極低功耗待機(jī)電路的研制

付貝貝，朱向冰，金慧敏

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

極低功耗待機(jī)電路的研制

付貝貝，朱向冰，金慧敏

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

產(chǎn)品的待機(jī)功耗是指產(chǎn)品連接到電源上且處于等待狀態(tài)，未運(yùn)行其主要功能時(shí)的耗電量。為了進(jìn)一步節(jié)能環(huán)保，需要降低電視、空調(diào)、機(jī)頂盒等家用電器的待機(jī)功耗。提出一種極低功耗的遙控接收和按鍵響應(yīng)電路，電路主要是由單片機(jī)、開關(guān)電源、電流互感器、繼電器、紅外接收元件、電池、升壓電路等組成，利用單片機(jī)休眠狀態(tài)使電路平均電流從300μA降到25μA，通過9cm2的光電池可滿足電路待機(jī)狀態(tài)時(shí)的電源需求。

待機(jī)功耗；單片機(jī)；繼電器；紅外接收元件

0 引言

大多數(shù)情況下，家用電器處在待機(jī)狀態(tài)下仍然連接著電源，這不僅存在著安全隱患，而且有一定的功耗。電視機(jī)的待機(jī)功耗可以達(dá)到0.5 W，空調(diào)的待機(jī)功耗一般為3 W，數(shù)字機(jī)頂盒為5 W左右，全世界的各種家用電器在待機(jī)的情況下將會(huì)消耗可觀的電力能源。目前用于降低待機(jī)功耗的技術(shù)有兩類，一類技術(shù)采用電池或電容等儲(chǔ)能元件供電，在家用電器正常工作時(shí)從外接工作電源中獲取一部分電能，在待機(jī)時(shí)利用這部分的電能，即在待機(jī)狀態(tài)下使用的能源是從工作電源中獲得的；另一類技術(shù)采用太陽(yáng)能電池板供電，由于在待機(jī)狀態(tài)下電路的功耗比較大，需要的光電池板的面積比較大，這不僅增加了成本，還進(jìn)一步增加了電器體積，導(dǎo)致不能推廣使用。

為此本文提出了一種體積小、成本低、安全性高的待機(jī)電路，并適用于各種家用電器。在電路處于待機(jī)狀態(tài)下，能自動(dòng)切斷工作電源，并且無論待機(jī)時(shí)間多久都能通過遙控信號(hào)或按鍵信號(hào)使電路恢復(fù)到工作狀態(tài)，即可以用紅外元件無線控制和按鍵有線控制，從而達(dá)到節(jié)約能源、及時(shí)響應(yīng)的目的。

1 整體電路設(shè)計(jì)

圖1是該極低功耗的遙控接收和按鍵響應(yīng)電路的框圖。電路主要由單片機(jī)[1]、開關(guān)電源、電流互感器、繼電器、紅外接收元件、電池、升壓電路[2]等組成。通過檢測(cè)電路中電流大小、紅外遙控信號(hào)或按鍵信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作電源的智能控制[3]。

圖1 電路的框圖

電路中的單片機(jī)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。單片機(jī)先使紅外接收元件工作，單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)紅外接收元件收到信號(hào)后使單片機(jī)從休眠狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，單片機(jī)識(shí)別紅外接收元件接收到的信號(hào)并閉合繼電器，給負(fù)載接通220 V交流電。如果在一段時(shí)間內(nèi)紅外接收元件一直沒有使單片機(jī)恢復(fù)到正常狀態(tài)，看門狗就使單片機(jī)從休眠狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，單片機(jī)關(guān)閉紅外接收元件，單片機(jī)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待看門狗將單片機(jī)喚醒后，單片機(jī)開啟紅外接收元件，單片機(jī)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。

在按鍵閉合時(shí)，電源線導(dǎo)通，單片機(jī)從休眠狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，單片機(jī)檢測(cè)到電流互感器變化的信號(hào)閉合繼電器，給負(fù)載接通220 V交流電，電流互感器檢測(cè)負(fù)載的功耗并發(fā)送信號(hào)到單片機(jī)，單片機(jī)判斷當(dāng)前電器是在待機(jī)狀態(tài)還是在工作狀態(tài)，如果是待機(jī)狀態(tài)并持續(xù)了一定長(zhǎng)的時(shí)間，則單片機(jī)使繼電器、紅外接收元件停止工作，并且單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待信號(hào)使單片機(jī)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

1.1 單片機(jī)

