AVR單片機實現智能插座節能的設計

0 引言

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。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

計算機智能節能插座的硬件結構圖如圖1所示。該控制器以AVRmega 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。

AVR單片機實現智能插座節能的設計

1．2 AVR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、低功耗等優點，程序存儲器和數據存儲器可獨立訪問的哈佛結構，代碼執行效率高。該系統采用的mega 48v處理器包含有4 KB片內可編程FLASH程序存儲器；512 B的E2PROM和512B RAM；同時片內還集成了看門狗；8路10位ADC；3路可編程PWM輸出；具有在線系統編程功能，片內資源豐富，集成度高，使用方便。使用AVR mega48V可以很方便地實現外部輸入參數的設置、電流檢測、工作狀態的指示等。

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開關控制，另一路采樣受控接口電流實現過流保護（見圖2）。電流互感器的輸出信號經過I-V變換后用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，若達到過流極限（設定為10 A）則觸發外部中斷，經過中斷程序處理判斷是否達到過流值并執行過流保護動作。

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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生。如圖3所示。

AVR單片機實現智能插座節能的設計

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。mega 48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。

AVR單片機實現智能插座節能的設計

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10 s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mega 48的E2PROM中。

1．7 狀態顯示和告警電路

該設計采用LCDl602液晶顯示系統的狀態信息，包括是否采用智能控制，主機運行狀態、受控口狀態。LCDl602采用7線驅動法，接1 kΩ電阻到地，用于調節液晶顯示對比度。顯示數據和指令通過LCDl602的DB4～DB7寫入。同時具備有聲光告警功能，當出現過流或則定時切斷時間到時，相應的發光二極管閃爍以及蜂鳴器告警，并執行相應的動作。

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）。

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