57新型智能無意識節(jié)電空氣開關

第十屆全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽

選題推薦表項目名稱新型智能無意識節(jié)電空氣開關一一低耗殺手項目類型科技作品類：節(jié)能類"、減排類口、節(jié)能減排類口；社會實踐類口項目推薦人情況教師姓名單位職稱聯系電話學生姓名專業(yè)聯系電話班級項目簡介（重點說明選題與競賽宗旨和主題的關系）本項目設計是一種基于單片機的門控型智能空氣開關。本項目以現有多數電路系統總開關結構及技術為理論基礎，運用磁性開關、單片機、機械結構等構造新型空氣開關，實現無意識節(jié)電、智能節(jié)電。該開關除實現現有空氣開關功能（電路過載或異常時會自動斷路以保護電路系統）夕卜，還有門控斷電功能，實現“外出不待機，關門即斷電”的方便效果。一、申請理由（一）符合節(jié)能的時代要求空氣開關是低壓配電網絡和電力拖動系統中非常重要的一種電器，它集控制和多種保護功能于一身，是日常生活生產中的必需品。雖然現在的空氣開關已經有了很大的發(fā)展，在功能上及智能方面都有很大的進步，但目前為止關于空氣開關的研究還未曾涉及節(jié)能領域。而本項目這次所研究的是一種基于門控的自動斷電以避免不必要的待機電器耗電的節(jié)能空氣開關，節(jié)能性能顯著。（二）具有很強的實用價值，易推廣智能化空氣開關是生產生活必需品，具有相當大的市場。本項目所研究的節(jié)能空氣開關是在保證其原有功能的基礎上進行的功能擴展。并會在保證其正常功能、壽命的前提下讓它簡單微型化，使它更具有研究意義和使用價值。且節(jié)能空氣開關成本造價低，安裝便易，具有很強的推廣性。二、立項背景（一）電器低耗現狀1、待機低耗現狀隨著國民經濟的發(fā)展，居民生活水平的日益提高，越來越多的家庭和企業(yè)購買并使用了大量的電器設備，電視機、熱水器、洗衣機、微波爐、空調機、電腦等經常處于待機狀態(tài)。不少人以為按下遙控器上的待機按鈕就已經斷電了，其實電器還是帶電狀態(tài)。這樣一來，日積月累每年因為待機白白浪費了能源和資金。其中部分家電待機損耗數據的測量結果如表1所示：表1福建省計量院電學室對電腦、空調、電視機、電磁爐等家電待機狀態(tài)下功耗測試結果被測物品型號與功率待機瞬時功耗（W）1天估計耗電量（kWh）1月估計耗電量（kWh）1年估計耗電量（kWh）電腦1臺（主機+顯示器）功率：95W2.8990.06962.08825.368電腦1臺（主機+顯2.2750.05461.63819.929

示器）功率：121W空調1臺（3匹）輸出功率：2200W制冷量：5400W2.6860.06451.93523.543液晶電視1臺（40英寸）功率：120W1.2310.02950.88510.768電磁爐功率：1000W1.9970.04791.43717.155機頂盒功率：6.8W6.60.15844.75257.0242、關機低耗問題用電器關機但不切斷電源并不能解決低耗問題，關機低耗仍然是家庭和企業(yè)低耗的一大部分。電路中的用電器開路稱為空載。空載的時候，變壓器的一側還是有電壓的。雖然變壓器線圈電感很大但是仍然有部分電阻，其三相本身是可以構成回路的，有電壓，加之線圈也有一定的電阻，這時候會有一定的熱損耗；另外一點，線圈有電流，會形成磁滯損耗，而這部分能量也會損耗掉。這兩者損耗相結合就是用電器關閉但不拔掉插頭的能耗。隨著國民經濟的發(fā)展，各類用電器越來越多，不少人認為關機后用電器將不再通電，并不會主動去切斷電源。這樣一來，日積月累，關機低耗將成為低耗問題中更大的隱患。