基于人体感应技术交流电源连接器的设计与制作

摘要：很多时候，当人们离开用电场所由于没有及时切断电源，会造成电能的浪费甚至引发火灾事故。所以，运用较为成熟的红外感应及无线收发射技术，在电源与用电设备之间，研究设计了一种具有自动断电保护功能的交流电源连接装置。经过实际试用表明，这种连接器确有节电保安效果，具有实际推广应用的价值。
关键词：交流电源；安全；连接；人体感应；电路


O 引言
电力，是当今社会发展中最为重要的能源，是国民经济及广大人民日常生活不可缺少的东西。但能源有限，电来之不易，2008年冰冻灾害，更让人们深切感受到电能在日常生活中所发挥的巨大作用。在享受电给人们生活带来无限乐趣和提供巨大方便的同时，不能忽视由于疏忽大意或使用不当而造成的浪费和带来的灾难。在倡导低碳经济的今天，在进一步提高人们安全用电知识、培养人们节约用电意识的同时，研究设计用电设备安全节能、减少浪费等方面的装置，具有现实意义和实际推广应用的价值。人们日常生活中，多种用电设备要通过导线、移动式插头、插座与电源延长连接，有不少用电设备，如空调、饮水机、电暖器具及某些照明场所，没有人在的时候，是不需要连续供电的。那么，也就可以研究设计基于人体感应技术、用于电源与用电设备之间相连接的装置，使之具有人离电断的功能，从而实现减少用电浪费、达到提高用电安全的目的，也符合当今世界倡导低碳经济的主题。

1 基本设计要求
本设计应该实现以下功能：
(1)当室内有人，且在选定的空间范围(如办公室、客厅)内间歇地活动时，该装置能保证正常供电，使用电设备正常、连续、稳定的工作。
(2)当人离开某些用电空间范围后，装置可在一定时间内自动关闭电源。(如5分钟、8分钟、10分钟等，可以选择。依据试验、统计和分析可知，大部分用电设备在无人状态时，最好能在15分钟内断电)
(3)可作为某些用电设备的附属装置。也可制作成通用型用电设备连接器，既可连接单相交流电，也可以用于三相交流电源的连接。
(4)要有断电自锁保护功能。
(5)依据本设计的基本原理，可以设计应用到大中专院校教室、实验室室内的总开关接线盒或控制器上。

2 总体结构组成
系统总体结构组成示意如图1所示。
从图l可知，系统分成了两个彼此独立

的部分，即感应人体信号、经处理后实现信号的间隔发射部分，和接收处理后与插座连接的部分。其中感应与间歇发射部分，可设计制作成一个小巧、且具有一定艺术造型的装饰品，放置于室内人员相对固定的场所旁边，如办公桌、饮水机、空调等处。考虑到人体红外感应接收人体信号的范围和方向性，系统应用了双PIR探头，同时运用了无线收发射技术。这样，能在一定的室内空间范围实现全方位控制。避免出现死角，从而准确保证只要有人在这样一个一定空间范围内，就能保证稳定连续的供电。
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3 主要电路原理简介
3．1 感应发射部分
该部分由人体红外感应模块、自锁延时电路、无线发射电路三部分组成，如图2所示。


人体感应与放大电路：采用了深圳拓安达电子有限公司生产的TAD-838A红外感应模块，去掉光敏器件后直接使用。
自锁延时电路：主要运用了RC延时原理。当人体红外接收模块感应到人体信号后产生高电平信号输入继电器1的4脚。并由常闭端6输出。经三极管放大，带动继电器2工作，继电器2左侧的常开脚8得电，接通无线发射部分发射信号；继电器2右侧的常开脚13也得电，使得电容C1迅速充电，并经放大三极管放大接通继电器1，从而又断开继电器1的常闭脚4、6，此时，人体红外线接收模块的信号对电路不起作用。这时继电器2也断开，电容C2由可调电阻R3缓慢放电维持继电器1的闭合状态。继电器2的通断在瞬间完成，即瞬间触发了无线发射部分，接下来由RC保持自锁一段时间(该时间可调)，也就是继电器2不工作，在这段时间内即使红外模块感应到人体热量也不会触发无线发射部分，所以能起到……
无线发射电路：电路由左边延时部分触发接通。电路由CD4069六反相器中的A、B、电阻R5、晶振组成高频振荡器，C、D、E、F分别组成整形及驱动电路，信号经三极管9018放大，再经L2、C1、C4谐振后向空中发射。
3．2 接收控制部分
(1)无线接收电路：与其配套的无线接收电路如图3所示。


