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一、項目概述 1.1 引言 如今可持續發(fā)展成為社會(huì )的主題，從而電器的節能與環(huán)保越來(lái)越受到重視。隨著(zhù)電視機、計算機的使用越來(lái)越普遍，其節能與環(huán)保成為人們關(guān)心的問(wèn)題。該節能插座的設計利用AVR單片機來(lái)控制計算機外部設備電源接口的開(kāi)或關(guān)，具有智能節能和定時(shí)開(kāi)關(guān)功能，也可作為普通插座使用，充分顯示出設計的智能化與人性化。智能節能插座能有效地控制能源浪費，具有巨大的市場(chǎng)空間。 1.2 項目背景/選題動(dòng)機 據有關(guān)部門(mén)調查，有近七成的居民家庭使用家電后不關(guān)閉電源，很多的居民不知道待機也會(huì )耗電。而由于電器關(guān)機沒(méi)拔插頭的原因，全國每年的耗電量十分驚人。電器待機耗電嚴重浪費著(zhù)能源。人們在關(guān)閉計算機、電視的時(shí)候，處在待機狀態(tài)，待機能耗不但增加了消費者的日常電費開(kāi)支，也使電力資源浪費極大，并且容易產(chǎn)生安全隱患。 為節約能源同時(shí)杜絕用電時(shí)的安全隱患，我們設計了此智能型節能插座： (1)此插座在檢測到主控設備(電腦主機、電視機)關(guān)閉后，能自動(dòng)切斷其他插孔設備(打印機、DVD/VCD等)的電源。 (2)為增加其舒適性，增加了紅外遙控，更顯人性化; (3)該智能節電插座還具備有分段定時(shí)開(kāi)關(guān)的功能。該智能插座也可以通過(guò)功能轉換作為普通插座使用，不影響其他設備的使用。 (4)該設計減少了待機功耗，節約了能源，減少了設備的輻射，具有良好的節能環(huán)保特性。 二、需求分析 2.1 功能要求 紅外舒適型節能插座，具有智能節能和定時(shí)開(kāi)關(guān)的功能，同時(shí)也可以作為普通插座使用。通過(guò)功能鍵選擇插座的不同功能。 �、佼斕幱谥悄芄濍娔Ｊ綍r(shí)，單片機通過(guò)一路電流采樣檢測主機電流的大小并與待機電流(由于不同的計算機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(jìn)入待機模式，通過(guò)模式按鍵進(jìn)入中斷后采樣此時(shí)的電流，并存入E2PROM中)比較，以此來(lái)判斷計算機所處的的狀態(tài)：當處于待機狀態(tài)時(shí)，通過(guò)一路驅動(dòng)電路把受控接口斷開(kāi)，從而使主機的外部設備斷電，以達到節能和環(huán)保的目的。處于正常工作模式時(shí)，通過(guò)驅動(dòng)電路把接口接上 �、诋斕幱诙〞r(shí)開(kāi)關(guān)模式時(shí)，可以通過(guò)鍵盤(pán)的加減設定定時(shí)開(kāi)關(guān)的時(shí)間，當定時(shí)時(shí)間到達時(shí)便斷開(kāi)受控插座，使外部設備斷電。 �、郛斕幱谄胀ú遄Ｊ綍r(shí)，即為一般的插座，不影響其他設備的使用。 �、芡瑫r(shí)該插座具有過(guò)流保護的功能，當另一路的受控接口的采樣電流大于外設的額定電流一 ⑤當用戶(hù)主動(dòng)關(guān)閉主機(電腦、電視)時(shí)，單片機控制主控接口斷開(kāi)，使主機斷電。當用戶(hù)再次要使用插座時(shí)，通過(guò)遙控器給單片機發(fā)送紅外信號，觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷，控制主控接口接上。 圖1 系統架構 2.2 性能要求 工作電壓為AC220V/50HZ;使用電壓范圍為：AC175V—240V;最大負載電流11.336A;靜態(tài)功耗小于0.5w;負載斷電延遲時(shí)間：12.0s+-2s;環(huán)境溫度-40℃---85℃。 在用戶(hù)正常使用計算機，使mega 48單片機處于休眠狀態(tài)。當檢測到的主機電流小于待機電流時(shí)，喚醒單片機，觸發(fā)單片機的外部中斷INT0，控制受控接口斷開(kāi);在用戶(hù)關(guān)閉計算機后，使mega 48單片機處于休眠狀態(tài)，當用戶(hù)再次要使用插座時(shí)，通過(guò)遙控器給插座發(fā)送紅外信號，喚醒單片機，觸發(fā)單片機的外部中斷INT1，控制主控接口接上。也可通過(guò)按鍵觸發(fā)單片機中斷，控制主控接口接上。通過(guò)使單片機休眠，從而達到了徹底節能的目的。 三、方案設計 3.1 系統功能實(shí)現原理 圖2為系統硬件結構圖，該系統硬件結構以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(tài)顯示電路、鍵盤(pán)輸入電路構成。