室内无人自动断电节能器.docx

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室内无人自动断电节能器

室内无人自动断电节能器

1.概述

1.1引言

在我们生活的信息化时代，科技的不断进步，各行各业的各类办公室也配置现代化的各类大功率电器设备，比如电脑及周边设备，热水器，空调，电暖等；在实际办公当中，发现下班后有很多办公室里的热水器24小时服务，很多办公室工作人员下班时并没有及时关闭电脑及其周边设备，空调，电暖常开的例子也司空见惯，由此浪费了很多的电能。

天水师范学院很多二级学院办公室就是典型的例子。

在走访市场，对现有的节能方式调查后发现，市场上绝大多数电器设备的节能都是在产品本身上进行各种节能设计，而对于热水器，电脑，空调，电暖等这类大功率设备，并没有做到很好的节能效果，而办公室无工作人员时，这些电器设备继续工作，必然导致了电能的浪费。

本文针对该问题展开调查研究，设计了一种室内无人自动断电装置，用来在办公室里不再有工作人员人活动时，延时一段时间，切断办公室供电总电源，当办公室里有人活动时再自动接通总电源，从而达到节能的目的。

1.2课题研究的背景及意义

能源是人类生存的物质条件，是社会与经济发展必不可少的物质基础。

但是在传统工业发展模式下，经济增长是以大量消耗能源与牺牲生态环境为代价的，从而引发了威胁全球人类发展的两大严峻问题——能源危机和环境问题。

对于我国来说，能源短缺非常严重，同时能源消费数量极大，更可怕的是能源浪费严重，节约能源刻不容缓。

当今社会，电能是应用最广的一种能源，也是能源消耗中最主要的组成部分，要节能，关键在于节约电能。

从宏观上讲，我国是发展中国家，随着经济的快速发展，资源危机将更加严重，研究节能设计策略，将会提高办公室节约电能的效果，提高其能源利用效率，减少各行各业总能耗，进而缓解能源紧张的局面，利于国家能源战略的实施，推进节约型社会的建立；从微观上说，可以减少办公室总能耗，降低各类单位的用电费用，减少能源消耗开支。

同时，节能是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措，节能是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择，节能对于调整经济结构、转变增长方式、提高人民生活质量、维护中华民族长远利益，具有极其重要而深远的意义。

1.3课题主要研究的内容

在充分调查了天水师范学院各二级学院公共办公室及行政管理各办公室用电设备及其工作情况的前提下，通过深入的学习与论证，设计并完成了整套无人自动断电装置，所做的主要工作有：

（1）对MCS-51内核的单片机进行了深入的学习，主要对AT89C51和AT89C2051进行了详细的研究，并大量查阅了其在生活中的应用实例。

（2）对现有的各类无线传输模块进行了选型，并对蓝牙无线通讯模块进行了研究与学习，了解了其基本特性，对其组网与数据传输进行了详细的学习，在本节能装置设计中得到了很好的应用。

（3）对可以进行人员活动探测的传感器进行了选型，具体对热释红外传感器进行了学习，了解了具体的应用实例。

（4）学习了现代电子系统的抗干扰处理措施，并应用了多种隔离措施，使整个系统的稳定运行得到了保证。

（5）进行了节能装置的实物设计与测试，并验证了该装置的可行性。

2.节能器系统的整体设计

2.1系统总框图

本系统分为主控制设备和感知设备，感知设备以低功耗方式工作，安装在室内能探知有人活动的最佳位置处，当探知有人活动时，向控制端发送有人信息，控制端收到感知端发来的有人活动信息后，接通总电源，并进行延时计时，当延时到而没有再次收到有人活动的信息时，判断为室内不再有人活动，切断总电源。

