一個紅外舒適型節(jié)能電源插座的詳細實現(xiàn)方案

　　一、項目概述

　　1.1 引言

　　如今可持續(xù)發(fā)展成為社會的主題，從而電器的節(jié)能與環(huán)保越來越受到重視。隨著電視機、計算機的使用越來越普遍，其節(jié)能與環(huán)保成為人們關心的問題。該節(jié)能插座的設計利用AVR單片機來控制計算機外部設備電源接口的開或關，具有智能節(jié)能和定時開關功能，也可作為普通插座使用，充分顯示出設計的智能化與人性化。智能節(jié)能插座能有效地控制能源浪費，具有巨大的市場空間。

　　1.2 項目背景/選題動機

　　據(jù)有關部門調(diào)查，有近七成的居民家庭使用家電后不關閉電源，很多的居民不知道待機也會耗電。而由于電器關機沒拔插頭的原因，全國每年的耗電量十分驚人。電器待機耗電嚴重浪費著能源。人們在關閉計算機、電視的時候，處在待機狀態(tài)，待機能耗不但增加了消費者的日常電費開支，也使電力資源浪費極大，并且容易產(chǎn)生安全隱患。

　　為節(jié)約能源同時杜絕用電時的安全隱患，我們設計了此智能型節(jié)能插座：

　　(1)此插座在檢測到主控設備(電腦主機、電視機)關閉后，能自動切斷其他插孔設備(打印機、DVD/VCD等)的電源。

　　(2)為增加其舒適性，增加了紅外遙控，更顯人性化;

　　(3)該智能節(jié)電插座還具備有分段定時開關的功能。該智能插座也可以通過功能轉(zhuǎn)換作為普通插座使用，不影響其他設備的使用。

　　(4)該設計減少了待機功耗，節(jié)約了能源，減少了設備的輻射，具有良好的節(jié)能環(huán)保特性。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　紅外舒適型節(jié)能插座，具有智能節(jié)能和定時開關的功能，同時也可以作為普通插座使用。通過功能鍵選擇插座的不同功能。

　?、佼斕幱谥悄芄?jié)電模式時，單片機通過一路電流采樣檢測主機電流的大小并與待機電流(由于不同的計算機待機電流大小不一樣，因此在使用前需采樣主機的待機電流。首先將主機進入待機模式，通過模式按鍵進入中斷后采樣此時的電流，并存入E2PROM中)比較，以此來判斷計算機所處的的狀態(tài)：當處于待機狀態(tài)時，通過一路驅(qū)動電路把受控接口斷開，從而使主機的外部設備斷電，以達到節(jié)能和環(huán)保的目的。處于正常工作模式時，通過驅(qū)動電路把接口接上。

　　②當處于定時開關模式時，可以通過鍵盤的加減設定定時開關的時間，當定時時間到達時便斷開受控插座，使外部設備斷電。

　?、郛斕幱谄胀ú遄Ｊ綍r，即為一般的插座，不影響其他設備的使用。

　?、芡瑫r該插座具有過流保護的功能，當另一路的受控接口的采樣電流大于外設的額定電流一⑤當用戶主動關閉主機(電腦、電視)時，單片機控制主控接口斷開，使主機斷電。當用戶再次要使用插座時，通過遙控器給單片機發(fā)送紅外信號，觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷，控制主控接口接上。

　　圖1 系統(tǒng)架構

　　2.2 性能要求

　　工作電壓為AC220V/50HZ;使用電壓范圍為：AC175V-240V;最大負載電流11.336A;靜態(tài)功耗小于0.5w;負載斷電延遲時間：12.0s+-2s;環(huán)境溫度-40℃-85℃。

　　在用戶正常使用計算機，使mega 48單片機處于休眠狀態(tài)。當檢測到的主機電流小于待機電流時，喚醒單片機，觸發(fā)單片機的外部中斷INT0，控制受控接口斷開;在用戶關閉計算機后，使mega 48單片機處于休眠狀態(tài)，當用戶再次要使用插座時，通過遙控器給插座發(fā)送紅外信號，喚醒單片機，觸發(fā)單片機的外部中斷INT1，控制主控接口接上。也可通過按鍵觸發(fā)單片機中斷，控制主控接口接上。通過使單片機休眠，從而達到了徹底節(jié)能的目的。

　　三、方案設計

　　3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

　　圖2為系統(tǒng)硬件結構圖，該系統(tǒng)硬件結構以AVR mega 48為控制核心，外圍電路主要由電流采樣電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換參考電壓電路、狀態(tài)顯示電路、鍵盤輸入電路構成。電流采樣電路用于檢測計算機的運行狀態(tài)和過流保護;數(shù)/模轉(zhuǎn)換參考電壓電路為電流的采樣提供參考;狀態(tài)顯示電路表明插座當前的運行狀態(tài);鍵盤輸入實現(xiàn)普通插座與智能插座的切換、設置待機臨界電流值、設置分段開關的時間點。計算機主機運行狀態(tài)通過主機接口的電流互感器檢測，過流保護通過另一互感器檢測，當電流大于額定電流一定時間時切斷受控插座的電源，對外設起到保護作用。由于互感器的感應電流較小，在數(shù)/模轉(zhuǎn)換過程用對參考電壓的要求較高，該設計采用帶隙恒壓源TL431作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓。不同的計算機主機的待機電流可能不同，因此通過外部鍵盤可以采樣待機電流為臨界值，同時可以設置插座作為普通插座使用。另外，當用戶主動關閉主機(電腦、電視)時，單片機控制主控接口斷開，使主機斷電。當用戶再次要使用插座時，通過遙控器給插座發(fā)送紅外信號，觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷，控制主控接口接上。也可通過按鍵觸發(fā)單片機中斷，控制主控接口接上。

　　圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

　?、匐娏鞑蓸与娐泛瓦^流保護電路

　　該設計采用電流型電流互感器采樣交流電流，一路采樣主機接口電流實現(xiàn)開關控制，另一路采樣受控接口電流實現(xiàn)過流保護。電流互感器的輸出信號經(jīng)過I-V變換后用mega 48采樣，根據(jù)互感器的變比系數(shù)可以計算出電流的有效值。I-V變換的輸出電壓經(jīng)過比較器后，若達到過流極限(設定為10 A)則觸發(fā)外部中斷，經(jīng)過中斷程序處理判斷是否達到過流值并執(zhí)行過流保護動作。電路圖如圖3：

　　圖3 電流采樣電路和過流保護電路圖

　?、陔娫措娐?/p>

　　單片機的工作電壓和繼電器的線圈側電壓為5 V直流電壓，考慮成本和空間因素，采用阻容降壓的方式產(chǎn)生。其降壓電路圖如圖4所示：

　　圖4 阻容降壓電路圖

　　圖中：C3為CBB降壓電容;_R13在電源斷開后為C3提供放電回路;R4為限流電阻;經(jīng)過全波整流后D11將電壓箝位在5.1V。C3在電路中的容抗XC為：XC=(1/2)πfc。為了滿足繼電器吸合時的電流要求，取C3的值為1μF，最大電流可以達到100 mA以上。由于為非隔離電源，使用過程中零電位不能與大地相連。

　?、劾^電器驅(qū)動電路

　　受控插座的通斷是由繼電器控制的。該設計采用的線圈側電壓為5V的繼電器，用S8050驅(qū)動繼電器。mega 48具有較強的I/O驅(qū)動能力，R17起到限流作用;下拉電阻R18可以避免繼電器誤動作;D12為繼電器斷開時提供放電回路。如圖5所示。

　　圖5 繼電器驅(qū)動電路