其中部分家電關機但不切斷電源的功耗數據如表2所示：表2武漢理工大學自動化學院對洗衣機等家電關機但不切斷電源狀態(tài)下功耗測試結果被測物品關機瞬時功耗（w）1天估計耗電量（kWh）1月估計耗電量（kWh）一年估計耗電量（kWh）空調1.190.028560.856810.424洗衣機0.670.016080.48245.8692液晶電視0.710.017040.51126.1344筆記本電腦0.910.021840.65527.8624機頂盒1.560.037441.123213.666手機充電器0.120.002880.08641.0368熱水器1.050.025200.75609.0721由于經常處于待機、關機低耗狀態(tài)的家用電器較多，在企業(yè)單位辦公樓里面同時處于待機、關機低耗的電器數量也較為巨大，人們較難做到針對每臺電器單獨切斷電源，在這種情況下較為需要一種有效的開關能夠有效控制家庭電路系統和辦公室電路系統的通斷，確保當家里或是里面沒有人的時候能夠智能化的自動切斷相應電器設備的電源，使之處于斷電狀態(tài)，從而節(jié)約大量的能源和資金，填補無意識節(jié)電空開的空白。（二）空氣開關研究現狀及趨勢第二次工業(yè)革命將人類帶入了電氣化時代，距今已有一百多年，如今各種家用電器已經進入千家萬戶，為了達到節(jié)省用電與方便用戶的目的，各種開關的研究與發(fā)展層出不窮，空氣開關就是其中一種，它能實現自動斷電保護。本項目組受空氣開關自動斷電的啟發(fā)，結合當下發(fā)展迅猛的自動控制技術，決定將兩種技術結合起來實現空氣開關的智能化，達到自動通斷電的目的，通過這種開關控制家用電器的電源供電，達到“人去電斷”節(jié)省電量的目的，為節(jié)能減排目標貢獻力量。普通空氣開關是低壓配電網絡和電力拖動系統中非常重要的一種電器，它集控制和多種保護功能于一身。除了能完成接觸和分斷電路外，尚能對電路或電氣設備發(fā)生的短路、嚴重過載及欠電壓等進行保護，同時也用于不頻繁地啟動電動機。目前在各家庭和辦公樓使用較廣泛。到目前為止，空氣開關的研究已經取得了很多成就，研制出了許多不同種類的空氣開關。低壓配電系統中的開關主要有：斷路器、熔斷器、負荷開關、隔離開關、漏電開關（常為其它開關的附加保護功能）。開關選型（用斷路器較多，主要是因為其保護功能多、安全，選型也最為復雜。下面以斷路器為例）：1、額定電流2、額定電壓3、負載情況（如：普通配電保護、電動機保護、長電纜保護等，家用配電保護居多）4、斷路器級數5、回路中可能發(fā)生的最大短路電流（這個參數用來選擇斷路器的分斷能力，多為估算或按慣例選擇?？諝忾_關的選擇要綜合考慮多種技術參數，選擇合適的型號。如今，智能空氣開關的研究已經起步。智能開關主要是基于單片機技術，通過程序控制開關的啟斷，電器設備的智能化技術往往與供用電對象的控制要求緊密相關。智能開關常被直接安裝于供用電設備中，如智能化斷路器，智能化接觸器，智能化磁力啟動器等。但目前對于智能控制開關的研究主要局限在電網等大型領域的應用，而對于居民日常生活應用領域涉及很少。而本項目組的研究項目主要針對生活工作電器等小型電器實現控制，著重體現無意識控制，應用范圍廣，可普及性強，將智能控制開關引入日常生活，利于培養(yǎng)普及節(jié)能減排意識，提高科技創(chuàng)新能力。本項目組的構想主要是將自動控制技術與空氣開關的原理結合起來實現自動控制電路通斷的目的。本項目的研究希望通過居民或公司員工離開、返回家或單位時的動作（開門或鎖門）為觸發(fā)信號達到控制空氣開關自動開斷的目的，從而做到“人去電斷'、“人回電啟”，不僅能方便用戶，更能達到無意識節(jié)省電量的目的。（三）課題研究意義隨著現代通信技術，計算機網絡技術、現場總線控制技術以及自動控制技術的飛速發(fā)展，數字化、網絡化和信息化正日益融入人們的生活之中。人們在生活水平、居住條件不斷提升與改善的基礎上，對生活的質量提出了更高的要求，方便快捷、節(jié)能環(huán)保的生活理念越來越深入人心，新型智能化空氣開關就是在這一背景下產生的。