考虑到办公室内布线的成本和施工的困难性，控制端和感知端采用无线通讯模块进行数据交换，使系统的安装变得简单易行。

系统总结构如图2-1所示。

图2-1系统总结构图

2.2系统设计要求

本系统应用在各类公共办公室内，由于办公室内在正常上班工作时要求供电安全稳定且可靠，在无人活动时，要求断电以节省电能，为适应实际的应用，本节能装置应满足以下要求：

（1）稳定可靠：

本节能装置应用在办公室里，在办公室正常上班工作时，由于断电会使电脑等一些需要保存数据的设备丢失数据，造成不必要的损失，所以必须保证系统在正常供电时可靠稳定，不能出现断电现象，以防止重要数据丢失。

（2）通讯稳定：

本节能装置的主控制端和感知端之间通过无线方式进行通讯，在设计和安装时要充分的考虑无线模块的通讯距离与避障能力，确保主控制端和感知端的数据传输畅通，使整个系统有一个安全可靠的运行环境。

（3）抗干扰能力:

由于系统采用交流市电供电，交流市电网中的各种干扰会对系统的稳定运行造成不同程度的影响，严重时，会使系统运行出现错误，因此系统应具备很强的抗干扰能力。

（4）安全保护：

在办公室内，用电设备的最大总功率无法预先确定，过大的功率会导致本装置损坏，所以本装置应具备过流和过压保护功能，还应具备防雷击的保护功能，以保证系统运行的安全可靠和办公室内各种用电设备的安全。

3.系统的硬件设计

3.1主控制端硬件设计

主控制端硬件主要由微控制器，无线通讯模块，隔离电路，继电器电路，延时输入和系统工作状态指示电路组成，完成与感知端的通讯，继电器的控制，系统抗干扰处理等功能，具体的结构如图3-1所示。

图3-1主控制端结构图

3.2感知端硬件设计

感知端硬件主要由微控制器，无线通讯模块，热释红外传感器和系统工作状态指示电路组成，完成与主控制端的通讯，有无人员活动的探知，系统抗干扰处理等功能，具体的结构如图3-2所示。

图3-2感知端结构图

3.3单片机选型与最小系统设计

3.3.1MCS-51内核单片机介绍

MCS-51内核单片机采用的是哈佛结构，将程序存储器和数据存储器分开。

MCS-51单片机由8位CPU、只读存储器EPROM／ROM、读写存储器RAM、并行I／O口、串行I／O口、定时器／计数器、中断系统、振荡器和时钟电路等部分组成。

各部分之间通过内部总线相连。

（1）MCS-51系列单片机的主要特性：

·8位字长CPU和指令系统。

·1个片内时钟振荡器和时钟电路。

·64K外部数据存储器的地址空间。

·64K外部程序存储器的地址空间。

·32条双向且分别可位寻址的I／O口线。

·128字节的片内RAM（52子系列为256字节）。

·2个16位定时器／计数器（52子系列为3个）。

·具有2个优先级的5个中断源结构（52子系列有6个）。

·1个全双工串行口。

·1个布尔处理器。

（2）MCS-51单片机的功能模块框图如图3-3-1所示。

图3-3-1MCS-51单片机功能模块框图

目前市场上MCS-51内核的单片机有很多家公司的产品，比如Motorola，Microchip，Intel，Zilog，Atmel，TI公司MSP430，STC系列，凌阳单片机，华帮单片机等。

