DIY一个红外舒适型节能电源插座的设计

　　一、项目概述
　　1.1 引言
　　如今可持续发展成为社会的主题，从而电器的节能与环保越来越受到重视。随着电视机、计算机的使用越来越普遍，其节能与环保成为人们关心的问题。该节能插座的设计利用AVR单片机来控制计算机外部设备电源接口的开或关，具有智能节能和定时开关功能，也可作为普通插座使用，充分显示出设计的智能化与人性化。智能节能插座能有效地控制能源浪费，具有巨大的市场空间。
　　1.2 项目背景/选题动机
　　据有关部门调查，有近七成的居民家庭使用家电后不关闭电源，很多的居民不知道待机也会耗电。而由于电器关机没拔插头的原因，全国每年的耗电量十分惊人。电器待机耗电严重浪费着能源。人们在关闭计算机、电视的时候，处在待机状态，待机能耗不但增加了消费者的日常电费开支，也使电力资源浪费极大，并且容易产生安全隐患。
　　为节约能源同时杜绝用电时的安全隐患，我们设计了此智能型节能插座：
　　(1)此插座在检测到主控设备(电脑主机、电视机)关闭后，能自动切断其他插孔设备(打印机、DVD/VCD等)的电源。
　　(2)为增加其舒适性，增加了红外遥控，更显人性化;
　　(3)该智能节电插座还具备有分段定时开关的功能。该智能插座也可以通过功能转换作为普通插座使用，不影响其他设备的使用。
　　(4)该设计减少了待机功耗，节约了能源，减少了设备的辐射，具有良好的节能环保特性。
　　二、需求分析
　　2.1 功能要求
　　红外舒适型节能插座，具有智能节能和定时开关的功能，同时也可以作为普通插座使用。通过功能键选择插座的不同功能。
　　①当处于智能节电模式时，单片机通过一路电流采样检测主机电流的大小并与待机电流(由于不同的计算机待机电流大小不一样，因此在使用前需采样主机的待机电流。首先将主机进入待机模式，通过模式按键进入中断后采样此时的电流，并存入E2PROM中)比较，以此来判断计算机所处的的状态：当处于待机状态时，通过一路驱动电路把受控接口断开，从而使主机的外部设备断电，以达到节能和环保的目的。处于正常工作模式时，通过驱动电路把接口接上
　　②当处于定时开关模式时，可以通过键盘的加减设定定时开关的时间，当定时时间到达时便断开受控插座，使外部设备断电。
　　③当处于普通插座模式时，即为一般的插座，不影响其他设备的使用。
　　④同时该插座具有过流保护的功能，当另一路的受控接口的采样电流大于外设的额定电流一 ⑤当用户主动关闭主机(电脑、电视)时，单片机控制主控接口断开，使主机断电。当用户再次要使用插座时，通过遥控器给单片机发送红外信号，触发单片机产生中断，控制主控接口接上。
　　


　　图1 系统架构
　　2.2 性能要求
　　工作电压为AC220V/50HZ;使用电压范围为：AC175V—240V;最大负载电流11.336A;静态功耗小于0.5w;负载断电延迟时间：12.0s+-2s;环境温度-40℃---85℃。
　　在用户正常使用计算机，使mega 48单片机处于休眠状态。当检测到的主机电流小于待机电流时，唤醒单片机，触发单片机的外部中断INT0，控制受控接口断开;在用户关闭计算机后，使mega 48单片机处于休眠状态，当用户再次要使用插座时，通过遥控器给插座发送红外信号，唤醒单片机，触发单片机的外部中断INT1，控制主控接口接上。也可通过按键触发单片机中断，控制主控接口接上。通过使单片机休眠，从而达到了彻底节能的目的。
　　三、方案设计
　　3.1 系统功能实现原理
　　图2为系统硬件结构图，该系统硬件结构以AVR mega 48为控制核心，外围电路主要由电流采样电路、模/数转换参考电压电路、状态显示电路、键盘输入电路构成。电流采样电路用于检测计算机的运行状态和过流保护;数/模转换参考电压电路为电流的采样提供参考;状态显示电路表明插座当前的运行状态;键盘输入实现普通插座与智能插座的切换、设置待机临界电流值、设置分段开关的时间点。计算机主机运行状态通过主机接口的电流互感器检测，过流保护通过另一互感器检测，当电流大于额定电流一定时间时切断受控插座的电源，对外设起到保护作用。由于互感器的感应电流较小，在数/模转换过程用对参考电压的要求较高，该设计采用带隙恒压源TL431作为A/D转换的参考电压。不同的计算机主机的待机电流可能不同，因此通过外部键盘可以采样待机电流为临界值，同时可以设置插座作为普通插座使用。另外，当用户主动关闭主机(电脑、电视)时，单片机控制主控接口断开，使主机断电。当用户再次要使用插座时，通过遥控器给插座发送红外信号，触发单片机产生中断，控制主控接口接上。也可通过按键触发单片机中断，控制主控接口接上。
　　


　　图2 系统硬件结构图
　　①电流采样电路和过流保护电路
　　该设计采用电流型电流互感器采样交流电流，一路采样主机接口电流实现开关控制，另一路采样受控接口电流实现过流保护。电流互感器的输出信号经过I-V变换后用mega 48采样，根据互感器的变比系数可以计算出电流的有效值。I-V变换的输出电压经过比较器后，若达到过流极限(设定为10 A)则触发外部中断，经过中断程序处理判断是否达到过流值并执行过流保护动作。电路图如图3：
　　


　　图3 电流采样电路和过流保护电路图
　　②电源电路
　　单片机的工作电压和继电器的线圈侧电压为5 V直流电压，考虑成本和空间因素，采用阻容降压的方式产生。其降压电路图如图4所示：
　　


