關(guān)于具有自動(dòng)斷電保護(hù)功能的交流電源連接裝置的設(shè)計(jì)

摘要：很多時(shí)候，當(dāng)人們離開用電場(chǎng)所由于沒有及時(shí)切斷電源，會(huì)造成電能的浪費(fèi)甚至引發(fā)火災(zāi)事故。所以，運(yùn)用較為成熟的紅外感應(yīng)及無線收發(fā)射技術(shù)，在電源與用電設(shè)備之間，研究設(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)斷電保護(hù)功能的交流電源連接裝置。經(jīng)過實(shí)際試用表明，這種連接器確有節(jié)電保安效果，具有實(shí)際推廣應(yīng)用的價(jià)值。

?引言

電力，是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中最為重要的能源，是國民經(jīng)濟(jì)及廣大人民日常生活不可缺少的東西。但能源有限，電來之不易，2008年冰凍災(zāi)害，更讓人們深切感受到電能在日常生活中所發(fā)揮的巨大作用。在享受電給人們生活帶來無限樂趣和提供巨大方便的同時(shí)，不能忽視由于疏忽大意或使用不當(dāng)而造成的浪費(fèi)和帶來的災(zāi)難。在倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)的今天，在進(jìn)一步提高人們安全用電知識(shí)、培養(yǎng)人們節(jié)約用電意識(shí)的同時(shí)，研究設(shè)計(jì)用電設(shè)備安全節(jié)能、減少浪費(fèi)等方面的裝置，具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際推廣應(yīng)用的價(jià)值。人們?nèi)粘Ｉ钪?，多種用電設(shè)備要通過導(dǎo)線、移動(dòng)式插頭、插座與電源延長連接，有不少用電設(shè)備，如空調(diào)、飲水機(jī)、電暖器具及某些照明場(chǎng)所，沒有人在的時(shí)候，是不需要連續(xù)供電的。那么，也就可以研究設(shè)計(jì)基于人體感應(yīng)技術(shù)、用于電源與用電設(shè)備之間相連接的裝置，使之具有人離電斷的功能，從而實(shí)現(xiàn)減少用電浪費(fèi)、達(dá)到提高用電安全的目的，也符合當(dāng)今世界倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)的主題。

1 基本設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）當(dāng)室內(nèi)有人，且在選定的空間范圍（如辦公室、客廳）內(nèi)間歇地活動(dòng)時(shí)，該裝置能保證正常供電，使用電設(shè)備正常、連續(xù)、穩(wěn)定的工作。

（2）當(dāng)人離開某些用電空間范圍后，裝置可在一定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)關(guān)閉電源。（如5分鐘、8分鐘、10分鐘等，可以選擇。依據(jù)試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)和分析可知，大部分用電設(shè)備在無人狀態(tài)時(shí)，最好能在15分鐘內(nèi)斷電）

（3）可作為某些用電設(shè)備的附屬裝置。也可制作成通用型用電設(shè)備連接器，既可連接單相交流電，也可以用于三相交流電源的連接。

（4）要有斷電自鎖保護(hù)功能。

（5）依據(jù)本設(shè)計(jì)的基本原理，可以設(shè)計(jì)應(yīng)用到大中專院校教室、實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)的總開關(guān)接線盒或控制器上。

2 總體結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成示意如圖1所示。

從圖l可知，系統(tǒng)分成了兩個(gè)彼此獨(dú)立

的部分，即感應(yīng)人體信號(hào)、經(jīng)處理后實(shí)現(xiàn)信號(hào)的間隔發(fā)射部分，和接收處理后與插座連接的部分。其中感應(yīng)與間歇發(fā)射部分，可設(shè)計(jì)制作成一個(gè)小巧、且具有一定藝術(shù)造型的裝飾品，放置于室內(nèi)人員相對(duì)固定的場(chǎng)所旁邊，如辦公桌、飲水機(jī)、空調(diào)等處。考慮到人體紅外感應(yīng)接收人體信號(hào)的范圍和方向性，系統(tǒng)應(yīng)用了雙PIR探頭，同時(shí)運(yùn)用了無線收發(fā)射技術(shù)。這樣，能在一定的室內(nèi)空間范圍實(shí)現(xiàn)全方位控制。避免出現(xiàn)死角，從而準(zhǔn)確保證只要有人在這樣一個(gè)一定空間范圍內(nèi)，就能保證穩(wěn)定連續(xù)的供電。

