節(jié)能樹

程佳琪

摘要：外形為“節(jié)能樹”的待機狀態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)，寓意“多源節(jié)能，智能環(huán)?！?。本文詳細分析了無線收發(fā)模塊的原理，通過改造無線發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)，改變收發(fā)裝置的觸發(fā)模式，使新功能引腳收發(fā)信號，并做出相應(yīng)動作，實現(xiàn)自動通斷待機電路。系統(tǒng)設(shè)置了控制驅(qū)動模塊，加以精確識別并顯示出觸摸點所在的坐標，完成LCD顯示屏計算并顯示信息，處理A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。太陽能市電互補發(fā)電板，引進了先進的市電互補切換功能，通過使用微處理器和專用控制算法，實現(xiàn)智能控制。

關(guān)鍵詞：待機檢測；無線控制；節(jié)能環(huán)保；智能家居

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）52-0001-02

節(jié)能樹收集節(jié)約的待機電能，并將之投入其他用電設(shè)備中，契合國家倡導(dǎo)的“減量化、再利用”先進資源循環(huán)利用的目標。本設(shè)計利用太陽能電池板進行光伏發(fā)電，不僅實現(xiàn)了發(fā)電設(shè)備體積小，安裝方便的特點，更作為一種理想的可再生能源發(fā)電技術(shù)得以利用，對于可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能減排等各種社會措施具有重要的研究價值。在感知和識別涓電流、采集和捕獲待機狀態(tài)等信息上，運用了物聯(lián)網(wǎng)感知層方面的相關(guān)知識。不僅突破了用電設(shè)備的傳統(tǒng)單一節(jié)能模式，還實現(xiàn)了用電設(shè)備的遠程監(jiān)控，順應(yīng)了當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大趨勢，具有廣闊的市場前景。

一、節(jié)能樹的工作原理

太陽能電源模塊作為裝置第一能量來源，主要實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，并通過內(nèi)部的電力變換等裝置實現(xiàn)升降壓轉(zhuǎn)換，將光伏電池產(chǎn)生的電能，合理利用于51單片機信號處理與傳輸部分；涓電流檢測模塊主要檢測室內(nèi)待機裝置的電流，并通過無線收發(fā)器將待機電源電流信號來源發(fā)送給單片機，單片機通過系統(tǒng)內(nèi)已編制好的C語言程序，對所接收信號進行相應(yīng)處理，并將有效控制信號再次通過無線收發(fā)器發(fā)送給控制模塊，由該控制模塊對與之相連的電器對象進行自動開關(guān)控制；TS液晶顯示屏主要用來顯示電器待機狀態(tài)、節(jié)約電能、供電電能，以及時間等信息，用戶可通過簡單方便的觸屏方式，來實現(xiàn)人性化的人機信息交流。

二、節(jié)能樹的模塊

1.待機電流檢測模塊。電流的測量可以采用電流互感器和霍爾元件的霍爾效應(yīng)來測量電器中通過的電流。在本試驗中，我們采用ACS712電流傳感器對電流進行測量，將交流電流轉(zhuǎn)化為模擬的電壓輸出形式，然后對模擬電壓進行AD轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換即可很方便地測量測量出電路中的交流電流值?？梢詼y量交流電流正負5A電流，輸出為電壓為185mV/A，當(dāng)電流輸入時，所產(chǎn)生的電壓與輸入電流有很好的線性性質(zhì)，應(yīng)用時誤差較小，使用時也很簡單。因此可采用ACS712設(shè)計本實驗的電流測量模塊。硬件電路設(shè)計中，檢測模塊負責(zé)檢測負載輸入端口不同狀態(tài)下的電壓波形，并將采樣到的波形數(shù)據(jù)送入后級放大電路，經(jīng)過放大后的波形數(shù)據(jù)交由比較電路和單片機進行分析處理。比較電路負責(zé)對采樣到的待機波形和工作波形進行對比判斷，使節(jié)能樹發(fā)出的無線信號，向插座繼續(xù)發(fā)送無線信號命令，使之能夠完成自動關(guān)斷功能的關(guān)鍵電路。

