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2021-04-01
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全球能源危机带来的生态恶化，各种恶劣的现实都在迫使我们努力开源节流。现代生活的家用电器日新月异，科技工作者不遗余力地开发出各种更加先进，更加节能的用电设备和电源插座。目前市场上已经出现多种有节能功能的插座，以减少各种电器的待机功耗。
在日常生活中，我们发现有这样一些情况：单一插头的用电器控制其能耗有些麻烦；音箱等设备在电脑上使用完后，常常忘记关掉；人离开房间却忘记关掉电脑电视，像这样导致其长时间工作耗电，浪费能源，损伤机器。于是本文设计了一种节能的人体感应开关，解决这一能耗问题。
1 电源插座基础研究
根据实际使用功能暂且将电源插座主要划分为以下几种：普通电源插座、保护型电源插座和节能插座。保护型电源插座可以分为过载保护、防雷保护和防触电等类型。节能插座有电脑节能插座、电视节能插座和人体感应节能插座等几种。
1.1 普通电源插座
普通电源插座就是从电源连接到电器，使用电器能导通电源的一种设备。在电气行业里面又叫“类似家用电气设备”，它只具备导通电源功能，无其他辅助性功能。
1.2 保护型电源插座
过保护插座：为了保障用户的人身安全和财产安全，通过一个电流过载保护电路，当插座上电流大于额定电流时，会自动切断电源。排除过载故障后，通过手动复位可以继续使用，不用更换保险丝，使用更方便。
防雷保护插座：原理同过载保护一样，通过内置防雷器件，当电路或电器遭遇雷击时，瞬间自动切断插座电源，并将其电流导入大地，来保护用户及用电器的安全。
1.3 节能插座
节能插座主要要解决待机能耗问题和开机能耗问题。人们针对待机耗电问题开发出一类如欧亚护源节能插座和小管家节能插座等。它主要根据线圈感应主机电流的变化，并通过的处理和继电器的通断来控制从机的工作，比如在关掉电脑主机的同时自动关掉打印机、扫描仪、音响等。开机能耗问题是用电器本身决定的，但可以通过节能插座来主动判断并做出开或关动作，从而达到节能的目的。
电脑节能插座在电脑主机关闭后，能自动切断显示器、打印机、音箱等外部设备的电源。用户可以使用定时关机软件设定任意时刻关机，设定的时间到了，电脑主机自动关机，其它设备也能自动断电。电脑节能插座不仅解决了常时待机浪费电能的问题，而且大大减少了电器的工作时间，有效延长电器设备的寿命。在主机关闭后，连接在插座上的其它电器随即完全切断电源，防止过载、短路及雷击时损坏电器。
2 感应式节能插座的研究与设计
2.1 热释电效应
若使某些强介电质物质的表面发生变化，随着温度的上升或下降，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应。热释电红外传感器的窗口接收光线，滤波片对自然界中的白光具有抑制作用，只有特定波长的红外线才能通过滤波片照射在热释电元件上。当由于热释电元件的上下两个表面受到的照射不同，产生电子形成电流，电流经过场效应管后放大输出电压信号。热释电红外传感器的光波灵敏特性在0.2～20μm，人体辐射红外线波长约为9～10μm。因此要使用一块波长范围是8～11μm的带通滤光片把不需要的光波滤掉。
2.2 热释电红外传感器装置
由于热释电元件本身的检测能力有限，而且需要辅助电路，所以实用性差。因此，通常厂家大都提供完整的传感器装置，而不是简单的传感器元件。多功能传感器内部有定时器；通用型的体积小、价格低，检测人的传感器内部设有滤波电路，可避免误报警。这些装置用户可通过电阻电容的调节任意设定灵敏度和定时时间。这些传感器装置都很容易安装到照明装置上，使它只在晚间工作，或用于灯具控制。检测人的传感器检测距离为5m。只要人体温度大于环境温度4℃即可。
2.3 传感信号处理电路
传感信号处理电路采用具有独立的高输入阻抗运算放大器的BISS0001芯片进行设计，BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。BISS0001芯片工作电压是3～6 V，推荐使用5 V；当工作电压为5 V时，输出的驱动电流对应为10 mA；工作温度为-20℃～70℃；贮存温度-40℃～125℃。
2.4 电源部分
220 V市电经过变压器输出5 V交流电压，经桥堆整流，再经电容滤波后送入三端稳压器7805，由7805脚输出的5 V直流电压再经电容滤波得到稳定的电压，只要开关S闭合，电源就可以为下级电路供电。
2.5 电磁继电器的工作原理和选用
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯而吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下吸合。
控制电路的电源电压为5V，被控制电路为家用电路220V，考虑到插座上可能连接多种功率较大用电器，必须选用最大电流至少达10 A的继电器。此继电器需要安装在体积较小的插座盒内，需要选用超小型继电器产品。综上考虑，我们选择了体积超小，性能稳定的泰明牌焊脚型PCB式继电器，型号为JQC-3F（T73）DC5V10A。
2.6 插座电路综合设计
通过热释电传感器感应人体辐射的红外线来判断是否有人在，然后放大输出一个控制信号来控制继电器，再通过继电器来控制用电器的通断，从而达到节能的目的。下图是本设计的电路组成框图。
本人采用热释电传感器RE200B，传感信号处理电路采用具有独立的高输入阻抗运算放大器的BISS0001芯片进行设计，内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器。继电器采用常用的泰明牌JQC-3FDC5V10A继电器。
经测试，本电路在传感器配合菲涅尔透的情况下可以很好地探测到10m以内的人体，并做出开关动作，但要注意将传感器的视角摆放在向外的一侧。此电路还可以对延迟时间进行设置，控制用电器在人或离开后的某一时间开关。
3 结论
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