智能插座電子電路設(shè)計(jì)

0 引言

計(jì)算機(jī)外部設(shè)備(如打印機(jī)、掃描儀、音響等)的待機(jī)能耗不但增加了消費(fèi)者的日常電費(fèi)開(kāi)支，也使電力資源浪費(fèi)極大。該設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)智能節(jié)能插座利用主機(jī)的開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)來(lái)帶動(dòng)其他設(shè)備的開(kāi)或關(guān)，使其接口設(shè)備待機(jī)能耗為零，能夠減少計(jì)算機(jī)及其外設(shè)所產(chǎn)生的輻射，以此達(dá)到節(jié)能和環(huán)保功效;同時(shí)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(zhuǎn)換作為普通插座使用，不影響其他設(shè)備的使用。

1 智能插座的設(shè)計(jì)

1.1 智能插座的硬件結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)智能節(jié)能插座的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1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(shù)轉(zhuǎn)換參考電壓電路、狀態(tài)顯示電路、鍵盤(pán)輸入電路和實(shí)時(shí)時(shí)鐘構(gòu)成。電流采樣電路用于檢測(cè)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和過(guò)流保護(hù);數(shù)/模轉(zhuǎn)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(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài);鍵盤(pán)輸入實(shí)現(xiàn)普通插座與智能插座的切換、設(shè)置待機(jī)臨界電流值、設(shè)置分段開(kāi)關(guān)的時(shí)間點(diǎn)。計(jì)算機(jī)主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)主機(jī)接口的電流互感器檢測(cè)，過(guò)流保護(hù)通過(guò)另一互感器檢測(cè)，當(dāng)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(duì)外設(shè)起到保護(hù)作用。由于互感器的感應(yīng)電流較小，在數(shù)/模轉(zhuǎn)換過(guò)程用對(duì)參考電壓的要求較高，該設(shè)計(jì)采用帶隙恒壓源TL431作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓。不同的計(jì)算機(jī)主機(jī)的待機(jī)電流可能不同，因此通過(guò)外部鍵盤(pán)可以采樣待機(jī)電流為臨界值，同時(shí)可以設(shè)置插座作為普通插座使用;RTC時(shí)鐘由PCF8563構(gòu)成。

1.2 AVR單片機(jī)

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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可獨(dú)立訪問(wèn)的哈佛結(jié)構(gòu)，代碼執(zhí)行效率高。該系統(tǒng)采用的mega 48v處理器包含有4 KB片內(nèi)可編程FLASH程序存儲(chǔ)器;512 B的E2PROM和512B RAM;同時(shí)片內(nèi)還集成了看門(mén)狗;8路10位ADC;3路可編程PWM輸出;具有在線系統(tǒng)編程功能，片內(nèi)資源豐富，集成度高，使用方便。使用AVR mega48V可以很方便地實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、電流檢測(cè)、工作狀態(tài)的指示等。

1.3 電流采樣電路

該設(shè)計(jì)采用電流型電流互感器采樣交流電流，一路采樣主機(jī)接口電流實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制，另一路采樣受控接口電流實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)(見(jiàn)圖2)。電流互感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)I-V變換后用mega 48采樣，根據(jù)互感器的變比系數(shù)可以計(jì)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(dá)到過(guò)流極限(設(shè)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(dá)到過(guò)流值并執(zhí)行過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。

1.4 電源電路

單片機(jī)的工作電壓和繼電器的線圈側(cè)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。如圖3所示。

圖3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，電流，為了滿足繼電器吸合時(shí)的電流要求，取C3的值為1μF，最大電流可以達(dá)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。

1.5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

受控插座的通斷是由繼電器控制的。該設(shè)計(jì)采用的線圈側(cè)電壓為5V的繼電器，用S8050驅(qū)動(dòng)繼電器。mega 48具有較強(qiáng)的I/O驅(qū)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4所示。

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