当接收到信号后，经过放大处理，在图3的信号输出端输出高电平，该端口连接接收控制部分的信号处理延时电路，触发延时。即可通过无线收发射电路实现间接感应触发，达到全方位多角度、更可靠地保证电源的接通。
(2)红外感应与信号处理电路：电路如图4所示。


本设计参考了温州市龙湾求精开关厂、深圳市拓安达电子有限公司等厂家生产的有关人体红外感应开关电路，采用红外感应信号处理芯片CSC9803。电路主要包括了电源电路、人体热释电红外线传感器、信号处理芯片、控制及执
行电路等部分。电源电路通过阻容(R15和C12)降压，并经过D1、D2整流，将220 V交流电转换成可供芯片及外围电路工作的低压直流电(4．0 V～5．5 V)。CSC9803芯片工作电压为直流4．O V～5．5 V，内置稳压3．1 V输出直接驱动PIR管。人体红外释热传感器PIR探头感应到信号经CSC9803芯片内部放大，若判断有触发，运放输出高电平，防止误触发。控制信号由芯片的11脚输出，经三极管放大控制双向可控硅导通，从而控制外部交流接触器或继电器电磁线圈持续接通。[p]
外围电路中的R13为1 MΩ固定电阻，R12为微型可调电阻，两电阻与C11组成RC电路，通过调节R12的值，经8脚可以改变CSC9803内部定时器定时时间长短。实现对延时时间的控制。若没有触发，在定时器计时周期结束时，11脚即输出控制信号(低电平)，经三极管控制双向可控硅的截止，使外部电路断开。在定时器计时周期内，若2脚又接收到信号(包括直接的人体信号和经由无线收发射得到的信号)实之触发，则定时器又将重新开始计时。
试验得知在总电阻R=R12+R13=1 MΩ时，可控硅接通时间约为4分钟；当R=R12+R13=3 MΩ时，可控硅接通时间约达到9分钟，显然，要达到更长时闯的延时，只要增加电阻值即可实现。
为了增加人体的有效感应面(感应范围)，设计中采用了并联两只PIR管，可以通过三根连接线将其连接后相互垂直，分别安装在不同位置，但要尽可能的缩短相互间的连接线，以防止信号衰减后太弱。当然在实际当中经过试制试验后可知，只要延时时间在十分钟以上，且有间歇触发的收发射装置，只用一个PIR管基本上也能实现。

4 一种通用型连接器系统组成实例
这里所说的通用型，是指既可连接单相交流电，也可以用于三相交流电源的连接，且能够适应常用的几种典型的电源插座的连接，如三相四线、三孔10 A或16 A、双孔等，当然可以用于包括单相或三相空调等多种不同电器设备的连接。实际上，通过几个相应的插头插座即可实现。
系统电路连接原理如图5所示。


图5主要是在原理上说明其通用型应用的方法和实现功能的可能。实际使用中，如果不是应用在经常需要变动的场合，应该设计制作成某种专用型的比较经济实惠，即使要做成通用型，也一定要考虑插头插座的组合，尤其是在使用中，不要让不用的插头暴露在外，一定要将其插入到相应的插座中，以免发生触电事故。同时，在连接线路时，特别是接插平常最普遍的两脚扁插头时，要注意火线与零线分别对应。千万不能搞反了，否则就会引起短路导致跳闸或烧保险。
图5中常用插头插座组合板，实际上是把日常使用中几种不同功率、不同形状的插座相互并联，再将各种不同的插头插座分别并联后，将不使用的插头插入到相应的插座中。图中组合式插座并接于三相四线的火线和零线，用电设备的电源由此引出。
若在实际当中推广应用，为能确保安全，必须对常用插头插座组合板部分进行一种自锁式结构设计，以保证在使用时只可以出来一个插头。即只有把原来的插头插入相应插座后，另一个才能出来与外电源连接。

5 结束语
在系统设计与协调中，应保证间歇发射的时间间隔要小于信号处理延时电路所设计的延时时间，只有这样才能保证在信号处理延时电路的延时时间结束之前，就能接收到新的信号，使之信号处理延时电路归零后能重新计时，周而复始，达到只要有人能在设定的时间内回到这个房间，就能保证其供电的连续性，反之而实现其人离电断的可靠性。试制的样品在电暖器、饮水机、三相及单相空调等方面已进行了近二
年多的试用，结果表明，连接器性能稳定，工作可靠。确有节电和保安的功能，完全达到了设计要求，具有继续研究完善、实际推广应用的价值，且可以推广应用到大中专院校部分教室和部分实验室室内的总开关接线盒或控制器上。