　　图4 阻容降压电路图
　　图中：C3为CBB降压电容;_R13在电源断开后为C3提供放电回路;R4为限流电阻;经过全波整流后D11将电压箝位在5.1V。C3在电路中的容抗XC为：XC=(1/2)πfc。为了满足继电器吸合时的电流要求，取C3的值为1μF，最大电流可以达到100 mA以上。由于为非隔离电源，使用过程中零电位不能与大地相连。
　　③继电器驱动电路
　　受控插座的通断是由继电器控制的。该设计采用的线圈侧电压为5V的继电器，用S8050驱动继电器。mega 48具有较强的I/O驱动能力，R17起到限流作用;下拉电阻R18可以避免继电器误动作;D12为继电器断开时提供放电回路。如图5所示。
　　


　　图5 继电器驱动电路
　　④键盘电路
　　共有四个按键K0、K1、K2和K3，用于设定普通插座和智能插座的功能转换和需要定时开关时的时间设定。模式切换键K0用于智能模式与普通模式间的转换。当K0键按下进入智能模式时，检测K1键若K1键被按下则系统进入定时开关模式，若K1键没有按下则系统实时的检测主机接口电流，当检测到得主机电流小于设定的待机电流时断开受控插座电源，小于设定的关机电流时断开主控插座电源。并通过加减按键K1、K2设定定时开关的时间。
　　⑤状态显示和报警电路
　　该设计采用LCDl602液晶显示系统的状态信息，包括是否采用智能控制，主机运行状态、受控口状态。LCDl602采用7线驱动法，接1 kΩ电阻到地，用于调节液晶显示对比度。同时具备有声光告警功能，当出现过流或则定时切断时间到时，相应的发光二极管闪烁以及蜂鸣器告警，并执行相应的动作。
　　⑥红外接收和发送电路
　　图6为红外接收发送电路，接收电路由红外二极管、三极管9014及电阻组成。当未检测到红外信号时，红外接收二极管电阻很大(近似于断路)，三极管9014处手截止状态，此时 IR_RECEIVE端检测到高电平;当检测到红外信号时，红外接收二极管电阻较小，这时三极管9014发射极正偏，集电极反偏，三极管处于放大状态。红外信号通过共发射极电路放大后输入到单片机，交给单片机进行处理。发送时，经过红外发送调制逻辑电路调制后的红外信号从单片机输出，红外信号通过三极管9014再次倒相放大后从集电极输出，驱动红外发射管辐射出红外调制信号，从而实现红外遥控信号的再生。
　　


　　图6 红外发送接收电路
　　3.2 硬件平台选用及资源配置
　　该系统以AVR mega 48为控制核心。AVR微处理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC处理器，具有高性能、高保密性、低功耗等优点，程序存储器和数据存储器可独立访问的哈佛结构，代码执行效率高。该系统采用的mega 48v处理器包含有4 KB片内可编程FLASH程序存储器;512 B的E2PROM和512B RAM;同时片内还集成了看门狗;8路10位ADC;3路可编程PWM输出;具有在线系统编程功能，片内资源丰富，集成度高，使用方便。使用AVR mega 48v可以很方便地实现外部输入参数的设置、电流检测、工作状态的指示等。
　　参考电压电路采用TL431作为A/D转换的参考电压。TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。德州仪器公司(TI )生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf(2.5V)到36V范围内的任何值。
　　采样电路采用电流型电流互感器采样交流电流，输出信号经过I-V变换，I-V变换的输出电压通过电压比较器进行比较。
　　电源电路采用阻容降压电路。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如,在50Hz的工频条件下,一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端,则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA,但在电容器上并不产生功耗，因为如果电容是一个理想电容,则流过电容的电流为虚部电流,它所作的功为无功功率。根据这个特点,我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件,则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。
　　继电器驱动电路采用的线圈侧电压为5V的继电器，用S8050驱动继电器。
　　状态显示和报警电路采用LCDl602液晶显示系统的状态信息。LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。(16列2行)。
　　3.3系统软件架构
　　软件架构如图7所示，系统上电时处于普通模式，可以通过模式切换键来选择不同的模式。定时中断检测是否有功能键K1按下，通过功能键K1选择插座的不同功能。当功能键没有按下时进入智能节能模式，系统实时的检测主机接口电流，当检测到得主机电流小于设定的电流值时断开受控插座，否则当功能键K1被按下时进入智能定时模式，并通过加减按键K2、K3设定定时开关的时间。
　　


　　图7 系统软件
　　3.4 系统软件流程
　　主程序主要完成对I/O，定时器的初始化、读出存储在E2PROM中的系统参数，同时根据模式设定进入相应的处理程序。该插座可运行于3种模式：智能定时模式、智能节能模式和普通模式。模式的切换通过模式按键来选择。参数的测量主要由中断服务程序定时完成。其流程运行图见图8
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　　图8 程序运行流程图
　　3.4 系统预计实现结果
　　以P4双核计算机和17寸显示器为例，显示器待机功耗为5W，待机电流约25mA。则显示器待机一个月浪费3.6度(5W×24×30=3600W=3.6度)，按一度电0.8元计算的话，则一个月浪费2.88元，按用户一年使用10个月计算，则一年浪费28.8元，假如有两台这样的计算机的话，则一年浪费57.6元。根据我们对市场的调查和预算，我们所设计的节能型插座的成本在50元左右。因此，对节能型插座的研究很有经济效益。
　　将设计的插座按图9方式连接测试，采用P4双核计算机和17寸显示器进行测试，显示器待机功耗为5W，待机电流约25mA。进入待机状态后，按插座上的采样按钮，将此计算机的待机电流采样存进E2PROM，测试结果表明，当计算机进入待机状态后，插座可以有效的切断显示器的电源。
　　


　　图9 测试方案