57新型智能无意识节电空气开关

第十届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛

选题推荐表项目名称新型智能无意识节电空气开关一一低耗杀手项目类型科技作品类：节能类"、减排类口、节能减排类口；社会实践类口项目推荐人情况教师姓名单位职称联系电话学生姓名专业联系电话班级项目简介（重点说明选题与竞赛宗旨和主题的关系）本项目设计是一种基于单片机的门控型智能空气开关。本项目以现有多数电路系统总开关结构及技术为理论基础，运用磁性开关、单片机、机械结构等构造新型空气开关，实现无意识节电、智能节电。该开关除实现现有空气开关功能（电路过载或异常时会自动断路以保护电路系统）夕卜，还有门控断电功能，实现“外出不待机，关门即断电”的方便效果。一、申请理由（一）符合节能的时代要求空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身，是日常生活生产中的必需品。虽然现在的空气开关已经有了很大的发展，在功能上及智能方面都有很大的进步，但目前为止关于空气开关的研究还未曾涉及节能领域。而本项目这次所研究的是一种基于门控的自动断电以避免不必要的待机电器耗电的节能空气开关，节能性能显著。（二）具有很强的实用价值，易推广智能化空气开关是生产生活必需品，具有相当大的市场。本项目所研究的节能空气开关是在保证其原有功能的基础上进行的功能扩展。并会在保证其正常功能、寿命的前提下让它简单微型化，使它更具有研究意义和使用价值。且节能空气开关成本造价低，安装便易，具有很强的推广性。二、立项背景（一）电器低耗现状1、待机低耗现状随着国民经济的发展，居民生活水平的日益提高，越来越多的家庭和企业购买并使用了大量的电器设备，电视机、热水器、洗衣机、微波炉、空调机、电脑等经常处于待机状态。不少人以为按下遥控器上的待机按钮就已经断电了，其实电器还是带电状态。这样一来，日积月累每年因为待机白白浪费了能源和资金。其中部分家电待机损耗数据的测量结果如表1所示：表1福建省计量院电学室对电脑、空调、电视机、电磁炉等家电待机状态下功耗测试结果被测物品型号与功率待机瞬时功耗（W）1天估计耗电量（kWh）1月估计耗电量（kWh）1年估计耗电量（kWh）电脑1台（主机+显示器）功率：95W2.8990.06962.08825.368电脑1台（主机+显2.2750.05461.63819.929

示器）功率：121W空调1台（3匹）输出功率：2200W制冷量：5400W2.6860.06451.93523.543液晶电视1台（40英寸）功率：120W1.2310.02950.88510.768电磁炉功率：1000W1.9970.04791.43717.155机顶盒功率：6.8W6.60.15844.75257.0242、关机低耗问题用电器关机但不切断电源并不能解决低耗问题，关机低耗仍然是家庭和企业低耗的一大部分。电路中的用电器开路称为空载。空载的时候，变压器的一侧还是有电压的。虽然变压器线圈电感很大但是仍然有部分电阻，其三相本身是可以构成回路的，有电压，加之线圈也有一定的电阻，这时候会有一定的热损耗；另外一点，线圈有电流，会形成磁滞损耗，而这部分能量也会损耗掉。这两者损耗相结合就是用电器关闭但不拔掉插头的能耗。随着国民经济的发展，各类用电器越来越多，不少人认为关机后用电器将不再通电，并不会主动去切断电源。这样一来，日积月累，关机低耗将成为低耗问题中更大的隐患。