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；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。
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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。mega48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線驅動法，接1kΩ電阻到地，用于調節(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。
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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。