极低功耗待机电路的研制

付贝贝，朱向冰，金慧敏

(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241000)

极低功耗待机电路的研制

付贝贝，朱向冰，金慧敏

(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖241000)

产品的待机功耗是指产品连接到电源上且处于等待状态，未运行其主要功能时的耗电量。为了进一步节能环保，需要降低电视、空调、机顶盒等家用电器的待机功耗。提出一种极低功耗的遥控接收和按键响应电路，电路主要是由单片机、开关电源、电流互感器、继电器、红外接收元件、电池、升压电路等组成，利用单片机休眠状态使电路平均电流从300μA降到25μA，通过9cm2的光电池可满足电路待机状态时的电源需求。

待机功耗；单片机；继电器；红外接收元件

0 引言

大多数情况下，家用电器处在待机状态下仍然连接着电源，这不仅存在着安全隐患，而且有一定的功耗。电视机的待机功耗可以达到0.5 W，空调的待机功耗一般为3 W，数字机顶盒为5 W左右，全世界的各种家用电器在待机的情况下将会消耗可观的电力能源。目前用于降低待机功耗的技术有两类，一类技术采用电池或电容等储能元件供电，在家用电器正常工作时从外接工作电源中获取一部分电能，在待机时利用这部分的电能，即在待机状态下使用的能源是从工作电源中获得的；另一类技术采用太阳能电池板供电，由于在待机状态下电路的功耗比较大，需要的光电池板的面积比较大，这不仅增加了成本，还进一步增加了电器体积，导致不能推广使用。

为此本文提出了一种体积小、成本低、安全性高的待机电路，并适用于各种家用电器。在电路处于待机状态下，能自动切断工作电源，并且无论待机时间多久都能通过遥控信号或按键信号使电路恢复到工作状态，即可以用红外元件无线控制和按键有线控制，从而达到节约能源、及时响应的目的。

1 整体电路设计

图1是该极低功耗的遥控接收和按键响应电路的框图。电路主要由单片机[1]、开关电源、电流互感器、继电器、红外接收元件、电池、升压电路[2]等组成。通过检测电路中电流大小、红外遥控信号或按键信号，实现对工作电源的智能控制[3]。

图1 电路的框图

电路中的单片机大部分时间处于休眠状态。单片机先使红外接收元件工作，单片机进入休眠状态。当红外接收元件收到信号后使单片机从休眠状态恢复到正常状态，单片机识别红外接收元件接收到的信号并闭合继电器，给负载接通220 V交流电。如果在一段时间内红外接收元件一直没有使单片机恢复到正常状态，看门狗就使单片机从休眠状态恢复到正常状态，单片机关闭红外接收元件，单片机再次进入休眠状态，等待看门狗将单片机唤醒后，单片机开启红外接收元件，单片机再次进入休眠状态。

在按键闭合时，电源线导通，单片机从休眠状态恢复到正常状态，单片机检测到电流互感器变化的信号闭合继电器，给负载接通220 V交流电，电流互感器检测负载的功耗并发送信号到单片机，单片机判断当前电器是在待机状态还是在工作状态，如果是待机状态并持续了一定长的时间，则单片机使继电器、红外接收元件停止工作，并且单片机进入休眠状态，等待信号使单片机恢复到正常状态。

1.1 单片机

选用PIC16F系列单片机，该系列单片机具有低功耗特性，可大大降低整个系统的功耗。通过睡眠模式及中断唤醒来实现单片机的低功耗运行，通过控制元器件的使能端来关闭无效运行的外围电路，实现整个系统的低功耗[4]。单片机是数据处理中心，负责检测、处理信号以及控制其他元件的导通和关断。电路中使用单片机内部震荡器、看门狗等，并合理处理单片机不使用的IO口，能显著降低待机功耗[5]。

1.2 升压电路

图2 升压电路

升压电路用于将电池的输出电压提升到+5 V给继电器供电。升压电路采用的是DB628，输入为+2 V～+5 V，输出为+5 V。继电器工作电压是直流5 V，触电电压可以用在220 V交流电。三极管的基级和单片机的RC0端口相连接，单片机通过控制RC0端口电平的高低，控制三极管的导通，进而控制升压电路的导通和继电器的闭合。由于断电时电感产生的续流电流可能会损坏三极管，因此在继电器上反向并联二极管[6]。升压电路如图2所示。

1.3 开关电源

开关电源将220 V交流电转换成+5 V的直流电压送至单片机的RD1端口。当按下按键时，开关电源模块的输出电压供给单片机使用和检测，同时RD1端口可以检测到+5 V直流电压，因此可以用来判断按键是否被按下。

