本文設計的智能節(jié)能插座，具有智能節(jié)能和定時開關功能，也可作為普通插座使用。經(jīng)過測試，系統(tǒng)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，在節(jié)能減排方面具有一定的社會效益和廣泛的推廣價值。
1.智能插座的硬件結構
計算機智能節(jié)能插座的硬件結構圖如圖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(tài)和過流保護；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前的運行狀態(tài)；鍵盤輸入實現(xiàn)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(tài)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(shù)／模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。
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(yōu)點，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可獨立訪問的哈佛結構，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程序存儲器；512 b的e2prom和512b ram；同時片內(nèi)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(tǒng)編程功能，片內(nèi)資源豐富，集成度高，使用方便。使用avr mega48v可以很方便地實現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設置、電流檢測、工作狀態(tài)的指示等。
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(xiàn)開關控制，另一路采樣受控接口電流實現(xiàn)過流保護(見圖2)。電流互感器的輸出信號經(jīng)過i-v變換后用mega 48采樣，根據(jù)互感器的變比系數(shù)可以計算出電流的有效值。i-v變換的輸出電壓經(jīng)過比較器后，若達到過流極限(設定為10 a)則觸發(fā)外部中斷，經(jīng)過中斷程序處理判斷是否達到過流值并執(zhí)行過流保護動作。
4.電源電路
單片機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在電源斷開后為c3提供放電回路；r4為限流電阻；經(jīng)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。
5.繼電器驅(qū)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(cè)電壓為5v的繼電器，用s8050驅(qū)動繼電器。mega 48具有較強的i／o驅(qū)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。
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(zhuǎn)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(zhí)行相同的操作。設定的參數(shù)和模式保存在mega 48的e2prom中。
7.狀態(tài)顯示和告警電路
該設計采用lcdl602液晶顯示系統(tǒng)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線驅(qū)動法，接1 kω電阻到地，用于調(diào)節(jié)液晶顯示對比度。顯示數(shù)據(jù)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(xiàn)過流或則定時切斷時間到時，相應的發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器告警，并執(zhí)行相應的動作。
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)。
9.智能插座的軟件設計
主程序主要完成對i／o，定時器的初始化、讀出存儲在e2prom中的系統(tǒng)參數(shù)，同時根據(jù)模式設定進入相應的處理程序。該插座可運行于3種模式：智能定時模式、智能節(jié)能模式和普通模式。模式的切換通過模式按鍵來選擇。參數(shù)的測量主要由中斷服務程序定時完成。圖6為主程序流程圖。
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。
10.智能插座的測試
將設計的插座按圖7的方式連接測試，采用p4雙核計算機和17寸顯示器進行測試，顯示器待機功耗為5w，待機電流約25ma。進入待機狀態(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e2prom，測試結果表明，當計算機進入待機狀態(tài)后，插座可以有效的切斷顯示器的電源。