual-inductor）一、用途：用于變頻空調(diào)等家用電器電流采樣。（用戶專用器件）二、技術(shù)參數(shù)：a）輸出特性：一次電流（A）2.557.51012.515輸出電壓（V）1.593.184.776.367.959.4表2.2測試條件：一次電流：正弦波（畸變小于1%）50Hz（±1%）測量用儀器輸入阻抗：10MΩb)互換精度：±3%c)環(huán)境溫度：－15℃～+d)絕緣電阻大于100MΩ500VDC(中線與繞組間)e)耐壓大于1KVAC/1分鐘(中線與繞組間)如以60mA為判斷待機電流的標(biāo)準(zhǔn)，那么二次側(cè)的電壓輸出將會是32.5mV。在單片機中，分辨率是2的十次方，也就是1024。5V/1024=5mV。2.5mV-7.5mV可以作為1輸出。以此類推，那么60mA經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將是8，用二進制表示即00001000。小于此值，都可認(rèn)為是待機電流。2.3STC12C5410AD單片機STC12C5410AD系列單片機是單時鐘/機器周期（1T），高速/低功耗/超強干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。工作電壓在5.5V–3.8V（5V單片機）工作頻率范圍在0–35MHz。片上集成512字節(jié)RAM。通用I/O口。外部中斷2路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷。一共2個16位定時器/計數(shù)器。A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路。通用全雙工異步串行口。本系統(tǒng)選用此單片機主要是由于其帶有的A/D轉(zhuǎn)換功能。這樣可以免去附加的A/D轉(zhuǎn)換芯片，從而簡化外部電路，并且可以節(jié)約成本。下圖為STC12C5410AD（有A/D轉(zhuǎn)換），20—Pin的管腳圖：圖2.3STC12C5410AD（有A/D轉(zhuǎn)換），20—Pin的管腳圖2.3.1在本系統(tǒng)中，此單片機主要完成四個功能：判斷家電的待機模式與工作模式：當(dāng)電流互感器檢測到待機電流，經(jīng)過放大器轉(zhuǎn)變成較大的電壓信號。信號經(jīng)過I/O口進入單片機。單片機首先對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)程序判斷為待機電流時，并不是馬上給繼電器指令，打開繼電器，使家電斷電，而是啟動延時程序，計時1分鐘之后再重新判斷是否還是待機電流，如確定流過家電的是待機電流，則給繼電器斷開信號。這樣家電就完全斷電，退出待機模式。如果1分鐘后流過家電的非待機電流，而是正常工作電流，單片機將不執(zhí)行任何任務(wù)。接收紅外信號，開啟家電：當(dāng)家電被完全切斷電流，就要解決重新開啟的問題。這同樣可以用紅外遙控來實現(xiàn)。當(dāng)一體化紅外接收頭接收到紅外遙控的開啟信號時，將此信號傳給INT0。單片機由此接到紅外解調(diào)信號，進行解碼。解碼完畢，可以通過給I/O口P3.5相應(yīng)的高低電平信號，從而可以控制晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)，從而控制繼電器觸點。延時功能：在家用電器工作時，單片機接收到待機電流信號的時候，不能立即給繼電器動作指令。而是應(yīng)該延時1分鐘之后再重新判斷家電還是否待機。若仍為待機信號，則確定家電已處于待機模式，那么就給繼電器斷開指令，切除待機電流。家電才完全斷電。延時通過一個循環(huán)子程序來實現(xiàn)。一般的51單片機不具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，而STC12C5410具有此功能。電流信號經(jīng)過整流，放大，轉(zhuǎn)化成電流信號后可以進入單片機P1口。單片機在內(nèi)部可以進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。再對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。在此將A/D轉(zhuǎn)換作一簡單說明。