其中部分家电关机但不切断电源的功耗数据如表2所示：表2武汉理工大学自动化学院对洗衣机等家电关机但不切断电源状态下功耗测试结果被测物品关机瞬时功耗（w）1天估计耗电量（kWh）1月估计耗电量（kWh）一年估计耗电量（kWh）空调1.190.028560.856810.424洗衣机0.670.016080.48245.8692液晶电视0.710.017040.51126.1344笔记本电脑0.910.021840.65527.8624机顶盒1.560.037441.123213.666手机充电器0.120.002880.08641.0368热水器1.050.025200.75609.0721由于经常处于待机、关机低耗状态的家用电器较多，在企业单位办公楼里面同时处于待机、关机低耗的电器数量也较为巨大，人们较难做到针对每台电器单独切断电源，在这种情况下较为需要一种有效的开关能够有效控制家庭电路系统和办公室电路系统的通断，确保当家里或是里面没有人的时候能够智能化的自动切断相应电器设备的电源，使之处于断电状态，从而节约大量的能源和资金，填补无意识节电空开的空白。（二）空气开关研究现状及趋势第二次工业革命将人类带入了电气化时代，距今已有一百多年，如今各种家用电器已经进入千家万户，为了达到节省用电与方便用户的目的，各种开关的研究与发展层出不穷，空气开关就是其中一种，它能实现自动断电保护。本项目组受空气开关自动断电的启发，结合当下发展迅猛的自动控制技术，决定将两种技术结合起来实现空气开关的智能化，达到自动通断电的目的，通过这种开关控制家用电器的电源供电，达到“人去电断”节省电量的目的，为节能减排目标贡献力量。普通空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。除了能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，同时也用于不频繁地启动电动机。目前在各家庭和办公楼使用较广泛。到目前为止，空气开关的研究已经取得了很多成就，研制出了许多不同种类的空气开关。低压配电系统中的开关主要有：断路器、熔断器、负荷开关、隔离开关、漏电开关（常为其它开关的附加保护功能）。开关选型（用断路器较多，主要是因为其保护功能多、安全，选型也最为复杂。下面以断路器为例）：1、额定电流2、额定电压3、负载情况（如：普通配电保护、电动机保护、长电缆保护等，家用配电保护居多）4、断路器级数5、回路中可能发生的最大短路电流（这个参数用来选择断路器的分断能力，多为估算或按惯例选择。空气开关的选择要综合考虑多种技术参数，选择合适的型号。如今，智能空气开关的研究已经起步。智能开关主要是基于单片机技术，通过程序控制开关的启断，电器设备的智能化技术往往与供用电对象的控制要求紧密相关。智能开关常被直接安装于供用电设备中，如智能化断路器，智能化接触器，智能化磁力启动器等。但目前对于智能控制开关的研究主要局限在电网等大型领域的应用，而对于居民日常生活应用领域涉及很少。而本项目组的研究项目主要针对生活工作电器等小型电器实现控制，着重体现无意识控制，应用范围广，可普及性强，将智能控制开关引入日常生活，利于培养普及节能减排意识，提高科技创新能力。本项目组的构想主要是将自动控制技术与空气开关的原理结合起来实现自动控制电路通断的目的。本项目的研究希望通过居民或公司员工离开、返回家或单位时的动作（开门或锁门）为触发信号达到控制空气开关自动开断的目的，从而做到“人去电断'、“人回电启”，不仅能方便用户，更能达到无意识节省电量的目的。（三）课题研究意义随着现代通信技术，计算机网络技术、现场总线控制技术以及自动控制技术的飞速发展，数字化、网络化和信息化正日益融入人们的生活之中。人们在生活水平、居住条件不断提升与改善的基础上，对生活的质量提出了更高的要求，方便快捷、节能环保的生活理念越来越深入人心，新型智能化空气开关就是在这一背景下产生的。1、能源节约：据统计，中国目前共有4.3亿个家庭，假设人早上八点离开上班、中午六点下班，离开家共10h。