電流采樣電路用于檢測計算機的運行狀態(tài)和過(guò)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(tài)顯示電路表明插座當前的運行狀態(tài);鍵盤(pán)輸入實(shí)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(kāi)關(guān)的時(shí)間點(diǎn)。計算機主機運行狀態(tài)通過(guò)主機接口的電流互感器檢測，過(guò)流保護通過(guò)另一互感器檢測，當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(guò)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(guò)外部鍵盤(pán)可以采樣待機電流為臨界值，同時(shí)可以設置插座作為普通插座使用。另外，當用戶(hù)主動(dòng)關(guān)閉主機(電腦、電視)時(shí)，單片機控制主控接口斷開(kāi)，使主機斷電。當用戶(hù)再次要使用插座時(shí)，通過(guò)遙控器給插座發(fā)送紅外信號，觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷，控制主控接口接上。也可通過(guò)按鍵觸發(fā)單片機中斷，控制主控接口接上。 圖2 系統硬件結構圖 �、匐娏鞑蓸与娐泛瓦^(guò)流保護電路 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(shí)現開(kāi)關(guān)控制，另一路采樣受控接口電流實(shí)現過(guò)流保護。電流互感器的輸出信號經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)比較器后，若達到過(guò)流極限(設定為10 A)則觸發(fā)外部中斷，經(jīng)過(guò)中斷程序處理判斷是否達到過(guò)流值并執行過(guò)流保護動(dòng)作。電路圖如圖3： 圖3 電流采樣電路和過(guò)流保護電路圖 �、陔娫措娐� 單片機的工作電壓和繼電器的線(xiàn)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(chǎn)生。其降壓電路圖如圖4所示： 圖4 阻容降壓電路圖 圖中：C3為CBB降壓電容;_R13在電源斷開(kāi)后為C3提供放電回路;R4為限流電阻;經(jīng)過(guò)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。為了滿(mǎn)足繼電器吸合時(shí)的電流要求，取C3的值為1μF，最大電流可以達到100 mA以上。由于為非隔離電源，使用過(guò)程中零電位不能與大地相連。 �、劾^電器驅動(dòng)電路 受控插座的通斷是由繼電器控制的。該設計采用的線(xiàn)圈側電壓為5V的繼電器，用S8050驅動(dòng)繼電器。mega 48具有較強的I/O驅動(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(kāi)時(shí)提供放電回路。如圖5所示。 圖5 繼電器驅動(dòng)電路 �、苕I盤(pán)電路 共有四個(gè)按鍵K0、K1、K2和K3，用于設定普通插座和智能插座的功能轉換和需要定時(shí)開(kāi)關(guān)時(shí)的時(shí)間設定。模式切換鍵K0用于智能模式與普通模式間的轉換。當K0鍵按下進(jìn)入智能模式時(shí)，檢測K1鍵若K1鍵被按下則系統進(jìn)入定時(shí)開(kāi)關(guān)模式，若K1鍵沒(méi)有按下則系統實(shí)時(shí)的檢測主機接口電流，當檢測到得主機電流小于設定的待機電流時(shí)斷開(kāi)受控插座電源，小于設定的關(guān)機電流時(shí)斷開(kāi)主控插座電源。并通過(guò)加減按鍵K1、K2設定定時(shí)開(kāi)關(guān)的時(shí)間。 �、轄顟B(tài)顯示和報警電路 該設計采用LCDl602液晶顯示系統的狀態(tài)信息，包括是否采用智能控制，主機運行狀態(tài)、受控口狀態(tài)。LCDl602采用7線(xiàn)驅動(dòng)法，接1 kΩ電阻到地，用于調節液晶顯示對比度。同時(shí)具備有聲光告警功能，當出現過(guò)流或則定時(shí)切斷時(shí)間到時(shí)，相應的發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器告警，并執行相應的動(dòng)作。 �、藜t外接收和發(fā)送電路 圖6為紅外接收發(fā)送電路，接收電路由紅外二極管、三極管9014及電阻組成。當未檢測到紅外信號時(shí)，紅外接收二極管電阻很大(近似于斷路)，三極管9014處手截止狀態(tài)，此時(shí) IR_RECEIVE端檢測到高電平;當檢測到紅外信號時(shí)，紅外接收二極管電阻較小，這時(shí)三極管9014發(fā)射極正偏，集電極反偏，三極管處于放大狀態(tài)。紅外信號通過(guò)共發(fā)射極電路放大后輸入到單片機，交給單片機進(jìn)行處理。