1.4 电流互感器

图3 电流互感器电路

电流互感器用于检测家用电器的电流信号，单片机根据电流互感器检测到的电流信号判断家用电器是否处在待机状态。电路所用的电流互感器是ZMCT103C，依据电磁感应原理，起到变流和电气隔离作用。电流互感器检测到的信号经过整流、滤波、稳压输出直流电压，连接到单片机的RB5端口上，单片机将输出信号与设定值进行比较，当输出信号大于设定值时，交流电源导通，电路处于正常工作状态，当输出信号小于设定值并持续一段时间时，交流电源断开，电路处于待机状态。电流互感器的电路图如图3所示。

1.5 红外接收元件

图4 红外接收元件电路

红外接收元件用于接收遥控器发射的红外信号，靠瞬间产生的电信号来激活单片机工作。电路所用的红外接收元件是HS0038BD。红外接收元件的控制端口和输出电压连接到单片机的RC1和RB1端口。当RC1端口输出高电平时，红外接收元件停止工作，当RC1端口输出低电平时，红外接收元件开始工作。RB1端口将红外接收元件输出电压发送给单片机进行检测。红外接收元件电路如图4所示。

1.6 电池

电池用于给单片机、红外接收元件和继电器供电，电池电路包括光电池和锂电池等。通过外接的光电池可以给锂电池供电，使储存的电能满足电路待机时的需求。光电池采用的是SSETC ST-3722-9，在室内弱光下输出电压是+5.5 V，输出电流是30 μA。锂电池采用的是300 mAh，自带充电和放电保护板。即便在50 LUX的弱光下，采用几个光电池并联也能使电路正常工作。

2 系统软件设计

软件设计部分包括程序初始化、开启红外接收元件、进入休眠等待唤醒、判断检测处理红外信号、置一标志位、闭合继电器、检测电流信号并判断是否长时间小于设定值、关闭继电器和红外接收元件、看门狗唤醒等。

本电路有两种不同的休眠状态，当电路处在第一低功耗状态时，红外接收元件在工作，单片机大部分时间处在低功耗状态，当电路处在第二低功耗状态时，红外接收元件停止工作，单片机也处在低功耗状态。合适地选择两个低功耗状态的时间，既保证电路能及时响应遥控和按键信号，又能使电路的功耗降到最低。程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

3 实验测试与分析

待机电路极低功耗从两个方面体现：一方面，从系统硬件电路上，用单片机控制电源的闭合与关断，使家用电器待机时所消耗工作电源功耗为零；另一方面，从系统软件程序上，用程序智能控制家用电器。由图5所示程序流程图可知，一段开启红外接收元件至判断红外信号；二段判断红外信号至判断是否有标志位；三段判断是否有标志位至关闭红外接收元件；四段关闭红外接收元件至看门狗唤醒；五段看门狗唤醒至开启红外接收元件。用示波器和数字万用表分别测得各段单片机所走的时间及对应的电路电流，得出此时电路平均电流约25 μA，待机电路功耗约0.1 mW。

市面上的控制电路待机电流约30 μA，待机电路功耗约0.011 W。应用以上待机电路后，电路平均电流可降至25 μA，待机电路功耗约0.1 mW，且一切开关机正常。该待机电路使待机电流和待机功耗达到了较高的技术指标，大大降低了待机功耗，节约能源。

4 结论

该待机电路能够智能并低耗地控制家用电器。利用此待机电路可真正实现待机的电能完全不从工作电源中获得。利用遥控信号或按键信号，可以快速唤醒单片机。该待机电路的待机电流和待机功耗极低，比市面上的控制电路更具有优势。该待机电路可以应用于各种家用电器，包括没有遥控功能的家用电器。

智能控制家用电器方式有两种：一种方式是将电路安装到插座中，即与家用电器电源电路相结合，智能控制家用电器与电源的接通与关断；另一种方式是将单片机作为核心元件与后续的家用电器控制电路完美地结合，由于整个电路的体积小，适合装到家用电器中，既降低了待机功耗，还降低了整个系统的成本,便于推广。

[1] 桑坤,金慧敏,朱向冰. 一种自整角机信号发生器设计[J].微型机与应用,2016,35(9):34-36.

[2] 崔晶晶,曾以成,夏俊雅. 一款应用于LED驱动的过温保护电路[J].电子技术应用,2017,43(6):41-44.

[3] 沈毅斌,田巧玉. 基于涓电流检测的节能插座设计[J]. 电子测试,2016(21):40-41.

[4] 徐晓磊,姜波,薛锦诚,等. 单片机系统的低功耗设计与应用[J]. 电测与仪表,2000,37(10):28-31.

[5] 赵贺. 单片机系统设计中低功耗的探讨[J]. 自动化与仪器仪表,2009(6):66-68.

[6] 杨素行. 模拟电子技术基础简明教程(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

付贝贝，朱向冰，金慧敏.极低功耗待机电路的研制J.微型机与应用，2017,36(24)：19-21.

2017-06-21)

付贝贝(1994-)，女，硕士，主要研究方向：硬件电路设计。

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

金慧敏(1991-)，女，硕士，主要研究方向：软件设计。