在微機檢測和控制系統(tǒng)中，很多被測量往往是模擬量。它們經(jīng)過預(yù)處理（放大，I/V轉(zhuǎn)換等）進入計算機之前必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量。2.3.2STC12C5410AD單片機的A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換的功能是把模擬量的電壓轉(zhuǎn)換為N位數(shù)字量電壓。輸入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量電壓是連續(xù)的。由于A/D轉(zhuǎn)換器完成一次性轉(zhuǎn)換需要一定時間，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換只能間斷地進行，因此輸出的數(shù)字量電壓是不連續(xù)的。稱為離散量。每個數(shù)字量都與每個采樣時刻的模擬量相對應(yīng)。相鄰兩個采樣的時間間隔稱為采樣周期。為了使輸出量能充分反應(yīng)輸入量的變化情況，采樣周期要根據(jù)輸入量變化的快慢來決定。顯然，一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間必須小于采樣周期。將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程稱為量化。數(shù)字量的最低位是最小有效數(shù)位1LSB。與此相對應(yīng)的模擬電壓稱為一個量化單位，如果模擬電壓小于此值，不能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。LSB表示A/D的分辨能力。STC12C5410AD系列帶A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.7—P1.0），有8路10位高速的A/D轉(zhuǎn)換器，上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口，可以將8路中的任何一路作為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的口繼續(xù)作為I/O口使用。作為A/D使用的口需要先將其設(shè)置為開漏模式或高阻輸入，在P1MO和P1M1寄存器中對相應(yīng)的位進行設(shè)置。在這里，將P1MO、P1M1設(shè)置為開漏。P1M0【7：0】地址：91hP1M0【7：0】地址：92hI/O口模式（P1.x如做A/D使用，需將其設(shè)置成開漏或高阻輸入00準(zhǔn)雙向口（傳統(tǒng)8051I/O口模式）01推挽輸出（強上拉輸出，可達20mA，盡量少用）10僅為輸入（高阻），如果該I/O口需作為A/D使用，可選此模式11開漏（opendrain），如果該I/O口需作為A/D使用，可選此模式表2.3ADC_CONTR特殊功能寄存器:A/D轉(zhuǎn)換控制特殊功能寄存器A/D轉(zhuǎn)換控制寄存器ADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHSO0XX0,0000表2.4CHS2CHS1CHS0模擬通道輸入選擇000選擇P1.0作為A/D輸入來使用001選擇P1.1作為A/D輸入來使用010選擇P1.2作為A/D輸入來使用011選擇P1.3作為A/D輸入來使用100選擇P1.4作為A/D輸入來使用101選擇P1.5作為A/D輸入來使用110選擇P1.6作為A/D輸入來使用111選擇P1.7作為A/D輸入來使用表2.5在本系統(tǒng)中，選擇P1.1作為A/D轉(zhuǎn)換口。ADC_START:模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換啟動控制位。設(shè)置為“1”時，開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后為0.ADC_FLAG:模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)束標(biāo)志位。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，ADC_FLAG=1,要由軟件清零。