選用PIC16F系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)具有低功耗特性，可大大降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。通過睡眠模式及中斷喚醒來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的低功耗運(yùn)行，通過控制元器件的使能端來關(guān)閉無效運(yùn)行的外圍電路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的低功耗[4]。單片機(jī)是數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)檢測(cè)、處理信號(hào)以及控制其他元件的導(dǎo)通和關(guān)斷。電路中使用單片機(jī)內(nèi)部震蕩器、看門狗等，并合理處理單片機(jī)不使用的IO口，能顯著降低待機(jī)功耗[5]。

1.2 升壓電路

圖2 升壓電路

升壓電路用于將電池的輸出電壓提升到+5 V給繼電器供電。升壓電路采用的是DB628，輸入為+2 V～+5 V，輸出為+5 V。繼電器工作電壓是直流5 V，觸電電壓可以用在220 V交流電。三極管的基級(jí)和單片機(jī)的RC0端口相連接，單片機(jī)通過控制RC0端口電平的高低，控制三極管的導(dǎo)通，進(jìn)而控制升壓電路的導(dǎo)通和繼電器的閉合。由于斷電時(shí)電感產(chǎn)生的續(xù)流電流可能會(huì)損壞三極管，因此在繼電器上反向并聯(lián)二極管[6]。升壓電路如圖2所示。

1.3 開關(guān)電源

開關(guān)電源將220 V交流電轉(zhuǎn)換成+5 V的直流電壓送至單片機(jī)的RD1端口。當(dāng)按下按鍵時(shí)，開關(guān)電源模塊的輸出電壓供給單片機(jī)使用和檢測(cè)，同時(shí)RD1端口可以檢測(cè)到+5 V直流電壓，因此可以用來判斷按鍵是否被按下。

1.4 電流互感器

圖3 電流互感器電路

電流互感器用于檢測(cè)家用電器的電流信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)電流互感器檢測(cè)到的電流信號(hào)判斷家用電器是否處在待機(jī)狀態(tài)。電路所用的電流互感器是ZMCT103C，依據(jù)電磁感應(yīng)原理，起到變流和電氣隔離作用。電流互感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓輸出直流電壓，連接到單片機(jī)的RB5端口上，單片機(jī)將輸出信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)輸出信號(hào)大于設(shè)定值時(shí)，交流電源導(dǎo)通，電路處于正常工作狀態(tài)，當(dāng)輸出信號(hào)小于設(shè)定值并持續(xù)一段時(shí)間時(shí)，交流電源斷開，電路處于待機(jī)狀態(tài)。電流互感器的電路圖如圖3所示。

1.5 紅外接收元件

圖4 紅外接收元件電路

紅外接收元件用于接收遙控器發(fā)射的紅外信號(hào)，靠瞬間產(chǎn)生的電信號(hào)來激活單片機(jī)工作。電路所用的紅外接收元件是HS0038BD。紅外接收元件的控制端口和輸出電壓連接到單片機(jī)的RC1和RB1端口。當(dāng)RC1端口輸出高電平時(shí)，紅外接收元件停止工作，當(dāng)RC1端口輸出低電平時(shí)，紅外接收元件開始工作。RB1端口將紅外接收元件輸出電壓發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。紅外接收元件電路如圖4所示。

1.6 電池

電池用于給單片機(jī)、紅外接收元件和繼電器供電，電池電路包括光電池和鋰電池等。通過外接的光電池可以給鋰電池供電，使儲(chǔ)存的電能滿足電路待機(jī)時(shí)的需求。光電池采用的是SSETC ST-3722-9，在室內(nèi)弱光下輸出電壓是+5.5 V，輸出電流是30 μA。鋰電池采用的是300 mAh，自帶充電和放電保護(hù)板。即便在50 LUX的弱光下，采用幾個(gè)光電池并聯(lián)也能使電路正常工作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分包括程序初始化、開啟紅外接收元件、進(jìn)入休眠等待喚醒、判斷檢測(cè)處理紅外信號(hào)、置一標(biāo)志位、閉合繼電器、檢測(cè)電流信號(hào)并判斷是否長(zhǎng)時(shí)間小于設(shè)定值、關(guān)閉繼電器和紅外接收元件、看門狗喚醒等。

本電路有兩種不同的休眠狀態(tài)，當(dāng)電路處在第一低功耗狀態(tài)時(shí)，紅外接收元件在工作，單片機(jī)大部分時(shí)間處在低功耗狀態(tài)，當(dāng)電路處在第二低功耗狀態(tài)時(shí)，紅外接收元件停止工作，單片機(jī)也處在低功耗狀態(tài)。合適地選擇兩個(gè)低功耗狀態(tài)的時(shí)間，既保證電路能及時(shí)響應(yīng)遙控和按鍵信號(hào)，又能使電路的功耗降到最低。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

