案例31 智能节电插座的设计

1.概述

计算机外部设备（如打印机、扫描仪、音响等）的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。智能节能插座可以利用主机的开机和关机来带动其他设备的开或关，使其接口设备待机能耗为零，能够减少计算机及其外设所产生的辐射，以此达到节能和环保功效；同时还具备有分段定时开关的功能。

2.硬件设计

智能节能插座的硬件结构图如图2-47所示。该控制器以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、键盘输入电路和实时时钟构成。电流采样电路用于检测计算机的运行状态和过电流保护；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，过电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；RTC时钟由PCF8563构成。

图2-47 智能节能插座的硬件结构

其中电流采样电路的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电流保护，（见图2-48）。电流互感器的输出信号经过I-V变换后用AVR 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，若达到过电流极限（如设定为10A）则触发外部中断，经过中断程序处理判断是否达到过电流值并执行过电流保护动作。

在智能节电插座中，受控插座的通断是由继电器控制的，可采用线圈侧电压为5V的继电器，用S8050驱动继电器。AVR Mega 48具有较强的I/O驱动能力，R₆起到限流作用；下拉电阻R₇可以避免继电器误动作；VD₁为继电器断开时提供放电回路，如图2-49所示。

图2-48 电流采样和过电流保护电路

图2-49 继电器驱动电路

键盘电路采用单按键的输入方式，用于设定普通插座和智能插座的功能转换和需要定时开关时的时间设定。在程序运行过程中，通过定时中断检测是否有按键按下。当功能键按下不超过10s时进入定时开关模式，并通过加减按键设定定时开关的时间；当功能键按下超过10s时切换为普通插座使用，若在需要切换为智能插座，则执行相同的操作。设定的参数和模式保存在AVR Mega 48的E²PROM中。实时时钟电路为定时开关提供精确的时间。用CR2025镍氢纽扣电池作为PCF8563的后备电池，如图2-50所示。

图2-50 实时时钟电路

由于不同的计算机等设备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。

智能节能插座，具有智能节能和定时开关功能，也可作为普通插座使用。经过测试，系统显示出了良好的控制效果，不仅使计算机外设的待机功率降为零，同时也起到了保护外设的作用。