案例31 智能節電插座的設計

1.概述

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。智能節能插座可以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生的輻射，以此達到節能和環保功效；同時還具備有分段定時開關的功能。

2.硬件設計

智能節能插座的硬件結構圖如圖2-47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/數轉換參考電壓電路、狀態顯示電路、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和過電流保護；數/模轉換參考電壓電路為電流的采樣提供參考；狀態顯示電路表明插座當前的運行狀態；鍵盤輸入實現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通過主機接口的電流互感器檢測，過電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/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。

圖2-47 智能節能插座的硬件結構

其中電流采樣電路的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開關控制，另一路采樣受控接口電流實現過電流保護，（見圖2-48）。電流互感器的輸出信號經過I-V變換后用AVR mega 48采樣，根據互感器的變比系數可以計算出電流的有效值。I-V變換的輸出電壓經過比較器后，若達到過電流極限（如設定為10A）則觸發外部中斷，經過中斷程序處理判斷是否達到過電流值并執行過電流保護動作。

在智能節電插座中，受控插座的通斷是由繼電器控制的，可采用線圈側電壓為5V的繼電器，用S8050驅動繼電器。AVR Mega 48具有較強的I/O驅動能力，R₆起到限流作用；下拉電阻R₇可以避免繼電器誤動作；VD₁為繼電器斷開時提供放電回路，如圖2-49所示。

圖2-48 電流采樣和過電流保護電路

圖2-49 繼電器驅動電路

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，則執行相同的操作。設定的參數和模式保存在AVR Mega 48的E²PROM中。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，如圖2-50所示。

圖2-50 實時時鐘電路

由于不同的計算機等設備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。

智能節能插座，具有智能節能和定時開關功能，也可作為普通插座使用。經過測試，系統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。