1、能源節(jié)約：據統計，中國目前共有4.3億個家庭，假設人早上八點離開上班、中午六點下班，離開家共10h。一年省電量為：4.3*10A8*77.8=334.54*10A8kwh（數據來自表2）通過家庭成員離家后的無意識節(jié)電，每年全國節(jié)電334.54億千瓦時，在較大程度上減少了能源損耗，節(jié)約了能源。本課題研究成果形成產品后，具有較廣的應用平臺和市場前景。能夠為倡導人們形成低碳節(jié)能環(huán)保的生活方式提供有效的實踐途徑和解決方法。2、經濟效益：對于家庭而言，一般每個房間均設一個空氣開關，假設人早上八點離開上班、下午六點下班，離開家共10h。則針對待機電器最多的客廳而言，處于待機狀態(tài)的電器有空調、電腦、主機機頂盒、音響、DVD等。這些待機電器一天的待機耗電量為：（2.69+2.90+8.5+7.25）*10*3600=768240J（數據來自表2）裝置工作一次耗電量為443.6J。在此期間，裝置工作兩次，耗電為：443.6*2=887.2J一年省電量為：（768240-887.2）*365=2.8*10A8J=77.8kwh按一度電0.6元計算，則一個家庭一年可節(jié)省46.7元。對于一個普通辦公室，假設有15臺電腦、2臺打印機、一臺空調、一臺傳真機，此外還有一臺飲水機。下班時間為晚上8點，上班為早上8點，故待機時間為12h。則這些電器一天不必要的耗電量為：

(15*2.9+2*6.73+2.69+7.33)*12*3600/(3.6*10A6)+5.14=5.94kwh(數據來自表2)一年省電量為：（5.94-443.6*2/（3.6*10人6））*365=2168.0kwh故一個普通辦公室一年可省1300.8元。3、市場價值：針對家庭、企業(yè)單位辦公樓的電路系統的開關控制的研究日益深入，智能化和小型化一直是研究和生產投入的方向，因此開展關于一種新型的能夠實現門控智能化空氣開關的研究，不僅能夠有效解決當前電器待機耗電問題，還較為符合當前人們追求的方便快捷舒適的生活理念，同時也能夠彌補家庭電路系統無意識智能化控制的空白，具有較為重要的科研價值?？梢跃C合應用傳感器、單片機等多方面自動控制技術，具有很好的理論研究意義和應用前景。且此產品具有較強的可推廣性，此產品在使用時只需將家庭線路在空開入戶線處進行簡單改裝，將關門后可斷線路（如客廳的電視機線路、各房間的照明線路等）并在該空氣開關上即可，符合用戶對家庭線路盡可能改造少的需求。且產品單套價格在六十左右，符合家居用戶對價格的需求。本項目設計一種基于單片機的門控型智能空氣開關。本項目以現有多數電路系統總開關結構及技術為理論基礎，運用磁性開關、單片機、機械結構等構造新型空氣開關，實現無意識智能化功能。通過居民或公司員工離開、返回家或單位時的動作（開門或鎖門）為觸發(fā)信號達到控制空氣開關自動開斷的目的，從而做到“人去電斷V“人回電啟”，不僅能方便用戶，更能達到無意識節(jié)省電量的目的。該開關除實現現有空氣開關功能（電路過載或異常時會自動斷路以保護電路系統）夕卜，還有門控斷電功能，達到“外出不待機，關門即斷電”的方便效果。電路接通。此時向單片機輸入一帶動絲桿旋轉?；瑝K由中間位置當人長時間離開時，門反鎖過程中，磁電開關靠近觸點，個高電平，單片機開始按照設置的程序運行，驅動步進電機，關門即斷電”的方便效果。電路接通。此時向單片機輸入一帶動絲桿旋轉?；瑝K由中間位置復位到中間，此后單片機進入低功耗模式，電路不再耗電。具體系統原擬研究的內容圖1智能無意識節(jié)電空氣開關系統原理流程圖H籽中就大由碰太饋JlHLiHt廠信號井融給單片機接收信號,雌^好物呈南M行乾復位到中間，此后單片機進入低功耗模式，電路不再耗電。