不管是A/D轉(zhuǎn)換完成后由該位申請產(chǎn)生中斷，還是由軟件查詢該標(biāo)志為A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，ADC_FLAG=1,一定要軟件清零。ADC_POWER:ADC電源控制位。0:關(guān)閉ADC電源；1：打開A/D轉(zhuǎn)換器電源。如果軟件設(shè)置進入空閑模式，ADC電源會自動關(guān)閉。啟動A/D轉(zhuǎn)換前要確認(rèn)AD電源已經(jīng)打開，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后關(guān)閉AD電源可降低功耗，也可以不關(guān)閉。初次打開AD轉(zhuǎn)換模擬電源，需適當(dāng)延時，等內(nèi)部模擬電源穩(wěn)定后，再啟動A/D轉(zhuǎn)換。參考電源是輸入工作電壓Vcc，所以一般不用外接參考電壓源。2.4紅外信號接收電路2.4.1紅外遙控器使用發(fā)光二極管發(fā)出紅外遙控信號，接收機用光電二極管而實現(xiàn)遙控。為防止陽光及日光燈的干擾，發(fā)光二極管發(fā)射的紅外線采用先進紅外線，同時紅外接收器在光電二極管的前面加濾光器。另外為了能在較寬的范圍內(nèi)準(zhǔn)確地實現(xiàn)遙控，紅外遙控器采用兩只間隔一定距離的發(fā)光二極管，形成面發(fā)射形式。為提高遙控靈敏度，增加遙控距離，要求紅外線接收器應(yīng)有足夠的放大量和動態(tài)范圍。為進一步實現(xiàn)遙控的準(zhǔn)確行，減少干擾造成的誤動作，紅外遙控信號還采用了較復(fù)雜的遙控信號及遙控方式。在發(fā)送端用數(shù)字信號進行二次調(diào)節(jié)，接收端通過微處理機進行解碼實現(xiàn)遙控，從而使遙控器的準(zhǔn)確行及抗干擾能力得到提高。具有體積小，功耗低，成本低且不影響周圍環(huán)境，不干擾其它電器設(shè)備的特點。2.4.2紅外遙控系統(tǒng)主要由遙控發(fā)射器、一體化紅外接收頭、單片機、接口電路組成。遙控器用來產(chǎn)生遙控編碼，驅(qū)動紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號，遙控接收頭完成遙控信號的放大、檢波、整形、解調(diào)出遙控編碼脈沖。遙控編碼脈沖是一組串行二進制碼，對于一般的紅外遙控系統(tǒng)，此串行碼輸入到微控制器，由其內(nèi)部CPU完成對遙控指令解碼，并執(zhí)行相應(yīng)的遙控功能。使用遙控器作為控制系統(tǒng)的輸入，需要解決如下幾個關(guān)鍵問題：如何接收紅外遙控信號；如何識別紅外遙控信號以及解碼軟件的設(shè)計、控制程序的設(shè)計。2.4.3盡管本系統(tǒng)不需要另外設(shè)計紅外線發(fā)射器（使用家電原配的遙控器實現(xiàn)發(fā)射功能），然而考慮到紅外接收及解碼，仍需對紅外信號發(fā)送原理作一簡單說明。紅外遙控信號不是用高電平或低電平來表示“1”或“0”的，而是通過脈寬來表示的，對于二進制信號“0”，一個脈沖占1.2ms；對于二進制信號“1”，一個脈沖占2.4ms，而每一脈沖內(nèi)低電平均為0.6ms。紅外線發(fā)送端將待發(fā)送的二進制信號編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號,通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。信號的發(fā)射器一般由指令鍵、指令編碼電路、調(diào)制電路、驅(qū)動電路、發(fā)射電路等幾部分組成[1]。如圖2.4所示,當(dāng)按下時,指令編碼電路產(chǎn)生相應(yīng)的指令編碼信號,編碼指令信號對載體進行調(diào)制,再由驅(qū)動電路進行功率放大之后由發(fā)射電路向外發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的指令編碼信號。指令鍵發(fā)射電路指令鍵發(fā)射電路編碼電路調(diào)制電路驅(qū)動電路圖2.4紅外信號發(fā)射示意圖紅外編碼體制規(guī)律是這樣的：一次按鍵動作的遙控編碼信息包含一引導(dǎo)脈沖和32位串行二進制碼。前16位碼為用戶碼，不隨按鍵的不同而變化。