DIY一個紅外舒適型節(jié)能電源插座的設計

　　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(guān)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(guān)，具有智能節(jié)能和定時開關(guān)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(guān)部門調(diào)查，有近七成的居民家庭使用家電后不關(guān)閉電源，很多的居民不知道待機也會耗電。而由于電器關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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。

　　①當處于智能節(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

　?、诋斕幱诙〞r開關(guān)模式時，可以通過鍵盤的加減設定定時開關(guān)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(guān)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(gòu)

　　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(guān)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(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(gòu)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(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)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(guān)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

　　②電源電路

　　單片機的工作電壓和繼電器的線圈側(cè)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(cè)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

　?、苕I盤電路

　　共有四個按鍵K0、K1、K2和K3，用于設定普通插座和智能插座的功能轉(zhuǎn)換和需要定時開關(guān)時的時間設定。模式切換鍵K0用于智能模式與普通模式間的轉(zhuǎn)換。當K0鍵按下進入智能模式時，檢測K1鍵若K1鍵被按下則系統(tǒng)進入定時開關(guān)模式，若K1鍵沒有按下則系統(tǒng)實時的檢測主機接口電流，當檢測到得主機電流小于設定的待機電流時斷開受控插座電源，小于設定的關(guān)機電流時斷開主控插座電源。并通過加減按鍵K1、K2設定定時開關(guān)的時間。

　　⑤狀態(tài)顯示和報警電路

　　該設計采用LCDl602液晶顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息，包括是否采用智能控制，主機運行狀態(tài)、受控口狀態(tài)。LCDl602采用7線驅(qū)動法，接1 kΩ電阻到地，用于調(diào)節(jié)液晶顯示對比度。同時具備有聲光告警功能，當出現(xiàn)過流或則定時切斷時間到時，相應的發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器告警，并執(zhí)行相應的動作。

　?、藜t外接收和發(fā)送電路

　　圖6為紅外接收發(fā)送電路，接收電路由紅外二極管、三極管9014及電阻組成。當未檢測到紅外信號時，紅外接收二極管電阻很大(近似于斷路)，三極管9014處手截止狀態(tài)，此時 IR_RECEIVE端檢測到高電平;當檢測到紅外信號時，紅外接收二極管電阻較小，這時三極管9014發(fā)射極正偏，集電極反偏，三極管處于放大狀態(tài)。紅外信號通過共發(fā)射極電路放大后輸入到單片機，交給單片機進行處理。發(fā)送時，經(jīng)過紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路調(diào)制后的紅外信號從單片機輸出，紅外信號通過三極管9014再次倒相放大后從集電極輸出，驅(qū)動紅外發(fā)射管輻射出紅外調(diào)制信號，從而實現(xiàn)紅外遙控信號的再生。

　　圖6 紅外發(fā)送接收電路

　　3.2 硬件平臺選用及資源配置

　　該系統(tǒng)以AVR mega 48為控制核心。AVR微處理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC處理器，具有高性能、高保密性、低功耗等優(yōu)點，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可獨立訪問的哈佛結(jié)構(gòu)，代碼執(zhí)行效率高。該系統(tǒng)采用的mega 48v處理器包含有4 KB片內(nèi)可編程FLASH程序存儲器;512 B的E2PROM和512B RAM;同時片內(nèi)還集成了看門狗;8路10位ADC;3路可編程PWM輸出;具有在線系統(tǒng)編程功能，片內(nèi)資源豐富，集成度高，使用方便。使用AVR mega 48v可以很方便地實現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設置、電流檢測、工作狀態(tài)的指示等。

　　參考電壓電路采用TL431作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓。TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價格低，因此廣泛應用在各種電源電路中。德州儀器公司(TI )生產(chǎn)的TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。他的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從Verf(2.5V)到36V范圍內(nèi)的任何值。

　　采樣電路采用電流型電流互感器采樣交流電流，輸出信號經(jīng)過I-V變換，I-V變換的輸出電壓通過電壓比較器進行比較。

　　電源電路采用阻容降壓電路。他的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。例如,在50Hz的工頻條件下,一個1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當220V的交流電壓加在電容器的兩端,則流過電容的最大電流約為70mA。雖然流過電容的電流有70mA,但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，因為如果電容是一個理想電容,則流過電容的電流為虛部電流,它所作的功為無功功率。根據(jù)這個特點,我們?nèi)绻谝粋€1uF的電容器上再串聯(lián)一個阻性元件,則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個阻性元件的特性。

　　繼電器驅(qū)動電路采用的線圈側(cè)電壓為5V的繼電器，用S8050驅(qū)動繼電器。

　　狀態(tài)顯示和報警電路采用LCDl602液晶顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。(16列2行)。

　　3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　軟件架構(gòu)如圖7所示，系統(tǒng)上電時處于普通模式，可以通過模式切換鍵來選擇不同的模式。定時中斷檢測是否有功能鍵K1按下，通過功能鍵K1選擇插座的不同功能。當功能鍵沒有按下時進入智能節(jié)能模式，系統(tǒng)實時的檢測主機接口電流，當檢測到得主機電流小于設定的電流值時斷開受控插座，否則當功能鍵K1被按下時進入智能定時模式，并通過加減按鍵K2、K3設定定時開關(guān)的時間。

　　圖7 系統(tǒng)軟件

　　3.4 系統(tǒng)軟件流程

　　主程序主要完成對I/O，定時器的初始化、讀出存儲在E2PROM中的系統(tǒng)參數(shù)，同時根據(jù)模式設定進入相應的處理程序。該插座可運行于3種模式：智能定時模式、智能節(jié)能模式和普通模式。模式的切換通過模式按鍵來選擇。參數(shù)的測量主要由中斷服務程序定時完成。其流程運行圖見圖8

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　　圖8 程序運行流程圖

　　3.4 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果

　　以P4雙核計算機和17寸顯示器為例，顯示器待機功耗為5W，待機電流約25mA。則顯示器待機一個月浪費3.6度(5W×24×30=3600W=3.6度)，按一度電0.8元計算的話，則一個月浪費2.88元，按用戶一年使用10個月計算，則一年浪費28.8元，假如有兩臺這樣的計算機的話，則一年浪費57.6元。根據(jù)我們對市場的調(diào)查和預算，我們所設計的節(jié)能型插座的成本在50元左右。因此，對節(jié)能型插座的研究很有經(jīng)濟效益。

　　將設計的插座按圖9方式連接測試，采用P4雙核計算機和17寸顯示器進行測試，顯示器待機功耗為5W，待機電流約25mA。進入待機狀態(tài)后，按插座上的采樣按鈕，將此計算機的待機電流采樣存進E2PROM，測試結(jié)果表明，當計算機進入待機狀態(tài)后，插座可以有效的切斷顯示器的電源。

　　圖9 測試方案