一年省电量为：4.3*10A8*77.8=334.54*10A8kwh（数据来自表2）通过家庭成员离家后的无意识节电，每年全国节电334.54亿千瓦时，在较大程度上减少了能源损耗，节约了能源。本课题研究成果形成产品后，具有较广的应用平台和市场前景。能够为倡导人们形成低碳节能环保的生活方式提供有效的实践途径和解决方法。2、经济效益：对于家庭而言，一般每个房间均设一个空气开关，假设人早上八点离开上班、下午六点下班，离开家共10h。则针对待机电器最多的客厅而言，处于待机状态的电器有空调、电脑、主机机顶盒、音响、DVD等。这些待机电器一天的待机耗电量为：（2.69+2.90+8.5+7.25）*10*3600=768240J（数据来自表2）装置工作一次耗电量为443.6J。在此期间，装置工作两次，耗电为：443.6*2=887.2J一年省电量为：（768240-887.2）*365=2.8*10A8J=77.8kwh按一度电0.6元计算，则一个家庭一年可节省46.7元。对于一个普通办公室，假设有15台电脑、2台打印机、一台空调、一台传真机，此外还有一台饮水机。下班时间为晚上8点，上班为早上8点，故待机时间为12h。则这些电器一天不必要的耗电量为：

(15*2.9+2*6.73+2.69+7.33)*12*3600/(3.6*10A6)+5.14=5.94kwh(数据来自表2)一年省电量为：（5.94-443.6*2/（3.6*10人6））*365=2168.0kwh故一个普通办公室一年可省1300.8元。3、市场价值：针对家庭、企业单位办公楼的电路系统的开关控制的研究日益深入，智能化和小型化一直是研究和生产投入的方向，因此开展关于一种新型的能够实现门控智能化空气开关的研究，不仅能够有效解决当前电器待机耗电问题，还较为符合当前人们追求的方便快捷舒适的生活理念，同时也能够弥补家庭电路系统无意识智能化控制的空白，具有较为重要的科研价值。可以综合应用传感器、单片机等多方面自动控制技术，具有很好的理论研究意义和应用前景。且此产品具有较强的可推广性，此产品在使用时只需将家庭线路在空开入户线处进行简单改装，将关门后可断线路（如客厅的电视机线路、各房间的照明线路等）并在该空气开关上即可，符合用户对家庭线路尽可能改造少的需求。且产品单套价格在六十左右，符合家居用户对价格的需求。本项目设计一种基于单片机的门控型智能空气开关。本项目以现有多数电路系统总开关结构及技术为理论基础，运用磁性开关、单片机、机械结构等构造新型空气开关，实现无意识智能化功能。通过居民或公司员工离开、返回家或单位时的动作（开门或锁门）为触发信号达到控制空气开关自动开断的目的，从而做到“人去电断V“人回电启”，不仅能方便用户，更能达到无意识节省电量的目的。该开关除实现现有空气开关功能（电路过载或异常时会自动断路以保护电路系统）夕卜，还有门控断电功能，达到“外出不待机，关门即断电”的方便效果。电路接通。此时向单片机输入一带动丝杆旋转。滑块由中间位置当人长时间离开时，门反锁过程中，磁电开关靠近触点，个高电平，单片机开始按照设置的程序运行，驱动步进电机，关门即断电”的方便效果。电路接通。此时向单片机输入一带动丝杆旋转。滑块由中间位置复位到中间，此后单片机进入低功耗模式，电路不再耗电。具体系统原拟研究的内容图1智能无意识节电空气开关系统原理流程图H籽中就大由碰太馈JlHLiHt厂信号井融给单片机接收信号,雌^好物呈南M行乾复位到中间，此后单片机进入低功耗模式，电路不再耗电。具体系统原拟研究的内容图1智能无意识节电空气开关系统原理流程图H籽中就大由碰太馈JlHLiHt厂信号井融给单片机接收信号,雌^好物呈南M行乾±个宇去遥电机杉一5号，驱很AF+蕨性开关与It生电瞧单片「空％开美拟研究内容如下：（一）门锁触发结构的设计考虑到锁门状态需要保持较长时间，一般的开关连通电路发出信号后无法断开，信号发送电路持续通路，耗电。