基于AVR的智能節(jié)能插座設(shè)計(jì)方案

　　0 引言

　　計(jì)算機(jī)外部設(shè)備(如打印機(jī)、掃描儀、音響等)的待機(jī)能耗不但增加了消費(fèi)者的日常電費(fèi)開支，也使電力資源浪費(fèi)極大。該設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)智能節(jié)能插座利用主機(jī)的開機(jī)和關(guān)機(jī)來帶動其他設(shè)備的開或關(guān)，使其接口設(shè)備待機(jī)能耗為零，能夠減少計(jì)算機(jī)及其外設(shè)所產(chǎn)生的輻射，以此達(dá)到節(jié)能和環(huán)保功效;同時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(shè)備的使用。

　　1 智能插座的設(shè)計(jì)

　　1.1 智能插座的硬件結(jié)構(gòu)

　　計(jì)算機(jī)智能節(jié)能插座的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該控制器以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、鍵盤輸入電路和實(shí)時時鐘構(gòu)成。電流采樣電路用于檢測計(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和過流保護(hù);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(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài);鍵盤輸入實(shí)現(xiàn)普通插座與智能插座的切換、設(shè)置待機(jī)臨界電流值、設(shè)置分段開關(guān)的時間點(diǎn)。計(jì)算機(jī)主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)通過主機(jī)接口的電流互感器檢測，過流保護(hù)通過另一互感器檢測，當(dāng)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(shè)起到保護(hù)作用。由于互感器的感應(yīng)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(shè)計(jì)采用帶隙恒壓源TL431作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓。不同的計(jì)算機(jī)主機(jī)的待機(jī)電流可能不同，因此通過外部鍵盤可以采樣待機(jī)電流為臨界值，同時可以設(shè)置插座作為普通插座使用;RTC時鐘由PCF8563構(gòu)成。

　　1.2 AVR單片機(jī)

　　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(diǎn)，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可獨(dú)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 mega48V可以很方便地實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、電流檢測、工作狀態(tài)的指示等。

　　1.3 電流采樣電路

　　該設(shè)計(jì)采用電流型電流互感器采樣交流電流，一路采樣主機(jī)接口電流實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，另一路采樣受控接口電流實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)(見圖2)。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(jì)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(dá)到過流極限(設(shè)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(dá)到過流值并執(zhí)行過流保護(hù)動作。

　　1.4 電源電路

　　單片機(jī)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。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(dá)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。

　　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(shè)計(jì)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(qiáng)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(shè)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(shè)定。在程序運(yùn)行過程中，通過定時中斷檢測是否有按鍵按下。當(dāng)功能鍵按下不超過10s時進(jìn)入定時開關(guān)模式，并通過加減按鍵設(shè)定定時開關(guān)的時間;當(dāng)功能鍵按下超過10 s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(shè)定的參數(shù)和模式保存在mega 48的E2PROM中。

　　1.7 狀態(tài)顯示和告警電路

　　該設(shè)計(jì)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(jī)運(yùn)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。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(dāng)出現(xiàn)過流或則定時切斷時間到時，相應(yīng)的發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器告警，并執(zhí)行相應(yīng)的動作。

　　1.8 實(shí)時時鐘電路

　　實(shí)時時鐘電路為定時開關(guān)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(shè)計(jì)

　　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(shè)定進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。該插座可運(yùn)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(wù)程序定時完成。圖6為主程序流程圖。

　　由于不同的計(jì)算機(jī)待機(jī)電流大小不一樣，因此在使用前需采樣主機(jī)的待機(jī)電流。首先將主機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式，通過模式按鍵進(jìn)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(shè)計(jì)的插座按圖7的方式連接測試，采用P4雙核計(jì)算機(jī)和17寸顯示器進(jìn)行測試，顯示器待機(jī)功耗為5W，待機(jī)電流約25mA。進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，按插座上的采樣按鈕，將此計(jì)算機(jī)的待機(jī)電流采樣存進(jìn)E2PROM，測試結(jié)果表明，當(dāng)計(jì)算機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，插座可以有效的切斷顯示器的電源。

　　4 結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)的智能節(jié)能插座，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。經(jīng)過測試，系統(tǒng)顯示出了良好的控制效果，不僅使計(jì)算機(jī)外設(shè)的待機(jī)功率降為零，同時也起到了保護(hù)外設(shè)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。