安全电管家——家用电器检测报警仪.docx

目 录目 录11 前言21.1 问题的提出22安全电管家的设计42.1整体设计思想42.2 家用电器的分类与常见家电功率调查42.3 安全电管家的设计路线62.4 提出两种设计方案62.4.1基于电流测量的检测方案62.4.2基于智能功率表的检测方案72.5安全电管家的电路设计102.5.1电源电路的设计122.5.2比较电路的仿真设计132.5.3 焊接与组装143 实验测试结果154 研究总结与创新165 展望16致谢16参考文献17安全电管家 家用电器检测报警仪1 前言家庭中常用的家用电器有电灯、冰箱、洗衣机、电视机、电热水壶、电热毯等，这些家用电器由于种类繁多，且散布放置在家庭中，所以往往在家人有事出门的时候，依然会有个别用电器开着，空耗电能，形成浪费。甚至会有一些用电器忘记关闭会形成灾难性的后果，比如电热毯、电熨斗等。如果存在一种装置可以在家人出门的时候提醒是否还有耗电的家用电器开着，这样就会避免电能的浪费和一些灾难。1.1 问题的提出背景：据统计每年冬季因忘记关闭家用电热器而引起火灾的案件不下三四十余起，给人们的财产和健康带来巨大的损失。案例一：出门前忘记关电褥子引发火灾 2010年10年12月28日21时22分，吉林省延边州延吉市河南消防接到“119”指挥中心调度：位于延吉市婚礼大厦对面一住宅楼二楼一住户家冒烟，家里无人，请快速出警救援。火情就是命令，河南消防迅速出动2台水罐消防车9名指战员火速赶往现场。 21时28分到达现场，只见住宅楼前来了很多围观的群众，并不时的用手指向冒烟住户家。中队指挥员顺着指的方向一看：此住宅楼共10层，浓烟不时的从二楼一住户家窗户冒出，楼内的人员正急匆匆的往外跑。经了解此住户家没有人，房门紧锁着。见此情景，河南消防指挥员首先想到从窗户进入，于是命令战斗员张连超佩戴好空气呼吸器，从隔壁住户家窗户进入二楼外缓台，将窗户打开进入室内。此时，满屋子里已充满了浓烟，经过寻找发现床上的电褥子和棉被已经着了起来。张连超立即用水盆端水将火浇灭，而后，将电褥子和棉被转移到了空旷的地方。经侦察发现火灾原因是由于住户家用电褥子，人走后没有及时关掉，长时间供热，引燃电褥子和被子所至。案例二：忘关电暖气车库起火无人伤亡2010年18日22时35分许，红旗路111号院内一车库起火。市消防支队一中队接到报警后，出动5车20人赶赴现场，火灾于23时许被扑灭，无人伤亡。 记者赶到现场时，消防官兵正准备检查完火灾现场后撤离。在漆黑的车库里借助微弱的灯光，依稀可看到地面上被烧黑的门帘子，还有饭碗和一些炊具散落在车库内，里面还躺着一个煤气罐。 住在车库旁边的张先生说，当时，他家里的灯忽然灭了，跑出来一看隔壁的车库冒起了浓烟，他赶紧通知了旁边花店的人。花店老板张女士说：“这个车库是我租的，没人住，一般用来做饭，我走的时候忘记关闭电暖气，暖气把门帘子烤着了，幸好没有什么损失。”案例三：忘关电饭煲引发火灾温州市区下吕浦一住宅发生火灾，温州支队下吕浦中队接到报警后迅速出动3辆车，18名关闭不过火速赶往现场，到现场后经群众指引和现场侦察发现，在居民楼二楼一窗口有大量浓烟冒出，没有人员被困，户主有不在家。现场指挥员通过观察后立即下令，有破拆窗户进入室内再将防盗门打开施救。由于起火部位在二楼，房门被锁。消防员只能架设6米拉梯至二楼，然后由一名战士利用绝缘剪速断器将窗户外的防盗网剪开进入房内将门打开。通过侦查员发现烟雾来源屋内放在桌子上的电饭锅因没关掉电源而起火，索性周围无可燃物，没有引起其他灾害性燃烧。由于消防人员处置及时，是灾害消灭在萌芽之中。反思：一则则真实的案例给了我很深的触动与思考，我在日常生活中也有忘记关闭家用电器的时候，遗忘使之存在重大的安全隐患。我想能不能发明一种简单的家用电器安全检测报警装置，将这种安全隐患最大程度的去避免？我紧接着就在网络上查询有关这反面的技术以及有关的装置，但没有找到这中我所设想的安全“电管家”，于是我开始了我的科技创新。