DIY一個(gè)紅外舒適型節(jié)能電源插座的設(shè)計(jì)

　　一、項(xiàng)目概述

　　1.1 引言

　　如今可持續(xù)發(fā)展成為社會(huì)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(jī)、計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)利用AVR單片機(jī)來控制計(jì)算機(jī)外部設(shè)備電源接口的開或關(guān)，具有智能節(jié)能和定時(shí)開關(guān)功能，也可作為普通插座使用，充分顯示出設(shè)計(jì)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(fèi)，具有巨大的市場空間。

　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

　　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(jī)也會(huì)耗電。而由于電器關(guān)機(jī)沒拔插頭的原因，全國每年的耗電量十分驚人。電器待機(jī)耗電嚴(yán)重浪費(fèi)著能源。人們?cè)陉P(guān)閉計(jì)算機(jī)、電視的時(shí)候，處在待機(jī)狀態(tài)，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，并且容易產(chǎn)生安全隱患。

　　為節(jié)約能源同時(shí)杜絕用電時(shí)的安全隱患，我們?cè)O(shè)計(jì)了此智能型節(jié)能插座：

　　(1)此插座在檢測(cè)到主控設(shè)備(電腦主機(jī)、電視機(jī))關(guān)閉后，能自動(dòng)切斷其他插孔設(shè)備(打印機(jī)、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(shí)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。

　　(4)該設(shè)計(jì)減少了待機(jī)功耗，節(jié)約了能源，減少了設(shè)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(shí)開關(guān)的功能，同時(shí)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(dāng)處于智能節(jié)電模式時(shí)，單片機(jī)通過一路電流采樣檢測(cè)主機(jī)電流的大小并與待機(jī)電流(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(shí)的電流，并存入E2PROM中)比較，以此來判斷計(jì)算機(jī)所處的的狀態(tài)：當(dāng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，通過一路驅(qū)動(dòng)電路把受控接口斷開，從而使主機(jī)的外部設(shè)備斷電，以達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。處于正常工作模式時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)電路把接口接上

　?、诋?dāng)處于定時(shí)開關(guān)模式時(shí)，可以通過鍵盤的加減設(shè)定定時(shí)開關(guān)的時(shí)間，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)便斷開受控插座，使外部設(shè)備斷電。

　?、郛?dāng)處于普通插座模式時(shí)，即為一般的插座，不影響其他設(shè)備的使用。

　?、芡瑫r(shí)該插座具有過流保護(hù)的功能，當(dāng)另一路的受控接口的采樣電流大于外設(shè)的額定電流一 ⑤當(dāng)用戶主動(dòng)關(guān)閉主機(jī)(電腦、電視)時(shí)，單片機(jī)控制主控接口斷開，使主機(jī)斷電。當(dāng)用戶再次要使用插座時(shí)，通過遙控器給單片機(jī)發(fā)送紅外信號(hào)，觸發(fā)單片機(jī)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(fù)載電流11.336A;靜態(tài)功耗小于0.5w;負(fù)載斷電延遲時(shí)間：12.0s+-2s;環(huán)境溫度-40℃---85℃。

　　在用戶正常使用計(jì)算機(jī)，使mega 48單片機(jī)處于休眠狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到的主機(jī)電流小于待機(jī)電流時(shí)，喚醒單片機(jī)，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷INT0，控制受控接口斷開;在用戶關(guān)閉計(jì)算機(jī)后，使mega 48單片機(jī)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)用戶再次要使用插座時(shí)，通過遙控器給插座發(fā)送紅外信號(hào)，喚醒單片機(jī)，觸發(fā)單片機(jī)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(jī)中斷，控制主控接口接上。通過使單片機(jī)休眠，從而達(dá)到了徹底節(jié)能的目的。

　　三、方案設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)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(cè)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(shí)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(cè)，過流保護(hù)通過另一互感器檢測(cè)，當(dāng)電流大于額定電流一定時(shí)間時(shí)切斷受控插座的電源，對(duì)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(duì)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(shí)可以設(shè)置插座作為普通插座使用。另外，當(dāng)用戶主動(dòng)關(guān)閉主機(jī)(電腦、電視)時(shí)，單片機(jī)控制主控接口斷開，使主機(jī)斷電。當(dāng)用戶再次要使用插座時(shí)，通過遙控器給插座發(fā)送紅外信號(hào)，觸發(fā)單片機(jī)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(jī)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(hù)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)。電流互感器的輸出信號(hào)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(dòng)作。電路圖如圖3：

　　圖3 電流采樣電路和過流保護(hù)電路圖

　?、陔娫措娐?/p>

　　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。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(shí)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。