考虑到系统的非复杂性，我们选择常用的Atmel公司生产的AT89C51和AT89C4051单片机来完成本次设计。

3.3.2AT89S51单片机介绍

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。

（1）AT89S51特性：

•与MCS-51产品指令系统完全兼容

•4.0－5.5V的工作电压范围

•4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

•全静态工作：

0Hz-33MHz

•128*8位内部RAM

•32条可编程I/O线

•两个16位定时器/计数器

•6个中断源，5个中断优先级，2层中断嵌套

•2个可编程全双工串行通信口通道

•低功耗的闲置和掉电模式

•看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器和时钟电路

•具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求

（2）主要端口说明：

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。

此外P3口第二功能如下：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

　P3.3/INT1（外部中断1）

　P3.4T0（记时器0外部输入）

　P3.5T1（记时器1外部输入）

　P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

　P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

（3）引脚图：

图3-3-2-1AT89C51引脚图

（4）内部结构图如图：

图3-3-2-2AT89S51内部结构图

（5）最小系统图：

图3-3-2-3AT89S51最小系统图

3.3.3AT89C2051单片机介绍

AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

（1）主要性能：

•和MCS-51产品兼容

•2KB可重编程FLASH存储器（1000次）

•2.7-6V电压范围

•全静态工作：

0Hz-24MHz

•128*8位内部RAM

•15条可编程I/O线

•两个16位定时器/计数器

•6个中断源

•可编程串行UART通道

•内置一个高精度电压比较器

•可直接驱动LED的驱动端口

该单片机内部结构和AT89C51单片机一样，只是并行输出端口只保留了P1和P3口，并省去了控制引脚，非常适合小型化电子系统设计。

（2）引脚图：

图3-3-3-1AT89C2051引脚图

（3）最小系统图：

图3-3-3-2AT89C4051最小系统图

3.4数据传输设计

3.4.1无线通讯模块选型

考虑到办公室的大小不同，在控制端和感知端之间用有线方式进行数据传输，会带来重新布线的麻烦，并影响办公室内的空间视觉效果，本系统采用无线通讯模块来解决数据传输的问题，目前市场的无线通讯模块有很多，其性能和价格各异，常见通讯模块的主要性能见表1。

模块

名称

工作

频段

传输

距离

通讯

接口

传输

带宽

市场价格（一对）

蓝牙

2.4GHz

10米

UART

1Mbps

约30元

ZigBee

2.4GHz

几公里

UART

250Kbps

约200元

CC1101

433MHz

30~50米

SPI

500Kbps

约60元

NRF905

433MHz

10~30米

SPI

50Kbps

约40元

NRF24L01

2.4GHz

10米

SPI

1或2Mbps

约40元

表1无线通讯模块参数表

由于办公室内的最大距离一般都在20米以内，本系统传输的数据量很小，对工作频段和传输速率并没有严格的要求，模块所提供的UART和SPI串行总线接口都可以和单片机进行连接，考虑到技术成熟、可靠性、价格等因素，我们选择蓝牙无线通讯模块进行本系统的设计。

3.4.2蓝牙无线通讯模块介绍

1.蓝牙概述

蓝牙传输设备工作在2.4GHzISM（工业、科学、医学）频段，收发信机采用跳频技术来达到抗干扰和抑制信号衰减作用，利用二进制调频（FM）模式使收、发信机的复杂性得以简化。

蓝牙系统必须符合下述两个必要条件：

（1）工作在蓝牙系统中的各无线电设备之间，必须具有兼容性。

（2）应确定系统容量。

蓝牙传输设备应遵循完整操作规范的操作条件，无线电收、发设备的参数必须按射频（RF）测试标准的所述方法测试。

2.频段及信道分配

蓝牙系统工作在2.4GHzISM频段，该频段属于工业、科学、医学等领域的工作频段，世界上绝大多数国家将该频段的带宽定为2400—2483.5GHz。

蓝牙SIG推荐的设备可以克服各种类型的调频算法，使其设备可在任何不同的地区使用。

表2列出了形世界上几种主要地区频带分配情况。

地区

频率范围

射频波道

美国、欧洲及大部分其他国家

2400~2.4835GHz

f=2402+kMHzk=0,……，78

西班牙

2.445~2.475GHz

f=2449+kMHzk=0,……，22

法国

2.4465~2.4835GHz

f=2454+kMHzk=0,……，22

表2频带分配表

3.蓝牙协议

蓝牙协议从层次上可以分为底层、中间层和应用层协议三类。

底层协议包括：

射频规范、基带规范、链路管理协议、逻辑链路控制与适配协议规范、HCI协议等；中间层协议包括：

业务搜索协议、串口仿真协议、电话控制协议规范、与红外通讯协议的互操作性、对象交换协议等；底层协议与中间层协议共同组成蓝牙核心层协议，蓝牙应用层协议也叫蓝牙应用规范都建立在核心协议的基础上。

