新型智能空氣開關(guān)

摘 要：對(duì)于各種電器，人們并沒有及時(shí)關(guān)機(jī)的意識(shí)，導(dǎo)致許多電器在人離開后依然處于待機(jī)狀態(tài)。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種單片機(jī)控制的空氣開關(guān)，實(shí)現(xiàn)在家中無(wú)人或者辦公室下班時(shí)相關(guān)支路電器的斷電，避免由于人的疏忽而使一些處于待機(jī)狀態(tài)的電器帶來的電能浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；傳感器；空氣開關(guān)；步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)：TM564；TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 16-0000-02

傳統(tǒng)的空氣開關(guān)不能實(shí)現(xiàn)人走斷電的功能，酒店插卡式取電開關(guān)不具備過流保護(hù)的作用，取電插卡的同時(shí)持續(xù)耗電，且取電開關(guān)控制整個(gè)線路，人員進(jìn)出頻繁容易觸碰而帶來不便。

新型空氣開關(guān)，通過“門反鎖（室內(nèi)無(wú)人）/門開啟（室內(nèi)有人）”的信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換、單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切斷/接通室內(nèi)待機(jī)電器的電路，有效避免電器長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)。

一、設(shè)計(jì)方案

信號(hào)流程為：門鎖動(dòng)作信號(hào)→傳感器→單片機(jī)→步進(jìn)電機(jī)→傳動(dòng)控制裝置→空氣開關(guān)。整個(gè)裝置分為電路部分和機(jī)械部分設(shè)計(jì)。

（一）電路部分設(shè)計(jì)

如圖1所示。

1.單片機(jī)選型

本設(shè)計(jì)采用MSP430F169作為微處理器。MSP430F169是TI的MSP430F1x系列（FLASH存儲(chǔ)器型）單片機(jī)中功能最強(qiáng)的子系列，有一種活動(dòng)模式和5種低功耗模式，并且各種模式間可以自由切換，最優(yōu)化延長(zhǎng)電池壽命以利于便攜式的測(cè)量應(yīng)用。

2.單片機(jī)輸入電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中的感應(yīng)部件選擇為磁電開關(guān)，減少開關(guān)的磨損，增大壽命。輸入信號(hào)最終會(huì)以開關(guān)形式輸入到單片機(jī)，如圖2。

圖2 單片機(jī)輸入電路圖

開始時(shí)，支路未接通，通過電容輸入到單片機(jī)上的電平為高電平；當(dāng)門反鎖時(shí)，磁電開關(guān)靠近觸點(diǎn)，輸入到單片機(jī)上的電平由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑔纹瑱C(jī)按照已經(jīng)編好的程序進(jìn)行工作。

3.單片機(jī)輸出電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用直接耦合的輸出電路，如圖3。

圖3 單片機(jī)輸出電路

設(shè)計(jì)中，由T1來推動(dòng)T2。當(dāng)單片機(jī)工作時(shí)，輸入給T1的為高電位，T1導(dǎo)通。在R4、R5的串聯(lián)電路中產(chǎn)生電流，在R4上的分壓大于T2晶體管的基射結(jié)壓降，促使T2導(dǎo)通，電源2提供了功率管T2的基極電流，使T2變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。

單片機(jī)停止工作時(shí)，輸入T1為低電平，T1截止，R4上壓降為零，T2截止，整個(gè)輸出電路不再耗電。

（二）機(jī)械部分設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須使驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不能影響開關(guān)已有的功能。在絲桿滑臺(tái)機(jī)構(gòu)上加一凹槽，來控制開關(guān)的運(yùn)動(dòng)，如圖4。步進(jìn)電機(jī)接到單片機(jī)的輸出電路上，由單片機(jī)控制其工作。

圖4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

機(jī)械控制機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)過程分為：扳動(dòng)開關(guān)和復(fù)位。門信號(hào)到來前，步進(jìn)電機(jī)工作前，開關(guān)處于閉合或斷開。當(dāng)門控信號(hào)到來的時(shí)候，主控單片機(jī)根據(jù)信號(hào)判斷門反鎖/開鎖，并做出反應(yīng)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。