　?、劾^電器驅(qū)動(dòng)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(dòng)繼電器。mega 48具有較強(qiáng)的I/O驅(qū)動(dòng)能力，R17起到限流作用;下拉電阻R18可以避免繼電器誤動(dòng)作;D12為繼電器斷開時(shí)提供放電回路。如圖5所示。

　　圖5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

　?、苕I盤電路

　　共有四個(gè)按鍵K0、K1、K2和K3，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(shí)開關(guān)時(shí)的時(shí)間設(shè)定。模式切換鍵K0用于智能模式與普通模式間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)K0鍵按下進(jìn)入智能模式時(shí)，檢測(cè)K1鍵若K1鍵被按下則系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)開關(guān)模式，若K1鍵沒有按下則系統(tǒng)實(shí)時(shí)的檢測(cè)主機(jī)接口電流，當(dāng)檢測(cè)到得主機(jī)電流小于設(shè)定的待機(jī)電流時(shí)斷開受控插座電源，小于設(shè)定的關(guān)機(jī)電流時(shí)斷開主控插座電源。并通過加減按鍵K1、K2設(shè)定定時(shí)開關(guān)的時(shí)間。

　?、轄顟B(tài)顯示和報(bào)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(dòng)法，接1 kΩ電阻到地，用于調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度。同時(shí)具備有聲光告警功能，當(dāng)出現(xiàn)過流或則定時(shí)切斷時(shí)間到時(shí)，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(dòng)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(dāng)未檢測(cè)到紅外信號(hào)時(shí)，紅外接收二極管電阻很大(近似于斷路)，三極管9014處手截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí) IR_RECEIVE端檢測(cè)到高電平;當(dāng)檢測(cè)到紅外信號(hào)時(shí)，紅外接收二極管電阻較小，這時(shí)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(hào)通過共發(fā)射極電路放大后輸入到單片機(jī)，交給單片機(jī)進(jìn)行處理。發(fā)送時(shí)，經(jīng)過紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路調(diào)制后的紅外信號(hào)從單片機(jī)輸出，紅外信號(hào)通過三極管9014再次倒相放大后從集電極輸出，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管輻射出紅外調(diào)制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)紅外遙控信號(hào)的再生。

　　圖6 紅外發(fā)送接收電路

　　3.2 硬件平臺(tái)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(diǎn)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器;512 B的E2PROM和512B RAM;同時(shí)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(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、電流檢測(cè)、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(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。德州儀器公司(TI )生產(chǎn)的TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。他的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)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(hào)經(jīng)過I-V變換，I-V變換的輸出電壓通過電壓比較器進(jìn)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(hào)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(gè)1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當(dāng)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?yàn)槿绻娙菔且粋€(gè)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(gè)特點(diǎn),我們?nèi)绻谝粋€(gè)1uF的電容器上再串聯(lián)一個(gè)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(gè)阻性元件的特性。

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

　　狀態(tài)顯示和報(bào)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(shí)顯示16x02即32個(gè)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(shí)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(shí)中斷檢測(cè)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(dāng)功能鍵沒有按下時(shí)進(jìn)入智能節(jié)能模式，系統(tǒng)實(shí)時(shí)的檢測(cè)主機(jī)接口電流，當(dāng)檢測(cè)到得主機(jī)電流小于設(shè)定的電流值時(shí)斷開受控插座，否則當(dāng)功能鍵K1被按下時(shí)進(jìn)入智能定時(shí)模式，并通過加減按鍵K2、K3設(shè)定定時(shí)開關(guān)的時(shí)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(duì)I/O，定時(shí)器的初始化、讀出存儲(chǔ)在E2PROM中的系統(tǒng)參數(shù)，同時(shí)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(shí)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(cè)量主要由中斷服務(wù)程序定時(shí)完成。其流程運(yùn)行圖見圖8

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　　圖8 程序運(yùn)行流程圖

　　3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

　　以P4雙核計(jì)算機(jī)和17寸顯示器為例，顯示器待機(jī)功耗為5W，待機(jī)電流約25mA。則顯示器待機(jī)一個(gè)月浪費(fèi)3.6度(5W×24×30=3600W=3.6度)，按一度電0.8元計(jì)算的話，則一個(gè)月浪費(fèi)2.88元，按用戶一年使用10個(gè)月計(jì)算，則一年浪費(fèi)28.8元，假如有兩臺(tái)這樣的計(jì)算機(jī)的話，則一年浪費(fèi)57.6元。根據(jù)我們對(duì)市場的調(diào)查和預(yù)算，我們所設(shè)計(jì)的節(jié)能型插座的成本在50元左右。因此，對(duì)節(jié)能型插座的研究很有經(jīng)濟(jì)效益。

　　將設(shè)計(jì)的插座按圖9方式連接測(cè)試，采用P4雙核計(jì)算機(jī)和17寸顯示器進(jìn)行測(cè)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(cè)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。

　　圖9 測(cè)試方案