基于AVR的智能節(jié)能插座設(shè)計(jì)

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(dòng)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(shí)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。

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(shí)時(shí)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(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，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(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；RTC時(shí)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(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 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(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。

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(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。
1．5 繼電器驅(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(shí)開關(guān)時(shí)的時(shí)間設(shè)定。在程序運(yùn)行過程中，通過定時(shí)中斷檢測是否有按鍵按下。當(dāng)功能鍵按下不超過10s時(shí)進(jìn)入定時(shí)開關(guān)模式，并通過加減按鍵設(shè)定定時(shí)開關(guān)的時(shí)間；當(dāng)功能鍵按下超過10 s時(shí)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(dòng)法，接1 kΩ電阻到地，用于調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度。顯示數(shù)據(jù)和指令通過LCDl602的DB4～DB7寫入。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。
1．8 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路
    實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路為定時(shí)開關(guān)提供精確的時(shí)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(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)的測量主要由中斷服務(wù)程序定時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(huì)效益和廣泛的推廣價(jià)值。