2安全电管家的设计2.1整体设计思想针对前面提到的令人伤心故事，我想应该从监测家用电器的总用电量为切入口，来检测是否存在忘记关闭的家用电器，特别是发热的家用电器，比如电褥子、电水壶等，从而提醒人们关闭忘记关闭的家用电器。为了实现这个目标，我们需要知道常用的家用电器的用电情况，还要区分不同家用电器使用特点，然后依据这些情况来分析出当出门时最低的家用电器功率即基本功率。举个例子来说，比如家庭中冰箱作为家庭必备的家用电器，在日常生活中是时刻开着的，因此，我们可以将冰箱的功率作为检测的基本功率。当出门时通过一个检测装置来测试家庭中的总用电功率是不是超过基本功率，从而判断出是否存在忘记关闭的家用电器。这样一来，通过这个小小的装置，我们不仅可以检测家庭中是否存在用电的安全隐患，还可以让人们养成节约用电的好习惯。另外，这个装置一定要价格低廉，方便实用，安全可靠。2.2 家用电器的分类与常见家电功率调查因为家用电器种类繁多，功能各异，所以我们需要从安全和节约用电的角度出发给家用电器分类并且还要查出常用家用电器的耗电功率的大小。通过网络查找相关内容，我们搜集到了一些常用家用电器的分类及耗电功率情况，如表1、表2 所示。表1 常用家用电器的分类大家电体积大，价格高的电器，如电冰箱、空调等小家电体积小的家电，如豆浆机、食品加工机、榨汁机等黑电视频娱乐性的电器，如电视机、电脑等白电减轻家务劳动和提高舒适性的电器，如洗衣机、空调等表2 常用家用电器的耗电功率电器名称一般电功率（瓦）估计用电量（千瓦时）窗式空调机800-1300最高每小时0.8-1.3家用电冰箱65-130大约每日0.85-1.7家用洗衣机单缸230最高每小时0.23双缸380最高每小时0.38微波炉950每10分钟0.16 1500每10分钟0.25电热淋浴器1200每小时1.22000每小时2电水壶1200每小时1.2 电饭煲500每20分钟0.16电熨斗750每20分钟0.25电吹风450每5分钟0.04吸尘器400每15分钟0.1850每15分钟0.21吊扇（大）150每小时0.15（小）75每小时0.08台扇16寸66每小时0.0714寸52每小时0.05电视机21寸70每小时0.0725寸100每小时0.01录象机80每小时0.08大型音响器材100每小时0.1电暖气1600-2000每小时1.6-2.0台式电脑300-400每小时0.3-0.4从上面的两个表中，我们可以看出从安全和节约用电的角度出发，家庭中可以每天24小时开着的也就只剩冰箱了。所以，当人们离开家的时候将除了冰箱之外的所有用电设备都关闭才是最安全最节约能源的状况，但是往往人们在离开家门的时候，由于种种原因忘记关闭部分家用电器，这就给家庭的安全带来了莫大的隐患而且也不节能环保。比如我原先的房子供暖不好，于是便在夜晚睡觉时使用了电褥子取暖。每天早上，爸爸都会特意提醒我关掉电褥子，拔掉插头，但有一次，爸爸走的匆忙，忘记了提醒我关掉电褥子，而我因为起床晚了，匆忙离家忘记了关闭。晚上回到家，我往床上一坐，哗！好热，我这才想起来忘记了关电源的事，好险，幸亏用的是低功率档，要不然还真不知道会发生什么样的事故。2.3 安全电管家的设计路线 从前面的分析可以看出，当人们出门的时候除了冰箱之外的所有家用电器都关闭了才是最好的情况，所以我就以这个理想状况作为本次创新的出发点。2.4 提出两种设计方案2.4.1基于电流测量的检测方案我在初中的时候学过基本的电路知识，知道家用电器工作的时候电路中会有电流流过，如图1所示。家用电器家用电器火线零线安培表A图1 家用电器工作示意图所以只要能检测出家庭里总的用电电流就可以计算出家用电器的总功率，再根据总功率来判断家里面是否还有未关的电器。方案设计图如图2所示。这里利用电阻分压得到检测电压，然后和设定的基本功率对应的电压做比较，这样就可以适时的给出告警信号。家用电器家用电器火线零线电压表V电阻图2 电流检测方案设计图但是，通过查询网络，并咨询我的指导老师后我发现这个方案存在两个问题。第一，家用电器中有些家用电器的功率很大，比如热水器、电水壶、空调等，这就使得流过电阻的电流非常大，这么大的电流在电阻上会产生很大的热功率，形成一个很强的发热点，无疑这又形成了一个不安全的因素。