2.主要參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）絲桿與滑臺(tái)尺寸

普通家用空氣開關(guān)的撥動(dòng)范圍寬度為20mm，選用滑塊兩撥桿之間的距離為40mm，螺桿總長(zhǎng)度為150mm。

（2）電機(jī)

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力要保證能提供空氣開關(guān)撥動(dòng)時(shí)所需的最大力，通過彈簧測(cè)力計(jì)實(shí)測(cè)空氣開關(guān)驅(qū)動(dòng)過程中的最大力為20N，考慮摩擦力，且μ≤0.2，滑塊質(zhì)量為2kg，選用的絲桿的螺距為L(zhǎng)=5mm。

其中：F-μmg≥20N，F(xiàn)*L=T*2π*η。

查資料得：η=30%～40%，取η=30%，步進(jìn)電機(jī)需要提供的力矩T=0.064Nm

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為40r/min，則P=T·ω=0.268W。

根據(jù)所求得力矩選用28YBJ-48步進(jìn)電機(jī)。

（3）工作原理

完成設(shè)計(jì)后，作品三維圖如圖5。

圖5 節(jié)能空氣開關(guān)三維圖

1）當(dāng)人長(zhǎng)時(shí)間離開時(shí)，門反鎖，磁電開關(guān)靠近觸點(diǎn)，電路接通。此時(shí)，輸給單片機(jī)的電位由高電位變成低電位，單片機(jī)開始按照編號(hào)的程序工作。步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī)控制，開始帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)。滑塊由中間位置開始運(yùn)動(dòng)，將空氣開關(guān)斷開，處于待機(jī)狀態(tài)的電器停止工作。而后，螺桿旋轉(zhuǎn)，復(fù)位至中間位置，單片機(jī)按照設(shè)定的時(shí)間停止工作，整個(gè)電路不再耗電。

2）當(dāng)門鎖打開時(shí)，磁電開關(guān)離開觸點(diǎn)，輸給單片機(jī)的電位由低變高，單片機(jī)受激發(fā)開始控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿滑塊機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)，將空氣開關(guān)撥至閉合狀態(tài)，空氣開關(guān)所控制的支路有電。此后，螺桿正轉(zhuǎn)，復(fù)位至中間位置，單片機(jī)按照設(shè)定的時(shí)間停止工作，電路仍處于不耗電狀態(tài)。

二、結(jié)束語(yǔ)

本開關(guān)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景和十分可觀的節(jié)能環(huán)保效益，保留空氣開關(guān)分?jǐn)嚯娐贰⒍搪愤^載及欠電壓保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，通過門反鎖-斷電，門開啟-通電，實(shí)現(xiàn)“無(wú)意識(shí)”的斷電節(jié)能，且不需要改變已有電路，推廣性強(qiáng)。以后，還可以設(shè)想添加小發(fā)電機(jī)和蓄電池，利用開關(guān)門發(fā)電，不需外加電源，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱海.家庭智能化開關(guān)系統(tǒng)——AD2000[A].海峽兩岸第八屆照明科技與營(yíng)銷研討會(huì)專題報(bào)告文集[C]，2001.

[2]張杭.智能化開關(guān)電器及相關(guān)技術(shù)[A].智能化開關(guān)電器及其應(yīng)用文集（第一集）[C].江蘇省電工技術(shù)學(xué)會(huì)，1998.

[3]馮濤，張杭，王建華.電器的智能化與智能化電器系統(tǒng)[D].西安交通大學(xué)，2003.

[4]蔣有立，劉元洪，董華銀.微控制器在智能化電器中的應(yīng)用[J].機(jī)床電器，2002（06）.

[5]賴成瑜，尹凱.智能化開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2007（04）.

[6]張永文.對(duì)發(fā)展我國(guó)智能化電器的幾點(diǎn)建議[A].中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)低壓電器專業(yè)委員會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)低壓電器專業(yè)委員會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)，1998.

[作者簡(jiǎn)介]余航（1993.01-），男，湖北鄂州人，本科在讀，研究方向：水利水電。