具體系統原擬研究的內容圖1智能無意識節(jié)電空氣開關系統原理流程圖H籽中就大由碰太饋JlHLiHt廠信號井融給單片機接收信號,雌^好物呈南M行乾±個宇去遙電機杉一5號，驅很AF+蕨性開關與It生電瞧單片「空％開美擬研究內容如下：（一）門鎖觸發(fā)結構的設計考慮到鎖門狀態(tài)需要保持較長時間，一般的開關連通電路發(fā)出信號后無法斷開，信號發(fā)送電路持續(xù)通路，耗電。因此選擇磁性開關，以達到在鎖門過程中連通電路，提供給單片機電壓變化信號，且在門鎖鎖上后使電路斷開，此時電路無電能損耗的目的，真正貼合節(jié)能減排的宗旨意義。在門鎖打開過程中達到相同目的。詳細解釋如下：如圖3所示，開關主要將舌簧開關成型于合成樹脂塊內，磁環(huán)成型于氣缸活塞內。整個磁性開關放置于門鎖扣盒內。當門反鎖時，鎖舌帶動氣缸活塞向內推動經過A位置，即舌簧開關進入磁場內，兩簧片被磁化而相互吸引，觸點閉合，此時門鎖觸發(fā)電路，輸入給單片機一個高電平?；钊涍^A后運動到B位置時，即舌簧開關離開磁場，簧片失磁，觸點自動脫開，整體電路不耗電。在過程中輸入給單片機一個高電平信號，單片機識別信號后按照編寫好的程序運行。在門鎖打開過程中達到相同目的。鋤門結束鎖舌帶動氣覽活塞是過磁電開美A位置鎖舌帶動氣扭活塞抵達磁電開關日位置動牛范舊鋤門結束鎖舌帶動氣覽活塞是過磁電開美A位置鎖舌帶動氣扭活塞抵達磁電開關日位置動牛范舊】一動作措親劃一曲定邦（永久威株】7-柜筒&一舌賞H?關M高靈能成位技苦,式磁性開關的渤件原理K一隔護電珞3—開關姓先4一導埃5—活塞圖3舌簧開關內部電路圖圖2鎖門流程圖（二）門鎖信號觸發(fā)電路的設計設計中的感應部件選用磁性開關，減少開關的磨損，增長壽命。輸入信號最終以高電平的形式輸入到單片機中。此部分電路圖如圖4所示：圖4門鎖信號觸發(fā)電路圖開始時，S1開關未接通，S2閉合，輸入到單片機中的電勢為低電平；在門反鎖過程中，S1開關接通，輸入到單片機一個高電平。單片機按照指定程序工作。（S2是個長閉開關，作用是當人們在少數情況下不想鎖門斷電時，打開S2開關，可手動關閉門鎖傳感系統）（三）單片機選型本設計采用MSP430F169作為微處理器°MSP430F169是TI的MSP430F1X系列（FLASH系列）單片機中功能最強的子系列，有1種活動模式和5種低功耗模式，并且各種模式間可以自由切換，最優(yōu)化延長電池壽命。該系列單片機電源電壓采用1.8?3.6V低電壓，RAM數據保持方式下耗電僅為0.1UA，活動模式耗電250UA/MIPS，I/O輸入端口的最大漏電流僅為50nA。實際設計中，用3V的電源給單片機供電。單片機工作在活動模式時，有耗電量為：250〃A*3V=0.00075W有1種活動模式和5種低功耗模式，并且各種模式間可以自由切換，耗電量低，符合節(jié)能減排的主旨。（四）單片機輸出電路的設計為了使單片機輸出信號足以驅動電機，單片機輸出電路如圖5所示:圖5輸出放大電路圖設計中，由T1推動T2。當單片機工作時，輸入給T1的為高電位，T1導通。在R3，R2的串聯電路中產生電流，促使T2導通，輸出一個大電流。單片機停止工作時，輸入到T1的電勢為低電勢，T1截止，R3和R2上的電流為0，T2截止，輸出放大電路不再耗電。

（五）步進電機選型電機的驅動力要保證能提供空氣開關撥動時所需的最大力，通過測力計實測空氣開關撥動圖7三維圖過程中的最大力為20N,考慮摩擦力，且UW0.2,滑塊質量為2kg，選用的絲桿的螺距為L=5mm。其中F-umgN20N，F*L=T*2n*n。查資料得內n=30%-40%，取n=30%，步進電機需要提供的力矩T=0.064Nm。步進電機的轉速設置為40r/min，則P=T*w=0.268（五）步進電機選型電機的驅動力要保證能提供空氣開關撥動時所需的最大力，通過測力計實測空氣開關撥動圖7三維圖根據所求力矩選用28YBJ-48步進電機。（六）驅動結構設計在設計電路時，必須使驅動結構不能影響開關已有的功能。在絲桿滑臺機構上加一滑槽，來控制開關的運動。步進電機接到單片機的輸出放大電路