第二，由于家庭用电是交流电，所以对于有电动机的电器, 在正常工作时应该属于电感性负载, 除非机器本身设置了功率因数校正电路, 否则机器的功率因数都不会很高。这会导致对用电功率测量产生偏差。因此，这个方案是行不通的。2.4.2基于智能功率表的检测方案如何才能真正的测量真实的用电功率呢？我查找了很多的资料。最后我咨询了我的指导老师，让他来帮我分析，我才明白，交流电的功率测量还是很复杂的事情。市面上有现成的功率表出售，而且还有信号输出功能，这样就可以直接利用功率表的输出信号来判断家用电器总功率是否超过基本功率。我选用的功率表的型号是HB404智能功率表，其主要参数如表3。表3 HB404智能功率表主要性能参数HB404功率表主要功能输入电压范围为0400（AC）输入电流分四档：0.1A，1A，2.5A，5A（电流可长时间过载四倍）计量单位（W，KW）小数点自动转换具有数字滤波功能，有效滤除干扰可实现报警输出，变送输出。HB404功率表主要技术参数测量精度：0.5级；变送输出精度0.5级 响应频率：30400HZ 显示范围：-1999W9999KW 超限显示：“EEEE” 工作电源：AC20260V/DC20360V/3W 工作温度：0+50，相对湿度85%RH 继电器触点容量：AC250V/3A 继电器触点寿命：105 次 数码显示尺寸：0.56英寸型号说明HB404P（B）-有B为变送输出HB404P（T）-有T为报警输出HB404P（Z）-有Z为无报警输出图3 HB404智能功率表外观由于HB404智能电压表具有420mA电流变送功能，所以根据输出电流信号的大小，我就可以通过简单电路实现对家庭总用电功率进行检测了。方案设计图如图4所示。火线智能功率表零线变送输出取样电阻比较输出报警VCC图4 智能功率表的检测方案设计图但是，冰箱的运行是时断时续的，如何解决这个问题呢？冰箱运行时功率大约是150W左右，而待机状态则功率约为0W，所以，这里采用4个比较器电路形成报警区段，则可以有效的排除冰箱运行与否的干扰。原理如图5 所示。总功率报警报警报警信号abcd图5 报警功率的控制a、b、c、d四点分别由LM324的四个放大器构成的比较器控制。可以将家用电器笼统的分成两部分，冰箱与其它电器。当家中用电总功率低于a点时，代表冰箱处于待机，且其它电器也没有打开，此时蜂鸣器不发声。因为部分电器存在待机状态，比如电视微波炉等，所以这里设置了一个最小的功率，以免误报警。当总功率超过a点小于b点时，代表冰箱处于待机，却有其他应当关闭的用电器依然开着，此时蜂鸣器发声，提醒人们家中关闭某些用电器。当总功率超过b点小于c点时，代表冰箱运转中消耗150W左右的电功率，却没有其他用电器工作，此时蜂鸣器不发声。当总功率超过d点时，代表着冰箱和其他用电器同时在工作，此时不产生警报，当然d点的电压通常对应着取样电阻能得到的最大电压。2.5安全电管家的电路设计在对电路进行设计的时候，我的指导老师建议我利用Proteus仿真软件进行仿真，等仿真不出现错误的时候再进行实际的电路制作。Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。图6是Proteus的运行界面。图6 Proteus的运行界面2.5.1电源电路的设计 电源作为整个电路的动力之源，要求具有比较高的稳定性，因此通用的集成芯片稳压模块是不错的选择。这里我选用了通用的LM7912芯片，电路如图7所示。图7 电源电路设计图电路中采用集成稳压芯片LM7812作为稳压核心元件，其主要参数为：最大输入电压35 V，最大输出电流1.5 A，最大耗散功率，20 W最高结温150。本文中电路功耗较小，所以1.5A的电流足以满足需求。另外电路中使用的变压器是220V变压至15V，低于LM7812的最大输入电压，并且存在3V的电压差，LM7812可以正常工作。LM7812的典型电路和管脚标号如图8所示。图8 LM7812典型电路和管脚图2.5.2比较电路的仿真设计图9比较电路设计图前面已经分析了，需要四个比较器来构成报警触发电路，所以比较电路选用LM324作为核心芯片搭建成比较器使用。