待機(jī)電路極低功耗從兩個(gè)方面體現(xiàn)：一方面，從系統(tǒng)硬件電路上，用單片機(jī)控制電源的閉合與關(guān)斷，使家用電器待機(jī)時(shí)所消耗工作電源功耗為零；另一方面，從系統(tǒng)軟件程序上，用程序智能控制家用電器。由圖5所示程序流程圖可知，一段開啟紅外接收元件至判斷紅外信號(hào)；二段判斷紅外信號(hào)至判斷是否有標(biāo)志位；三段判斷是否有標(biāo)志位至關(guān)閉紅外接收元件；四段關(guān)閉紅外接收元件至看門狗喚醒；五段看門狗喚醒至開啟紅外接收元件。用示波器和數(shù)字萬用表分別測(cè)得各段單片機(jī)所走的時(shí)間及對(duì)應(yīng)的電路電流，得出此時(shí)電路平均電流約25 μA，待機(jī)電路功耗約0.1 mW。

市面上的控制電路待機(jī)電流約30 μA，待機(jī)電路功耗約0.011 W。應(yīng)用以上待機(jī)電路后，電路平均電流可降至25 μA，待機(jī)電路功耗約0.1 mW，且一切開關(guān)機(jī)正常。該待機(jī)電路使待機(jī)電流和待機(jī)功耗達(dá)到了較高的技術(shù)指標(biāo)，大大降低了待機(jī)功耗，節(jié)約能源。

4 結(jié)論

該待機(jī)電路能夠智能并低耗地控制家用電器。利用此待機(jī)電路可真正實(shí)現(xiàn)待機(jī)的電能完全不從工作電源中獲得。利用遙控信號(hào)或按鍵信號(hào)，可以快速喚醒單片機(jī)。該待機(jī)電路的待機(jī)電流和待機(jī)功耗極低，比市面上的控制電路更具有優(yōu)勢(shì)。該待機(jī)電路可以應(yīng)用于各種家用電器，包括沒有遙控功能的家用電器。

智能控制家用電器方式有兩種：一種方式是將電路安裝到插座中，即與家用電器電源電路相結(jié)合，智能控制家用電器與電源的接通與關(guān)斷；另一種方式是將單片機(jī)作為核心元件與后續(xù)的家用電器控制電路完美地結(jié)合，由于整個(gè)電路的體積小，適合裝到家用電器中，既降低了待機(jī)功耗，還降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本,便于推廣。

[1] 桑坤,金慧敏,朱向冰. 一種自整角機(jī)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2016,35(9):34-36.

[2] 崔晶晶,曾以成,夏俊雅. 一款應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)的過溫保護(hù)電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(6):41-44.

[3] 沈毅斌,田巧玉. 基于涓電流檢測(cè)的節(jié)能插座設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)試,2016(21):40-41.

[4] 徐曉磊,姜波,薛錦誠(chéng),等. 單片機(jī)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 電測(cè)與儀表,2000,37(10):28-31.

[5] 趙賀. 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中低功耗的探討[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表,2009(6):66-68.

[6] 楊素行. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程(第3版)[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

Development of very low power consumption standby circuit

Fu Beibei,Zhu Xiangbing,Jin Huimin

(College of Physics and Electronic Information,Anhui Normal University,Wuhu 241000,China)

The standby power consumption of the product is the amount of power consumed when the product is connected to the power supply and is in a wait state without running its main function. In order to relize further energy saving and environmental protection,we need to reduce the standby power consumption of TV,air conditioner,set-top box and other household appliances. This paper presents a very low power remote control receiver and key response circuit. This circuit is mainly composed of single-chip,switching power supply,current transformer,relay,infrared receiving element,batteries,boost circuit and so on. The use of single-chip dormant state of the circuit reduces the average current from 300 μA to 25 μA,through 9 square centimeters of photovoltaic cells can meet circuit standby state power demand.

standby power consumption; single-chip; relay; infrared receiving element

TN79+1

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.006

付貝貝，朱向冰，金慧敏.極低功耗待機(jī)電路的研制J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(24)：19-21.

2017-06-21)

付貝貝(1994-)，女，碩士，主要研究方向：硬件電路設(shè)計(jì)。

朱向冰(1973-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：光電技術(shù)。E-mail:sk7310@163.com。

金慧敏(1991-)，女，碩士，主要研究方向：軟件設(shè)計(jì)。