3 主要電路原理簡介

3．1 感應(yīng)發(fā)射部分

該部分由人體紅外感應(yīng)模塊、自鎖延時(shí)電路、無線發(fā)射電路三部分組成，如圖2所示。

人體感應(yīng)與放大電路：采用了深圳拓安達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的TAD-838A紅外感應(yīng)模塊，去掉光敏器件后直接使用。

自鎖延時(shí)電路：主要運(yùn)用了RC延時(shí)原理。當(dāng)人體紅外接收模塊感應(yīng)到人體信號(hào)后產(chǎn)生高電平信號(hào)輸入繼電器1的4腳。并由常閉端6輸出。經(jīng)三極管放大，帶動(dòng)繼電器2工作，繼電器2左側(cè)的常開腳8得電，接通無線發(fā)射部分發(fā)射信號(hào)；繼電器2右側(cè)的常開腳13也得電，使得電容C1迅速充電，并經(jīng)放大三極管放大接通繼電器1，從而又?jǐn)嚅_繼電器1的常閉腳4、6，此時(shí)，人體紅外線接收模塊的信號(hào)對(duì)電路不起作用。這時(shí)繼電器2也斷開，電容C2由可調(diào)電阻R3緩慢放電維持繼電器1的閉合狀態(tài)。繼電器2的通斷在瞬間完成，即瞬間觸發(fā)了無線發(fā)射部分，接下來由RC保持自鎖一段時(shí)間（該時(shí)間可調(diào)），也就是繼電器2不工作，在這段時(shí)間內(nèi)即使紅外模塊感應(yīng)到人體熱量也不會(huì)觸發(fā)無線發(fā)射部分，所以能起到……

無線發(fā)射電路：電路由左邊延時(shí)部分觸發(fā)接通。電路由CD4069六反相器中的A、B、電阻R5、晶振組成高頻振蕩器，C、D、E、F分別組成整形及驅(qū)動(dòng)電路，信號(hào)經(jīng)三極管9018放大，再經(jīng)L2、C1、C4諧振后向空中發(fā)射。

3．2 接收控制部分

（1）無線接收電路：與其配套的無線接收電路如圖3所示。

當(dāng)接收到信號(hào)后，經(jīng)過放大處理，在圖3的信號(hào)輸出端輸出高電平，該端口連接接收控制部分的信號(hào)處理延時(shí)電路，觸發(fā)延時(shí)。即可通過無線收發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)間接感應(yīng)觸發(fā)，達(dá)到全方位多角度、更可靠地保證電源的接通。

（2）紅外感應(yīng)與信號(hào)處理電路：電路如圖4所示。

本設(shè)計(jì)參考了溫州市龍灣求精開關(guān)廠、深圳市拓安達(dá)電子有限公司等廠家生產(chǎn)的有關(guān)人體紅外感應(yīng)開關(guān)電路，采用紅外感應(yīng)信號(hào)處理芯片CSC9803。電路主要包括了電源電路、人體熱釋電紅外線傳感器、信號(hào)處理芯片、控制及執(zhí)

行電路等部分。電源電路通過阻容（R15和C12）降壓，并經(jīng)過D1、D2整流，將220 V交流電轉(zhuǎn)換成可供芯片及外圍電路工作的低壓直流電（4．0 V～5．5 V）。CSC9803芯片工作電壓為直流4．O V～5．5 V，內(nèi)置穩(wěn)壓3．1 V輸出直接驅(qū)動(dòng)PIR管。人體紅外釋熱傳感器PIR探頭感應(yīng)到信號(hào)經(jīng)CSC9803芯片內(nèi)部放大，若判斷有觸發(fā)，運(yùn)放輸出高電平，防止誤觸發(fā)?？刂菩盘?hào)由芯片的11腳輸出，經(jīng)三極管放大控制雙向可控硅導(dǎo)通，從而控制外部交流接觸器或繼電器電磁線圈持續(xù)接通。

外圍電路中的R13為1 MΩ固定電阻，R12為微型可調(diào)電阻，兩電阻與C11組成RC電路，通過調(diào)節(jié)R12的值，經(jīng)8腳可以改變CSC9803內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)時(shí)間長短。實(shí)現(xiàn)對(duì)延時(shí)時(shí)間的控制。若沒有觸發(fā)，在定時(shí)器計(jì)時(shí)周期結(jié)束時(shí)，11腳即輸出控制信號(hào)（低電平），經(jīng)三極管控制雙向可控硅的截止，使外部電路斷開。在定時(shí)器計(jì)時(shí)周期內(nèi)，若2腳又接收到信號(hào)（包括直接的人體信號(hào)和經(jīng)由無線收發(fā)射得到的信號(hào)）實(shí)之觸發(fā)，則定時(shí)器又將重新開始計(jì)時(shí)。