其主要参数为：LM324是四运放集成电路，采用14脚双排直插封装，具有短路保护输出，真正的差分输入级，单电源电压操作：3.032V。考虑冰箱运行状态的情况，则需要四个比较器。图10为改进后的电路。图10改进后的电路2.5.3 焊接与组装电路的制作与焊接是在李金华、赵振明老师的指导下完成的。首先按照仿真的电路规划期间摆放位置，然后焊接电路。图11为焊接完成的电源电路输出电压测试结果。从测试结果看出11.93V的输出电压符合LM7812的性能指标，满足后面比较电路的需求。然后测试智能功率表的变送电流输出，并且通过取样电阻得到电压进行测试。测试中使用了一只40W的灯泡，实验结果显示在取样电阻500欧姆的情况下，40W功率可以得到0.469V的取样电压，如图12所示。重复上述过程，分别将四个报警控制点a、b、c、d个点的电压测试出来。以冰箱功率150W为例四个控制点分别设置为0.4V、0.6V、2.3V和2.7V。最后根据各功能模块的大小与尺寸进行组装，组装过程中需要留意220V市电应与比较电路保持一定的距离，避免强电对弱电信号的干扰，过程如图13所示。图11 电源电路输出电压为11.93V 图12 智能功率表测量电灯的功率图13 家用电器检测报警仪组装过程3 实验测试结果图15 电灯未点亮时进行测试 图16 电灯点亮时进行测试完成组装后，进行总体测试，这里我们选用一只60W的灯泡进行测试。当灯泡不工作时，触动检测按钮，此时没有报警声，如图15所示。当灯泡工作时，功率表上读数为66.67W，此时触动检测按钮，蜂鸣器发出报警声。利用一只60W的灯泡和两只40W的灯泡来模拟冰箱工作时的功率，发现报警仪未发出报警声，当再增加一只灯泡时，报警声出现。可以看出，家用电器检测报警仪可以可靠的工作，达到预期设想。4 研究总结与创新在本项目的研究中，我运用了一些课堂上学过的和从科学杂志上了解的知识，同时也学习、了解了一些新的知识，特别是对电路仿真软件的学习，改变了我对原来电路设计的认识，提高了自己的科学研究能力。 创新点：在家庭进户线上加装本装置后，人们可以在离开住所时触发本检测装置对家用电器总用电功率进行检测，当家中总用电功率高于所设置的报警阈值时，发出报警声，以此判断住所中是否存在忘记关闭的家用电器，达到消除由家用电器带来的安全隐患并减少电能浪费的目的。本装置使用智能功率表做为用电功率传感器，通过识别用电功率大小来检测家中是否存在非安全用电情况并作出相应警示。使用简单可靠的比较电路，实现了可方便设定用电功率报警阈值的功能。采用触发-检测的模式，实现了低能耗、环保的功能。采用价格低廉的元器件实现了低成本的特性。5 展望由于我的创新是基于智能电功率表的设计，智能电功率表的造价较为昂贵，所以今后若能将功率表中扩展出我的这个创新设计，则对人们未来生活的安全意识，节电环保意识具有很大的促进做用。预期未来可以在以下几方面更进一步的研究：1、进一步小型化：通过选用贴片元件使得本设计进一步减小体积。2、更方便的设置阈值：采用外置调节机构，方便对四个报警控制阈值调整。3、实现数字化：通过单片机的使用实现检测比较全部数字化。4、智能化：通过软件回归分析来识别电功率变化所对应的家用电器。致谢这次的研究历程，使我对科学探索具有了更浓厚的兴趣。查阅资料，归纳总结、分析思考，在不断的选择方案、否定方案中得到了进步。因为知识和经验有限，在家用电器检测报警仪的设计和制作过程中，遇到了许多困难，通过查找相关资料，寻找解决办法，在老师的帮助与启发下，克服困难，得到了初步成果。当看到制作的作品，一种成就感油然而生。李金华老师和赵振明老师在项目研究过程中给予我耐心的指导，研究成果中凝聚了老师们辛勤的汗水，我在此表示深深的感谢。衷心感谢我的父母在这次创新设计中给予的支持和鼓励。参考文献1、 LM7812数据手册2、 LM324数据手册3、 周润景等.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真.北京.2006