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一、項目概述 1.1 引言 如今可持續發展成為社會的主題，從而電器的節能與環保越來越受到重視。隨著電視機、計算機的使用越來越普遍，其節能與環保成為人們關心的問題。該節能插座的設計利用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 據有關部門調查，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，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，并且容易產生安全隱患。 為節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，節約了能源，減少了設備的輻射，具有良好的節能環保特性。 二、需求分析 2.1 功能要求 紅外舒適型節能插座，具有智能節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。 �、佼斕幱谥悄芄濍娔Ｊ綍r，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：當處于待機狀態時，通過一路驅動電路把受控接口斷開，從而使主機的外部設備斷電，以達到節能和環保的目的。處于正常工作模式時，通過驅動電路把接口接上 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送紅外信號，觸發單片機產生中斷，控制主控接口接上。 圖1 系統架構 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;靜態功耗小于0.5w;負載斷電延遲時間：12.0s+-2s;環境溫度-40℃---85℃。 在用戶正常使用計算機，使mega 48單片機處于休眠狀態。當檢測到的主機電流小于待機電流時，喚醒單片機，觸發單片機的外部中斷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，當用戶再次要使用插座時，通過遙控器給插座發送紅外信號，喚醒單片機，觸發單片機的外部中斷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，從而達到了徹底節能的目的。 三、方案設計 3.1 系統功能實現原理 圖2為系統硬件結構圖，該系統硬件結構以AVR mega 48為控制核心，外圍電路主要由電流采樣電路、模/數轉換參考電壓電路、狀態顯示電路、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和過流保護;數/模轉換參考電壓電路為電流的采樣提供參考;狀態顯示電路表明插座當前的運行狀態;鍵盤輸入實現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/模轉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送紅外信號，觸發單片機產生中斷，控制主控接口接上。也可通過按鍵觸發單片機中斷，控制主控接口接上。 圖2 系統硬件結構圖 �、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開關控制，另一路采樣受控接口電流實現過流保護。電流互感器的輸出信號經過I-V變換后用mega 48采樣，根據互感器的變比系數可以計算出電流的有效值。I-V變換的輸出電壓經過比較器后，若達到過流極限(設定為10 A)則觸發外部中斷，經過中斷程序處理判斷是否達到過流值并執行過流保護動作。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驅動繼電器。mega 48具有較強的I/O驅動能力，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換和需要定時開關時的時間設定。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鍵被按下則系統進入定時開關模式，若K1鍵沒有按下則系統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設定定時開關的時間。 �、轄顟B顯示和報警電路 該設計采用LCDl602液晶顯示系統的狀態信息，包括是否采用智能控制，主機運行狀態、受控口狀態。LCDl602采用7線驅動法，接1 kΩ電阻到地，用于調節液晶顯示對比度。同時具備有聲光告警功能，當出現過流或則定時切斷時間到時，相應的發光二極管閃爍以及蜂鳴器告警，并執行相應的動作。 ⑥紅外接收和發送電路 圖6為紅外接收發送電路，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，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發射極正偏，集電極反偏，三極管處于放大狀態。紅外信號通過共發射極電路放大后輸入到單片機，交給單片機進行處理。發送時，經過紅外發送調制邏輯電路調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，驅動紅外發射管輻射出紅外調制信號，從而實現紅外遙控信號的再生。 圖6 紅外發送接收電路 3.2 硬件平臺選用及資源配置 該系統以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、低功耗等優點，程序存儲器和數據存儲器可獨立訪問的哈佛結構，代碼執行效率高。該系統采用的mega 48v處理器包含有4 KB片內可編程FLASH程序存儲器;512 B的E2PROM和512B RAM;同時片內還集成了看門狗;8路10位ADC;3路可編程PWM輸出;具有在線系統編程功能，片內資源豐富，集成度高，使用方便。使用AVR mega 48v可以很方便地實現外部輸入參數的設置、電流檢測、工作狀態的指示等。 參考電壓電路采用TL431作為A/D轉換的參考電壓。TL431是一種并聯穩壓集成電路。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 )生產的TL431是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。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。根據這個特點,我們如果在一個1uF的電容器上再串聯一個阻性元件,則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產生的功耗完全取決于這個阻性元件的特性。 繼電器驅動電路采用的線圈側電壓為5V的繼電器，用S8050驅動繼電器。 狀態顯示和報警電路采用LCDl602液晶顯示系統的狀態信息。LCD1602是工業字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。(16列2行)。 3.3系統軟件架構 軟件架構如圖7所示，系統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能模式，系統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設定定時開關的時間。 圖7 系統軟件 3.4 系統軟件流程 主程序主要完成對I/O，定時器的初始化、讀出存儲在E2PROM中的系統參數，同時根據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、智能節能模式和普通模式。模式的切換通過模式按鍵來選擇。參數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 "> 圖8 程序運行流程圖 3.4 系統預計實現結果 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。根據我們對市場的調查和預算，我們所設計的節能型插座的成本在50元左右。因此，對節能型插座的研究很有經濟效益。 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后，插座可以有效的切斷顯示器的電源。 圖9 測試方案 |