4.外围接口

不同的蓝牙模块配置的外围接口不同，主要有：

UART串口，USB接口，双向数字PIO，数模转换输出DAC，模拟输入ADC，模拟音频接口AUDIO，数字音频接口PCM，编程口SPI，另外还有电源、复位、天线等。

本设计采用UART串行口。

串行接口是蓝牙模块最常用的外围接口之一，用于数据传输或蓝牙模块的指令控制。

蓝牙模块的串行口为TTL电平（3.3V），模块提供四个引脚，分别为电源正、TXD、RXD、电源负，可以与单片机的UART引脚直接相连。

5.模块配置

本装置采用串口通讯设计，采用两个蓝牙模块，一个工作在主模式，另一个工作在从模式，两个模块设置为相同的波特率和通讯信道，来完成全双工的数据传输。

具体设置方式如下：

（1）设置主模块的PIO0为高或悬空，从模块的PIO0为低

（2）设置两个模块的PIO2、PIO3、PIO4、PIO5高低到对应的波特率，本设计采用9600bps，由表3可得此设计的PIO2、PIO3、PIO4、PIO5引脚全部为低电平。

（3）设置两个模块的PIO6、PIO7、PIO8、PIO9、PIO10、PIO11为相同的通道，且不能为通道64（即全高电平）。

本设计采用通道1，由表4可得此设计的PIO6、PIO7、PIO8、PIO9、PIO10、PIO11全为低电平。

（4）模块上电，主模块则自动去查找该通道的从模块，此时主模块和从模块的PIO1脚都是输出为高低脉冲。

若连接成功之后，主从模块的PIO1管脚输出为高电平，模块上自带一个LED来显示连接状态。

（5）连接成功之后，通过单片机来进行数据的收发传输。

表3蓝牙模块波特率设置表

表4蓝牙模块通道设置表

6.电路设计

本设计采用蓝牙模块串口来进行通讯，模块本身引出了串口的引脚，大大简化了电路的设计，具体电路如图3-4-2。

图3-4-2蓝牙模块

3.5传感器选型设计

3.5.1热释电红外传感器介绍

在人体活动探测方面，目前应用最广泛且效果最好的是热释电红外线传感器。

热释电红外（PIR）传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。

它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，且不受白天黑夜的影响，可昼夜不停地用于监测，并将检测的结果转换成电压信号输出。

热释电人体红外线传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成，如图3-5-1所示。

图3-5-1热释电红外线传感器实物图

敏感单元是用不同的材料做成的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。

由于电极两端的等效小电容做在了同一硅晶片上，因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷，且传感器中两个电容的极性相反串联。

当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出；当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线能量相等，且达到平衡，极性相反，能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。

当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。

综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。

如图3-5-2所示。

图3-5-2热释电红外线传感器内部结构图

阻抗变换器用场效应管完成，由于探测元输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。

场效应管输入阻抗高达105MΩ，接成共漏极形式来完成阻抗变换。

使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。

滤光窗能有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线，人体辐射的红外线波长为9.67~9.64um，中心波长为9.65um，正好落在滤光窗的响应波长的中心，让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。

3.5.2热释电红外传感器模块电路

本设计采用现成的热释电红外传感器模块，以简化电路设计。

该模块由热释电红外传感器和外围调理电路组成，模块共有三个接口，分别为电源正、输出、电源负，当感应到有人活动时，在输出端输出一个高电平，单片机只需要检测输出端的状态，就可以判断是否有人在活动。

模块电路如图3-5-3。

图3-5-3热释电红外传感器模块

3.6抗干扰设计

本系统供电采用交流市电，交流市电中的各种杂波干扰会对系统的稳定运行造成一定程度的影响，严重时会使系统运行出现错误，本设计采用了变压器隔离，光电耦合器隔离和DC/DC隔离模块，变压器隔离消除了市电和系统的直接联系，使得市电不会直接窜入系统，从而保证了系统的低压控制安全性，光电耦合器和DC/DC隔离模块将继电器进行了隔离，消除了交流市电可能窜入系统的干扰，从而保证了系统可靠有效的运行。

