一个红外舒适型节能电源插座的详细实现方案

　　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