試驗(yàn)得知在總電阻R=R12+R13=1 MΩ時(shí)，可控硅接通時(shí)間約為4分鐘；當(dāng)R=R12+R13=3 MΩ時(shí)，可控硅接通時(shí)間約達(dá)到9分鐘，顯然，要達(dá)到更長時(shí)闖的延時(shí)，只要增加電阻值即可實(shí)現(xiàn)。

為了增加人體的有效感應(yīng)面（感應(yīng)范圍），設(shè)計(jì)中采用了并聯(lián)兩只PIR管，可以通過三根連接線將其連接后相互垂直，分別安裝在不同位置，但要盡可能的縮短相互間的連接線，以防止信號(hào)衰減后太弱。當(dāng)然在實(shí)際當(dāng)中經(jīng)過試制試驗(yàn)后可知，只要延時(shí)時(shí)間在十分鐘以上，且有間歇觸發(fā)的收發(fā)射裝置，只用一個(gè)PIR管基本上也能實(shí)現(xiàn)。

4 一種通用型連接器系統(tǒng)組成實(shí)例

這里所說的通用型，是指既可連接單相交流電，也可以用于三相交流電源的連接，且能夠適應(yīng)常用的幾種典型的電源插座的連接，如三相四線、三孔10 A或16 A、雙孔等，當(dāng)然可以用于包括單相或三相空調(diào)等多種不同電器設(shè)備的連接。實(shí)際上，通過幾個(gè)相應(yīng)的插頭插座即可實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)電路連接原理如圖5所示。

圖5主要是在原理上說明其通用型應(yīng)用的方法和實(shí)現(xiàn)功能的可能。實(shí)際使用中，如果不是應(yīng)用在經(jīng)常需要變動(dòng)的場(chǎng)合，應(yīng)該設(shè)計(jì)制作成某種專用型的比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，即使要做成通用型，也一定要考慮插頭插座的組合，尤其是在使用中，不要讓不用的插頭暴露在外，一定要將其插入到相應(yīng)的插座中，以免發(fā)生觸電事故。同時(shí)，在連接線路時(shí)，特別是接插平常最普遍的兩腳扁插頭時(shí)，要注意火線與零線分別對(duì)應(yīng)。千萬不能搞反了，否則就會(huì)引起短路導(dǎo)致跳閘或燒保險(xiǎn)。

圖5中常用插頭插座組合板，實(shí)際上是把日常使用中幾種不同功率、不同形狀的插座相互并聯(lián)，再將各種不同的插頭插座分別并聯(lián)后，將不使用的插頭插入到相應(yīng)的插座中。圖中組合式插座并接于三相四線的火線和零線，用電設(shè)備的電源由此引出。

若在實(shí)際當(dāng)中推廣應(yīng)用，為能確保安全，必須對(duì)常用插頭插座組合板部分進(jìn)行一種自鎖式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證在使用時(shí)只可以出來一個(gè)插頭。即只有把原來的插頭插入相應(yīng)插座后，另一個(gè)才能出來與外電源連接。

5 結(jié)束語

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)中，應(yīng)保證間歇發(fā)射的時(shí)間間隔要小于信號(hào)處理延時(shí)電路所設(shè)計(jì)的延時(shí)時(shí)間，只有這樣才能保證在信號(hào)處理延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間結(jié)束之前，就能接收到新的信號(hào)，使之信號(hào)處理延時(shí)電路歸零后能重新計(jì)時(shí)，周而復(fù)始，達(dá)到只要有人能在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)回到這個(gè)房間，就能保證其供電的連續(xù)性，反之而實(shí)現(xiàn)其人離電斷的可靠性。試制的樣品在電暖器、飲水機(jī)、三相及單相空調(diào)等方面已進(jìn)行了近二

年多的試用，結(jié)果表明，連接器性能穩(wěn)定，工作可靠。確有節(jié)電和保安的功能，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有繼續(xù)研究完善、實(shí)際推廣應(yīng)用的價(jià)值，且可以推廣應(yīng)用到大中專院校部分教室和部分實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)的總開關(guān)接線盒或控制器上。