中心議題：

• 智能插座的硬件設計
• 智能插座的軟件設計
• 智能插座的測試

解決方案：

• 以AVRmega48為控制核心
• 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
• 鍵盤輸入電路和實時時鐘構成

計算機外部設備(如打印機、掃描儀、音響等)的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。該設計的計算機智能節(jié)能插座利用主機的開機和關機來帶動其他設備的開或關，使其接口設備待機能耗為零，能夠減少計算機及其外設所產(chǎn)生的輻射，以此達到節(jié)能和環(huán)保功效；同時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。

1智能插座的設計

1．1智能插座的硬件結構

計算機智能節(jié)能插座的硬件結構圖如圖1所示。該控制器以AVRmega48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、鍵盤輸入電路和實時時鐘構成。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；RTC時鐘由PCF8563構成。



1．2AVR單片機

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構，代碼執(zhí)行效率高。該系統(tǒng)采用的mega48v處理器包含有4KB片內(nèi)可編程FLASH程序存儲器；512B的E2PROM和512BRAM；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AVRmega48V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。
[page]
1．3電流采樣電路

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(見圖2)。電流互感器的輸出信號經(jīng)過I-V變換后用mega48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10A)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。


1．4電源電路

單片機的工作電壓和繼電器的線圈側(cè)電壓為5V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。如圖3所示。


圖3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，電流，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100mA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。

1．5繼電器驅(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。mega48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4所示。


1．6鍵盤電路

采用單按鍵的輸入方式，用于設定普通插座和智能插座的功能轉(zhuǎn)換和需要定時開關時的時間設定。在程序運行過程中，通過定時中斷檢測是否有按鍵按下。當功能鍵按下不超過10s時進入定時開關模式，并通過加減按鍵設定定時開關的時間；當功能鍵按下超過10s時切換為普通插座使用，若在需要切換為智能插座，則執(zhí)行相同的操作。設定的參數(shù)和模式保存在mega48的E2PROM中。

1．7狀態(tài)顯示和告警電路

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1kΩ電阻到地，用于調(diào)節(jié)液晶顯示對比度。顯示數(shù)據(jù)和指令通過LCDl602的DB4～DB7寫入。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。
[page]
1．8實時時鐘電路

實時時鐘電路為定時開關提供精確的時間。用CR2025鎳氫紐扣電池作為PCF8563的后備電池(見圖5)。


2智能插座的軟件設計

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。圖6為主程序流程圖。


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。

3智能插座的測試

將設計的插座按圖7的方式連接測試，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。


本文設計的智能節(jié)能插座，具有智能節(jié)能和定時開關功能，也可作為普通插座使用。經(jīng)過測試，系統(tǒng)顯示出了良好的控制效果，不僅使計算機外設的待機功率降為零，同時也起到了保護外設的作用，在節(jié)能減排方面具有一定的社會效益和廣泛的推廣價值。