智能插座電子電路設計

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(kāi)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(kāi)機和關(guān)機來(lái)帶動(dòng)其他設備的開(kāi)或關(guān)，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(chǎn)生的輻射，以此達到節能和環(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)輸入電路和實(shí)時(shí)時(shí)鐘構成。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;RTC時(shí)鐘由PCF8563構成。

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(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 mega48V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。

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(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(見(jiàn)圖2)。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。

1.4 電源電路

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。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(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。

1.5 繼電器驅動(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4所示。

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