它是為了表示特定用戶而設(shè)置的一個辨識標(biāo)志，以區(qū)別不同機種和不同用戶發(fā)射的遙控信號，防止誤操作。后16位碼隨著按鍵的不同而改變，是按鍵的識別碼。前8位為鍵碼的正碼，后8位為鍵碼的反碼。圖2.5為紅外線編碼發(fā)送的過程說明：圖2.5紅外編碼發(fā)送示意圖2.4.41）紅外信號的接收：對紅外線的接收就是將紅外光轉(zhuǎn)換成TTL信號的過程。用來接收紅外信號的也是一種二極管,同可見光光敏二極管相比,其特點就是對紅外信號敏感,當(dāng)它們處在反向偏置狀態(tài)時,反向電流隨著受到的紅外信號強度的增強而上升.最近幾年大多使用一體化紅外接收頭.一體化紅外接收頭的封裝大致有兩種:一種采用金屬屏蔽;一種是塑料封裝.均只有3只引腳,即電源正(VDD),電源負(fù)(GND)和數(shù)據(jù)輸出(VO或OUT),不過每種封裝又分大小.一體化紅外接收頭的優(yōu)點是不需要復(fù)雜的調(diào)試和外殼屏蔽,使用起來如同一只晶體管,非常方便,但在使用時注意成品紅外接收頭的載波頻率.紅外遙控最常用的載波頻率為38KHZ,這是由于發(fā)射端使用的455KHZ晶振所決定的,一體化紅外接收頭由于不可以調(diào)整,所以能夠接收的頻率是固定的,增益的調(diào)整也不再通過外部電路實現(xiàn),而是在內(nèi)部使用了增益自動控制(AGC)電路.它同時對信號進行放大、檢波、整形,得到TTL電平的編碼信號,再送給單片機,經(jīng)單片機解碼并執(zhí)行,去控制相關(guān)對象。本系統(tǒng)采用HS0038紅外線接收頭，如圖2.5它可以完成對紅外線信號的解調(diào)。頻率為38kHZ,周期約為26微秒。HS0038的外部結(jié)構(gòu)如圖2.6所示,1腳GND接電源地,2腳VCC接+5V,3腳OUT為數(shù)據(jù)輸出端(TTL電平,反相輸出),可直接與單片機相聯(lián)。圖2.6HS00382）紅外信號的解碼：幾乎所有遙控器的輸出都是用編碼后的串行數(shù)據(jù)對38kHZ到40kHZ的方波進行脈沖幅度調(diào)制而產(chǎn)生的。如果直接對已調(diào)波進行測量，由于單片機的指令周期是微秒級，而已調(diào)波的寬度只有20微秒，會產(chǎn)生很大的誤差。因此要現(xiàn)對已調(diào)波進行解調(diào)，對解調(diào)后的波形進行測量。下圖是HS0038對紅外線信號的一個解調(diào)過程。紅外遙控發(fā)射器將經(jīng)調(diào)制過的信號以上圖C波形式發(fā)送，經(jīng)過HS0038解調(diào)，輸出波形E。接下來，二進制信號的解碼由接收單片機來完成,它把紅外接收頭送來的二進制編碼波形(圖2.7中波形E)通過解碼還原出發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。圖2.7紅外接收頭解調(diào)波形圖2.5開關(guān)繼電器本系統(tǒng)中采用開關(guān)繼電器作為控制家用電器電流的器件。在微機控制系統(tǒng)中，微機要通過一定的通道輸入/輸出各種控制信號，使被控制裝置實現(xiàn)所要求的操作，而對開關(guān)量的控制得到了大量應(yīng)用。這些開關(guān)量一般經(jīng)過微機的I/O口輸出，而I/O口的驅(qū)動能力有限，一般不足以驅(qū)動一些電磁執(zhí)行器件。如繼電器，需要加接驅(qū)動接口電路?？梢赃\用晶體管。由于晶體管的放大作用，其輸入電流一般只有輸出電流的幾十分之一。采用晶體管驅(qū)動，電路簡單，所用晶體管按需要的功率來選定。晶體管是用來導(dǎo)通繼電器的（因為單片機無法直接驅(qū)動繼電器）。由單片機I/O口先提供基極信號，接到繼電器的控制模塊上。當(dāng)單片機接到紅外信號的時候，給I/O低電平信號，此時，晶體管導(dǎo)通，繼電器通電，控制觸點，開關(guān)閉合。當(dāng)單片機接收到待機電流信號，I/O口輸出高電平，晶體管截止，繼電器斷電，開關(guān)打開。這樣，就完成了對開關(guān)的控制。開關(guān)電路如下圖所示：圖2.8繼電器開關(guān)電路根據(jù)以上要求，設(shè)計出系統(tǒng)的總體電路圖圖2.9系統(tǒng)硬件電路圖3系統(tǒng)軟件程序設(shè)計系統(tǒng)編程采用模塊化設(shè)計。以主程序為核心設(shè)計了多功能模塊子程序，使大量的功能在子程序中實現(xiàn)，簡化了設(shè)計結(jié)構(gòu)。