2.無線收發(fā)模塊。A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，傳送給單片機，單片機將接收到的信后經(jīng)過處理后，通過串行通訊接口傳輸?shù)綗o線數(shù)據(jù)通訊模塊的發(fā)射端，再經(jīng)過調(diào)制后發(fā)射到接收端，接收端接收后進行數(shù)據(jù)處理。從插座的四個插口模塊的引線連接無線發(fā)射模塊，當(dāng)待機電器所插開關(guān)處發(fā)出的涓流待機高電平信號觸發(fā)無線發(fā)射模塊后，被樹模內(nèi)部的無線接收裝置接收，幾乎與此同時，節(jié)能樹的果實內(nèi)部小燈點亮，提示用戶此時有電器待機。同時，信號被分配給單片機，單片機攜帶信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將有效的待機信號傳送給TS液晶顯示板。經(jīng)簡單地計算和A/D轉(zhuǎn)換后，用戶可在顯示屏上直接觸屏式選擇是否完全斷開電源，經(jīng)選擇后過濾出的有效信號，繼續(xù)傳送到同樣與TS液晶顯示板內(nèi)的單片機相連的無線發(fā)射模塊，并由此將最終信號無線反饋給插口引線端，從而，引線上的無線接收器收到信號，作出相應(yīng)動作，實現(xiàn)自動通斷待機電路。

3.單片機最小系統(tǒng)及時間模塊。①單片機最小系統(tǒng)模塊。本部分以無線收發(fā)器為載體，實現(xiàn)信號在總指揮站“節(jié)能樹”和目標家用電器之間的傳輸。借用普通的家電遙控器，即可實現(xiàn)單片機控制模塊的啟動。而太陽能電池板將為此單片機供電，為防止天氣不好的狀況，為它配備了備用的電源。②時間模塊。選用“1302時鐘模塊”，附于單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)。用VC做出簡單的上位串口通信語言，收集待機信號的時間數(shù)據(jù)時使用，通過單片機軟件編程來實現(xiàn)功率計算。

4.TS觸摸式液晶顯示模塊。迪文Mini DGUS屏的所有參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)下載，只能通過SD接口來完成。支持SD或SDHC兩種SD卡格式。采用異步、全雙工串口（UART），串口模式為8n1（51單片機的MOD1，9bit UART），即每個數(shù)據(jù)傳送采用10個位：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位。串口波特率則通過SD卡來配置。通過串口發(fā)送正確的密碼到正確的存儲空間位置，SD卡將被激活一次。本系統(tǒng)設(shè)置的幀頭為（0xA55A），即A5 5A 0B 82 60 00 31 32 33 34 35 36 37 38，重啟SD卡。

5.太陽能市電互補電源模塊。該模塊具有先進的市電互補切換功能。它采用市電單獨給負載供電，而非市電直接加到蓄電池上的接入方式，可減小市電對蓄電池和市電電源造成的損壞，能有效減少市電電源功率配置。同時，具有市電檢測功能，當(dāng)有市電時，蓄電池電壓下降到市電切換電壓點時自動切換到市電供電，無市電時，蓄電池持續(xù)放電到過放點后關(guān)閉輸出。

6.系統(tǒng)軟件設(shè)計。系統(tǒng)軟件流程圖如下圖1所示。

三、節(jié)能樹的創(chuàng)新與特色

1.智能檢測性。用電器插頭處設(shè)有電流傳感器，采集電流，通過比較波形，檢測出涓流待機電流，“節(jié)能樹”的果實部會以點亮小燈的形式提醒用戶，做到人機交流，實現(xiàn)對任意電器待機的智能檢測。

2.無線自動化操控性。通過用戶自我識別樹上“果實”是否點亮，判斷待機設(shè)備存在與否，并通過觸摸顯示屏上的開關(guān)直接關(guān)閉。需要使用電器時，在同一位置打開開關(guān)即可。

3.TS觸屏式控制。本文的觸摸屏在控制器的作用下完成了觸摸坐標信息采集及A/D轉(zhuǎn)換，并將處理后的信息送到控制器中，實現(xiàn)了信息交互功能。

4.環(huán)保性。利用先進的太陽能、市電互補切換技術(shù)供電；也可把待機耗費的電能按計量搜集，利用到其他家用電器供電上，巧妙地運用了經(jīng)典的“能量轉(zhuǎn)換定律”，達到零排放和安全無傷害的目的。

四、節(jié)能樹的雛形

五、結(jié)論

本系統(tǒng)極大地減少了用電設(shè)備的不必要消耗量，同時提高了電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理水平，有很好的社會效益和經(jīng)濟效益，做到能量高效合理利用。但在運行中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如太陽能發(fā)電與市電進行轉(zhuǎn)換時，有時出現(xiàn)故障，我們的團隊預(yù)計將本系統(tǒng)升級開發(fā)至遠程Java觸屏控制，使之實現(xiàn)更便捷的操作。

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