其电路设计如图3-6。

图3-6抗干扰电路设计

DC/DC模块采用广州晶元电子有限公司生产的B0505S-2W模块，该模块输入电压为5V，输出电压为5V，隔离电压可达直流150V，使用时无需外加元件，性能稳定，可靠性高，满足本系统的设计要求。

3.7断电延时与通讯指示设计

在实际的应用中，办公室内可能会出现没有人活动的情况，而此时是正常上班时间，不需要进行断电处理，因此系统设置了在检测到无人后延时一段时间再进行断电处理，该设置通过一三位的拨码开关来实现，定义拨码开关接通用逻辑1表示，关断用逻辑0表示，总共有三种方式，具体的设置如表5所示。

拨码开关

延时

功能

1

10秒

系统测试

2

10分钟

断电延时

3

30分钟

断电延时

表5延时设置及功能表

为了保证系统的正常通讯，主控制端和感知端每隔一定的时间进行通讯状态数据交换，系统设计一绿色LED来指示通讯状态，当绿色LED快速闪烁时，表示通讯失败，正在建立连接，当绿色LED以1秒的频率闪烁时，表示通讯建立成功，系统正常工作。

4系统程序设计

系统能否正常运行除了要靠硬件电路的正常运行，还需要可靠的软件系统来完成，软件设计的好坏，与系统运行的可靠性与安全性密切相关。

4.1主控制端程序设计

主控制端主要完成与感知端的数据交换，通讯状态指示，延时长度的设置，继电器控制等功能。

系统启动后，单片机完成自身寄存器和通讯模块的初始化，并向感知端发送连接数据，当收到感知端发来的连接成功数据后，改变LED显示状态，显示连接成功；当收到感知端发来有人活动的信息后，读取延时设置值，复位延时标志，控制继电器吸合，接通电源，当延时时间到而延时标志未被复位时，判断为室内不再有人活动，释放继电器，切断电源。

程序流程图如图4-1。

图4-1主控制端程序流程图

4.2感知端程序设计

感知端主要完成与主控制端的数据交换，通讯状态指示，热释电红外线传感器检测等功能。

系统启动后，单片机完成自身寄存器和通讯模块的初始化，并接收主控制端的连接数据，当收到主控制端发来连接数据后，向主控制端发送连接成功数据，并改变LED显示状态，显示连接成功；当检测到室内有人活动时，向主控制端发送室内有人信息。

程序流程图如图4-2。

图4-2感知端程序流程图

5全文总结

随着现代科技的飞速发展，各种类型的节能技术也越来越成熟，新一代的节能技术产品也不断的涌现，市场竞争也越来越激烈，在市场环境的推动下，断电节能方式将结合物联网技术进行全面的发展，本装置不但可以用于公共办公室，而且也可以向智能家电，楼层智能供电系统等推广，并与手持设备联网，实现家庭电器智能控制，这也是本节能系统下一代发展的重点，现将本文的主要研究工作总结如下：

（1）通过査阅大量的文献和进行广泛的论证工作，了解和掌握了节能技术应用的现状以及发展动态，并对基于断电节能技术进行了讨论。

（2）介绍了单片机技术、蓝牙无线通讯技术、热释电红外线传感器、隔离抗干扰技术等相关原理、特点。

（3）从系统硬件框架设计、软件框架设计以及无线通讯几个方面介绍了室内无人自动断电节能装置的具体设计、实现和方案论证过程。

首先介绍在系统实现过程中涉及到的单片机控制技术；随后设计硬件框架以及框架中各硬件模块的选型方案；最后介绍了软件框架设计的关键，主控制端和感知端各自的软件流程。

（4）对系统实现过程中的关键问题进行分析，并提出了解决方案。

详细介绍了蓝牙无线通讯模块的组网和地址设置过程。

参考文献

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