付貝貝，朱向冰，金慧敏

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000)

極低功耗待機電路的研制

付貝貝，朱向冰，金慧敏

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖241000)

產(chǎn)品的待機功耗是指產(chǎn)品連接到電源上且處于等待狀態(tài)，未運行其主要功能時的耗電量。為了進一步節(jié)能環(huán)保，需要降低電視、空調(diào)、機頂盒等家用電器的待機功耗。提出一種極低功耗的遙控接收和按鍵響應電路，電路主要是由單片機、開關電源、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狀態(tài)時的電源需求。

待機功耗；單片機；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。電視機的待機功耗可以達到0.5 W，空調(diào)的待機功耗一般為3 W，數(shù)字機頂盒為5 W左右，全世界的各種家用電器在待機的情況下將會消耗可觀的電力能源。目前用于降低待機功耗的技術有兩類，一類技術采用電池或電容等儲能元件供電，在家用電器正常工作時從外接工作電源中獲取一部分電能，在待機時利用這部分的電能，即在待機狀態(tài)下使用的能源是從工作電源中獲得的；另一類技術采用太陽能電池板供電，由于在待機狀態(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，還進一步增加了電器體積，導致不能推廣使用。

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

1 整體電路設計

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

圖1 電路的框圖

電路中的單片機大部分時間處于休眠狀態(tài)。單片機先使紅外接收元件工作，單片機進入休眠狀態(tài)。當紅外接收元件收到信號后使單片機從休眠狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)，單片機識別紅外接收元件接收到的信號并閉合繼電器，給負載接通220 V交流電。如果在一段時間內(nèi)紅外接收元件一直沒有使單片機恢復到正常狀態(tài)，看門狗就使單片機從休眠狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)，單片機關閉紅外接收元件，單片機再次進入休眠狀態(tài)，等待看門狗將單片機喚醒后，單片機開啟紅外接收元件，單片機再次進入休眠狀態(tài)。

在按鍵閉合時，電源線導通，單片機從休眠狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)，單片機檢測到電流互感器變化的信號閉合繼電器，給負載接通220 V交流電，電流互感器檢測負載的功耗并發(fā)送信號到單片機，單片機判斷當前電器是在待機狀態(tài)還是在工作狀態(tài)，如果是待機狀態(tài)并持續(xù)了一定長的時間，則單片機使繼電器、紅外接收元件停止工作，并且單片機進入休眠狀態(tài)，等待信號使單片機恢復到正常狀態(tài)。

1.1 單片機

選用PIC16F系列單片機，該系列單片機具有低功耗特性，可大大降低整個系統(tǒng)的功耗。通過睡眠模式及中斷喚醒來實現(xiàn)單片機的低功耗運行，通過控制元器件的使能端來關閉無效運行的外圍電路，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的低功耗[4]。單片機是數(shù)據(jù)處理中心，負責檢測、處理信號以及控制其他元件的導通和關斷。電路中使用單片機內(nèi)部震蕩器、看門狗等，并合理處理單片機不使用的IO口，能顯著降低待機功耗[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。三極管的基級和單片機的RC0端口相連接，單片機通過控制RC0端口電平的高低，控制三極管的導通，進而控制升壓電路的導通和繼電器的閉合。由于斷電時電感產(chǎn)生的續(xù)流電流可能會損壞三極管，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 開關電源

開關電源將220 V交流電轉(zhuǎn)換成+5 V的直流電壓送至單片機的RD1端口。當按下按鍵時，開關電源模塊的輸出電壓供給單片機使用和檢測，同時RD1端口可以檢測到+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家用電器的電流信號，單片機根據(jù)電流互感器檢測到的電流信號判斷家用電器是否處在待機狀態(tài)。電路所用的電流互感器是ZMCT103C，依據(jù)電磁感應原理，起到變流和電氣隔離作用。電流互感器檢測到的信號經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓輸出直流電壓，連接到單片機的RB5端口上，單片機將輸出信號與設定值進行比較，當輸出信號大于設定值時，交流電源導通，電路處于正常工作狀態(tài)，當輸出信號小于設定值并持續(xù)一段時間時，交流電源斷開，電路處于待機狀態(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，靠瞬間產(chǎn)生的電信號來激活單片機工作。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的RC1和RB1端口。當RC1端口輸出高電平時，紅外接收元件停止工作，當RC1端口輸出低電平時，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)送給單片機進行檢測。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、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，使儲存的電能滿足電路待機時的需求。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板。即便在50 LUX的弱光下，采用幾個光電池并聯(lián)也能使電路正常工作。

2 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計部分包括程序初始化、開啟紅外接收元件、進入休眠等待喚醒、判斷檢測處理紅外信號、置一標志位、閉合繼電器、檢測電流信號并判斷是否長時間小于設定值、關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)，當電路處在第一低功耗狀態(tài)時，紅外接收元件在工作，單片機大部分時間處在低功耗狀態(tài)，當電路處在第二低功耗狀態(tài)時，紅外接收元件停止工作，單片機也處在低功耗狀態(tài)。合適地選擇兩個低功耗狀態(tài)的時間，既保證電路能及時響應遙控和按鍵信號，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 實驗測試與分析

待機電路極低功耗從兩個方面體現(xiàn)：一方面，從系統(tǒng)硬件電路上，用單片機控制電源的閉合與關斷，使家用電器待機時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；二段判斷紅外信號至判斷是否有標志位；三段判斷是否有標志位至關閉紅外接收元件；四段關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)字萬用表分別測得各段單片機所走的時間及對應的電路電流，得出此時電路平均電流約25 μA，待機電路功耗約0.1 mW。

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

4 結(jié)論

該待機電路能夠智能并低耗地控制家用電器。利用此待機電路可真正實現(xiàn)待機的電能完全不從工作電源中獲得。利用遙控信號或按鍵信號，可以快速喚醒單片機。該待機電路的待機電流和待機功耗極低，比市面上的控制電路更具有優(yōu)勢。該待機電路可以應用于各種家用電器，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斷；另一種方式是將單片機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，由于整個電路的體積小，適合裝到家用電器中，既降低了待機功耗，還降低了整個系統(tǒng)的成本,便于推廣。

[1] 桑坤,金慧敏,朱向冰. 一種自整角機信號發(fā)生器設計[J].微型機與應用,2016,35(9):34-36.

[2] 崔晶晶,曾以成,夏俊雅. 一款應用于LED驅(qū)動的過溫保護電路[J].電子技術應用,2017,43(6):41-44.

[3] 沈毅斌,田巧玉. 基于涓電流檢測的節(jié)能插座設計[J]. 電子測試,2016(21):40-41.

[4] 徐曉磊,姜波,薛錦誠,等. 單片機系統(tǒng)的低功耗設計與應用[J]. 電測與儀表,2000,37(10):28-31.

[5] 趙賀. 單片機系統(tǒng)設計中低功耗的探討[J]. 自動化與儀器儀表,2009(6):66-68.

[6] 楊素行. 模擬電子技術基礎簡明教程(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.極低功耗待機電路的研制J.微型機與應用，2017,36(24)：19-21.

2017-06-21)

付貝貝(1994-)，女，碩士，主要研究方向：硬件電路設計。

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

金慧敏(1991-)，女，碩士，主要研究方向：軟件設計。