因此选择磁性开关，以达到在锁门过程中连通电路，提供给单片机电压变化信号，且在门锁锁上后使电路断开，此时电路无电能损耗的目的，真正贴合节能减排的宗旨意义。在门锁打开过程中达到相同目的。详细解释如下：如图3所示，开关主要将舌簧开关成型于合成树脂块内，磁环成型于气缸活塞内。整个磁性开关放置于门锁扣盒内。当门反锁时，锁舌带动气缸活塞向内推动经过A位置，即舌簧开关进入磁场内，两簧片被磁化而相互吸引，触点闭合，此时门锁触发电路，输入给单片机一个高电平。活塞经过A后运动到B位置时，即舌簧开关离开磁场，簧片失磁，触点自动脱开，整体电路不耗电。在过程中输入给单片机一个高电平信号，单片机识别信号后按照编写好的程序运行。在门锁打开过程中达到相同目的。锄门结束锁舌带动气览活塞是过磁电开美A位置锁舌带动气扭活塞抵达磁电开关日位置动牛范旧锄门结束锁舌带动气览活塞是过磁电开美A位置锁舌带动气扭活塞抵达磁电开关日位置动牛范旧】一动作措亲划一曲定邦（永久威株】7-柜筒&一舌赏H•关M高灵能成位技苦,式磁性开关的渤件原理K一隔护电珞3—开关姓先4一导埃5—活塞图3舌簧开关内部电路图图2锁门流程图（二）门锁信号触发电路的设计设计中的感应部件选用磁性开关，减少开关的磨损，增长寿命。输入信号最终以高电平的形式输入到单片机中。此部分电路图如图4所示：图4门锁信号触发电路图开始时，S1开关未接通，S2闭合，输入到单片机中的电势为低电平；在门反锁过程中，S1开关接通，输入到单片机一个高电平。单片机按照指定程序工作。（S2是个长闭开关，作用是当人们在少数情况下不想锁门断电时，打开S2开关，可手动关闭门锁传感系统）（三）单片机选型本设计采用MSP430F169作为微处理器°MSP430F169是TI的MSP430F1X系列（FLASH系列）单片机中功能最强的子系列，有1种活动模式和5种低功耗模式，并且各种模式间可以自由切换，最优化延长电池寿命。该系列单片机电源电压采用1.8〜3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅为0.1UA，活动模式耗电250UA/MIPS，I/O输入端口的最大漏电流仅为50nA。实际设计中，用3V的电源给单片机供电。单片机工作在活动模式时，有耗电量为：250〃A*3V=0.00075W有1种活动模式和5种低功耗模式，并且各种模式间可以自由切换，耗电量低，符合节能减排的主旨。（四）单片机输出电路的设计为了使单片机输出信号足以驱动电机，单片机输出电路如图5所示:图5输出放大电路图设计中，由T1推动T2。当单片机工作时，输入给T1的为高电位，T1导通。在R3，R2的串联电路中产生电流，促使T2导通，输出一个大电流。单片机停止工作时，输入到T1的电势为低电势，T1截止，R3和R2上的电流为0，T2截止，输出放大电路不再耗电。

（五）步进电机选型电机的驱动力要保证能提供空气开关拨动时所需的最大力，通过测力计实测空气开关拨动图7三维图过程中的最大力为20N,考虑摩擦力，且UW0.2,滑块质量为2kg，选用的丝杆的螺距为L=5mm。其中F-umgN20N，F*L=T*2n*n。查资料得内n=30%-40%，取n=30%，步进电机需要提供的力矩T=0.064Nm。步进电机的转速设置为40r/min，则P=T*w=0.268（五）步进电机选型电机的驱动力要保证能提供空气开关拨动时所需的最大力，通过测力计实测空气开关拨动图7三维图根据所求力矩选用28YBJ-48步进电机。（六）驱动结构设计在设计电路时，必须使驱动结构不能影响开关已有的功能。在丝杆滑台机构上加一滑槽，来控制开关的运动。步进电机接到单片机的输出放大电路