發(fā)送時(shí)，經(jīng)過(guò)紅外發(fā)送調制邏輯電路調制后的紅外信號從單片機輸出，紅外信號通過(guò)三極管9014再次倒相放大后從集電極輸出，驅動(dòng)紅外發(fā)射管輻射出紅外調制信號，從而實(shí)現紅外遙控信號的再生。 圖6 紅外發(fā)送接收電路 3.2 硬件平臺選用及資源配置 該系統以AVR mega 48為控制核心。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)，程序存儲器和數據存儲器可獨立訪(fǎng)問(wèn)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(shí)片內還集成了看門(mén)狗;8路10位ADC;3路可編程PWM輸出;具有在線(xiàn)系統編程功能，片內資源豐富，集成度高，使用方便。使用AVR mega 48v可以很方便地實(shí)現外部輸入參數的設置、電流檢測、工作狀態(tài)的指示等。 參考電壓電路采用TL431作為A/D轉換的參考電壓。TL431是一種并聯(lián)穩壓集成電路。因其性能好、價(jià)格低，因此廣泛應用在各種電源電路中。德州儀器公司(TI )生產(chǎn)的TL431是一個(gè)有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。他的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設置到從Verf(2.5V)到36V范圍內的任何值。 采樣電路采用電流型電流互感器采樣交流電流，輸出信號經(jīng)過(guò)I-V變換，I-V變換的輸出電壓通過(guò)電壓比較器進(jìn)行比較。 電源電路采用阻容降壓電路。他的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流。例如,在50Hz的工頻條件下,一個(gè)1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當220V的交流電壓加在電容器的兩端,則流過(guò)電容的最大電流約為70mA。雖然流過(guò)電容的電流有70mA,但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，因為如果電容是一個(gè)理想電容,則流過(guò)電容的電流為虛部電流,它所作的功為無(wú)功功率。根據這個(gè)特點(diǎn),我們如果在一個(gè)1uF的電容器上再串聯(lián)一個(gè)阻性元件,則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個(gè)阻性元件的特性。 繼電器驅動(dòng)電路采用的線(xiàn)圈側電壓為5V的繼電器，用S8050驅動(dòng)繼電器。 狀態(tài)顯示和報警電路采用LCDl602液晶顯示系統的狀態(tài)信息。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。(16列2行)。 3.3系統軟件架構 軟件架構如圖7所示，系統上電時(shí)處于普通模式，可以通過(guò)模式切換鍵來(lái)選擇不同的模式。定時(shí)中斷檢測是否有功能鍵K1按下，通過(guò)功能鍵K1選擇插座的不同功能。當功能鍵沒(méi)有按下時(shí)進(jìn)入智能節能模式，系統實(shí)時(shí)的檢測主機接口電流，當檢測到得主機電流小于設定的電流值時(shí)斷開(kāi)受控插座，否則當功能鍵K1被按下時(shí)進(jìn)入智能定時(shí)模式，并通過(guò)加減按鍵K2、K3設定定時(shí)開(kāi)關(guān)的時(shí)間。 圖7 系統軟件 3.4 系統軟件流程 主程序主要完成對I/O，定時(shí)器的初始化、讀出存儲在E2PROM中的系統參數，同時(shí)根據模式設定進(jìn)入相應的處理程序。該插座可運行于3種模式：智能定時(shí)模式、智能節能模式和普通模式。模式的切換通過(guò)模式按鍵來(lái)選擇。參數的測量主要由中斷服務(wù)程序定時(shí)完成。其流程運行圖見(jiàn)圖8 "> 圖8 程序運行流程圖 3.4 系統預計實(shí)現結果 以P4雙核計算機和17寸顯示器為例，顯示器待機功耗為5W，待機電流約25mA。則顯示器待機一個(gè)月浪費3.6度(5W×24×30=3600W=3.6度)，按一度電0.8元計算的話(huà)，則一個(gè)月浪費2.88元，按用戶(hù)一年使用10個(gè)月計算，則一年浪費28.8元，假如有兩臺這樣的計算機的話(huà)，則一年浪費57.6元。根據我們對市場(chǎng)的調查和預算，我們所設計的節能型插座的成本在50元左右。因此，對節能型插座的研究很有經(jīng)濟效益。 將設計的插座按圖9方式連接測試，采用P4雙核計算機和17寸顯示器進(jìn)行測試，顯示器待機功耗為5W，待機電流約25mA。進(jìn)入待機狀態(tài)后，按插座上的采樣按鈕，將此計算機的待機電流采樣存進(jìn)E2PROM，測試結果表明，當計算機進(jìn)入待機狀態(tài)后，插座可以有效的切斷顯示器的電源。 圖9 測試方案 |