運行過程中主程序調(diào)用多功能模塊子程序，流程圖如下圖所示。初始化用來設(shè)定系統(tǒng)的I/O口，定時器以及初始化數(shù)據(jù)。軟件主要完成三個功能模塊：待機模式判斷程序，延時程序和紅外接收解碼程序。下圖為單片機電流檢測的程序流程圖：工作流程包括以下3個部分：系統(tǒng)初始化，人工延時狀態(tài)，穩(wěn)定在節(jié)電狀態(tài)。檢測裝置測到家電的電流信號檢測裝置測到家電的電流信號電流仍小于待機60mA?斷開繼電器家電完全斷電，節(jié)電狀態(tài)延時1分鐘繼電器不動作家電繼續(xù)正常工作YN系統(tǒng)初始化電流小于60mA?YN圖3.1電流檢測程序流程圖下圖為單片機接收到紅外線開啟信號的程序流程圖：接收接收紅外信號，進入中斷對紅外信號解碼繼電器閉合重新開啟家電中斷返回圖3.2紅外線接收程序流程圖當(dāng)智能節(jié)電器需要退出節(jié)電狀態(tài)，即重新給家電通電時，需要用紅外遙控器來開啟。當(dāng)單片機從中斷口INT0接收到紅外信號時，給P3.5口低電平信號。此后，晶體管導(dǎo)通，繼電器通電，觸點閉合。重新給家電通電。由于單片機在接收到紅外信號只執(zhí)行這一個功能。所以，在正常使用家電情況下，是不用擔(dān)心紅外遙控正常功能與此產(chǎn)生沖突。3.1系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化用來設(shè)置一些I/O口，初始化數(shù)據(jù)。#include<REG51.h>#include<stdio.h>#defineADC_CONTBYTE[0x0C5]#defineADC_DATABYTE[0x0C6]#defineP1M0BYTE[91H]#defineP1M1BYTE[92H]#defineucharunsignedchar#defineTMP_CURRENT_VALUE80H//P11電流互感器中間值#defineSTOP_CONTRAL_CODE00Hsbitrelay_swich=P3^5;//繼電器開關(guān)sbitir_receive=P3^2;ucharADC_10_ON0E0Hchardecode_error=03.2延時程序由于在本系統(tǒng)中，對于延時的精度要求并不高，所以延時程序通過執(zhí)行若干條指令來完成。本系統(tǒng)要求延時1分鐘，也就是60，000ms.在使用12MHZ晶振時，單片機執(zhí)行一條指令的時間是1us。所以，需要執(zhí)行60，000，000條指令。采用循環(huán)嵌套，可以實現(xiàn)一分鐘的循環(huán)。voiddelay(chartime)//分延時{chari,j,k;while(time--)for(i=1000;i>=0;i--)for(j=1000;i>=0;i--)for(k=60;i>=0;i--);}voiddelayms(chartime)//分延時{while(time--);}voidinterrupt0()interrupt0//使用中斷0{relay_swich＝1；}/*********************************************************************/3.3A/DvoidADC_INIT(void){ADC_CONT=ADC_CONT|80H;//ADC打開內(nèi)部模擬電源delayms(200)P1M0=P1M0|07H;//設(shè)置端口為開漏P1M1=P1M1|07H;}//設(shè)置端口為普通模式voidSET_NORMAL_IO(void){P1M0=0;P1M1=0;}//設(shè)置端口為A/D轉(zhuǎn)換通道voidADC_SET_CHANNEL(ucharADC_P1x_ON){ADC_CONT=ADC_P1x_ON;delay(100);}ucharADC_GET_RESULT(void){ucharresult;ADC_DATA=0;//結(jié)果寄存器清零ADC_CONT=08H;//啟動for(!(ADC_CONT&10H));ADC_CONT=ADC_CONT&E7H//清零ADC_FLAG,ADC_START,停止A/D轉(zhuǎn)換result=ADC_DATA;returnresult;}/********************1.