基于PIC单片机的空调节能插座

【摘要】目前空调的使用量日益增加，在公共建筑单位及家庭中空调温度设定值过低或者过高造成了电能的大量浪费。基于此设计了一种基于PIC16F685单片机的空调专用智能插座，当室内环境温度超出设定的温度值范围时，蜂鸣器发出提示信号或者自动切断电源。经实际测试表明该系统具有很好的控制效果。

【关键词】节能；PIC16F685；TOP221；温度监控

1.引言

《国务院办公厅关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知》（〔2007〕42号）中规定：所有公共建筑内的单位，包括国家机关、社会团体、企事业组织和个体工商户，除医院等特殊单位以及在生产工艺上对温度有特定要求并经批准的用户之外，夏季室内空调温度设置不得低于26摄氏度，冬季室内空调温度设置不得高于20摄氏度。目前，室内空调温度设置超出上述范围的情况相当普遍，而现有的插座普遍不具备温度检测、智能通断电功能，无法判断室内温度是否在规定的范围内，不能在室内温度超出规定时进行提示，造成了电能的极大浪费。基于此本文设计了一种可以监控室内温度并提示或者自动切断电源的插座，可以很好地解决这个问题。

2.系统整体结构

如图1智能插座系统框图所示，本设计包括以单片机PIC12F685为核心的控制电路，空调电流检测电路，继电器电路，温度测量显示电路，蜂鸣器指示灯电路和为整体电路提供工作电源的直流稳压电源电路。

本设计中，当室内温度低于20摄氏度或者高于26摄氏度时，自动接通空调电源，允许空调运行。当室内温度在20至26摄氏度之间时，若空调不处于运行状态则自动断开空调电源，最大限度地节省待机功耗；若空调正在运行，则蜂鸣器发出信号，提醒工作人员温度超出规定范围，需要调整，从而达到节约电能的目的。

2.1 空调电流检测电路

如图2所示，空调工作电流检测电路中的电流互感器的源端接交流输入电压的两端，空调工作电流检测电路的信号输出端接单片机PIC12F685的采样输入端RA0。空调电流检测电路主要由电流互感器T1和取样电压电阻R15，比例放大电阻R14、R16、高频抑制电容C1、运算放大器LM358A、负载电阻R17、以及整流二极管D3、滤波电解电容C3组成。电流互感器T1初级的两个输入端连接在空调电源电路上，次级与取样电压电阻R15并联，取样电压电阻R15的电压信号与运算放大器LM358A的反相端2脚连接，运算放大器LM358A的1脚输出放大的交流电压信号端连接整流二极管D3，在整流二极管D3的输出端连接滤波电解电容C3。电阻R15将感应的交流充电电流转换成交流电压；运算放大器LM358A被接成反相放大器，反相放大器增益在这里仅由R14和R16的取值决定：K=R16/R14，当蓄电池开始充电时，感应的交流电流信号经R15转换为交流电压信号后输入LM358A的反相端2脚进行放大，运算放大器LM358A的1脚输出放大的交流电压信号，通过二极管D3整流，C3滤波将交流电压信号平均为直流电平信号，连接单片机PIC12F685的RA0端采样端口部分。

2.2 温度测量显示电路

温度测量采用DS18B20温度传感器。DS18B20 数字温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司生产的新一代适配微处理器的智能温度传感器,它采用单总线协议，可直接数字化输出、测试。全部传感元件及转换电路都集成在形如一只三极管的集成电路内；测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃，可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；测量结果直接输出数字温度信号,同时可传送 CRC 校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。适应电压范围宽：3.0-5.5V,单总线上外接一个4.7 K的上拉电阻,以保证总线空闲时, 状态为高电平。

温度显示采用两位一体共阳数码管SM41052A，由三极管S9012驱动。S9012集电极接5V直流稳压电源的输出端，基极通过电阻与单片机PIC12F685的RB7、RB6，发射极接两位一体共阳数码管的位选端，数码管的段选端经限流电阻接单片机PIC12F685的输出端RC7：RC0。

2.3 继电器电路

如图3继电器电路所示，继电器电路由5V继电器K1、三极管Q1(S9012)和整流二极管D1构成，继电器K1的线圈一端接5V直流稳压电源的输出端，另一端与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极通过电阻R1与单片机PIC12F685的继电器驱动输出端RA5连接，发射极接地。继电器K1线圈的两端并联整流二极管D1,在三极管Q1截止后为继电K1线圈中的电流提供一条回路，从而避免线圈产生过大的感应电势损坏三极管。

2.4 直流稳压电源电路

为了提高电能利用率，保证电路工作的稳定性、可靠性，最大限度的减少由电源波动带来的误操作，本设计中采用以TOP221单片开关电源为核心的开关电源电路

如图4所示，交流电AC由两个AC接点Port2、Port3输入，经C11和T2组成的EMI滤波器抑制电磁噪声，进入整流电路D4。整流后的脉动直流电经C5滤波，提供给TOP221开关调制电路。

高频变压器T3的次极绕组有两个，一个是主绕组，它提供电源的主能量，高频电压经肖特基二极管SB540整流后由滤波电容C4,C8滤波，再经电感L1组成低通滤波器向负载输出。L1主要是抑制高频噪声向负载输出，以防止负载受其干扰。输出端的电解电容C9是为了降低输出的交流纹波系数而加的，它主要是降低输出直流电压的交流纹波。另一个次级绕组组成反馈电压绕组，由二极管1N4148整流后加在光敏管PC817两端，输出的反馈电压加在光耦的二极管正极上，电阻R21和高精度可调稳压管TL431组成基准电压源，为光耦提供基准电压，这样光耦中的二极管的发光强度是由输出电压控制的，经光耦耦合到T4的控制端，从而实现脉宽的可控，达到稳压目的，为后续电路提供稳定低电压工作电源。

该电源的输入电压范围可达85-

265VAC，输出电压为5V，可提供0.8A的电流输出。负载调整率为±1%，电源效率约为70%，输出纹波电压小于50mV。

3.系统软件流程

系统的软件流程图如图5所示。

4.系统测试

将此设计中的智能插座的插头插到室内电源上，再将空调插头插到智能插座上，通过调整出三种室内温度进行测试，分别为18℃、23℃、27℃，配合空调遥控器的控制，测出此智能插座完全实现预期功能，工作安全可靠。

5.结语

本文设计的空调专用智能插座采用了高精度温度传感器DS18B20和直流稳压电源，温度测量准确，使用寿命长，减少对空调的影响。由单片机PIC16F685作为控制核心，只要温度超出〔2007〕42号文件规定的温度范围，就会发出提示信号，提醒室内人员调整空调的设定温度，从而节省了宝贵的电力资源。同时，在文件中规定的不需要开空调的温度范围内断开电源也在一定程度上节省了待机功耗，延长空调寿命。

参考文献

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作者简介：杨义军（1969—），男，江苏南通人，大学本科，工程师，扬州大学物理科学与技术学院实验中心副主任，研究方向：电子技术。