檢測電流*********************************/如果返回0，則表示電器處于待機狀態(tài)charGet_current_value(void){uchartmp;ADC_SET_CHANNEL(charADC_10_ON);tmp=ADC_GET_RESULT();if(tmp<TMP_CURRENT_VALUE)return0;reture-1;}3.4紅外解碼程序下面以SH5104為例分析一下解碼的思路：紅外線發(fā)送是采用脈寬調(diào)制編碼方式，很明顯的一點是“0”與“1”的高低電平寬度是不一樣的，如下圖所示：圖3.3邏輯“0”與邏輯“1”對邏輯“0”而言，高電平時間為422us,低電平時間為1266us,對邏輯“1”則是低電平時間為422us,高電平時間為1266us，但要注意的是接收到的信號是發(fā)射信號的反相電平?，F(xiàn)在只要知道高低電平的時間就可以判斷出是“0”還是“1”，所以我決定采用定時器計數(shù)的方式來測量時間，因為在12MHZ晶振的時候，定時器加1就是1us,SH5104幀與幀之間有4位的間隔，即6.75ms，也就是說在大概7ms內(nèi)沒有信號收到就表示當(dāng)前的數(shù)據(jù)幀已經(jīng)接收完畢。流程圖如下：圖3.4紅外線解碼流程圖/********************2.紅外線解碼*********************************/unsignedcharSH5104_read_code_8(void){ unsignedchartemp=0; unsignedchari; TH1＝0;TL1=0;TR1=1; for(i=0;i<8;i++) { temp=temp>>1; while(ir_receive==0);//等待高電平測試結(jié)束 TR1=0;//高電平測試結(jié)束 high_level_time=TH1*256+TL1;//保存測試結(jié)果 TH1＝0;TL1=0;TR1=1;//啟動對低電平的測試 while(ir_receive==1) { if(TH1>0x1e){decode_error=1;return-1;}//若超過6.75ms則出錯返回 } TR1=0;//低電平測試結(jié)束 low_level_time=TH1*256+TL1;//保存低電平數(shù)據(jù) TH1=0;TL1=0;TR1=1; if((high_level_time>1300||high_level_time<400)||(low_level_time>1300||high_level_time<400)) { decode_error=1; return-1; }//如果電平長度在不合理范圍內(nèi)，則認(rèn)為出錯 if((high_level_time<1300)&&(high_level_time>400))temp=temp&0x7f; if((low_level_time<1300)&&(low_level_time>400))temp=temp|0x80; } returntemp;}charHW_test(void)//紅外檢測{ chartmp; tmp=SH5104_read_code_8(); if(decode_error==1)return-1; if(tmp!=STOP_CONTRAL_CODE)return0;//檢測到的任意碼，即非停止按鍵 return-1;}/***************************主程序*********************************/main(){ ADC_INIT();//啟動ADC IE=FFH; TCON=TCON|02H; while(1) { if(!Get_current_value())//如果檢測到電流小于限定電流，則返回0進入if { delay(5); if(!Get_current_value())//再次檢測電流是否小于限定電流 if(HW_test())//如果HW_test()返回零代表開啟繼電器 relay_swich＝0；//關(guān)閉繼電器，繼電器應(yīng)為常開型 } delay(1); } SET_NORMAL_IO();//結(jié)束檢測，設(shè)置端口為普通模式}5總結(jié)從2007年3月份開始，我著手課題的研究，到今天論文的完成；從最初的茫然，到完整清晰的設(shè)計思路，中間的過程是曲折而又令人難忘的。今年二