智能省電插座

蔣祥軍

摘 要：待機(jī)能耗是指電器雖然沒有使用，但其插頭仍然插在插座的狀態(tài)下所消耗的電能。隨著電器產(chǎn)品智能化的提升，導(dǎo)致待機(jī)能耗迅速增長，整個(gè)家庭和社會付出了太多的代價(jià)。據(jù)中國節(jié)能認(rèn)證中心對家庭待機(jī)能耗做過的調(diào)查顯示，待機(jī)能耗占到家庭電力消耗的10%左右，僅以電視機(jī)為例，平均每臺電視機(jī)的待機(jī)能耗是8.07W，按每天待機(jī)10小時(shí)大約耗電0.08度。待機(jī)能耗引起的資源和環(huán)境問題越來越受到社會的廣泛關(guān)注，智能省電插座因其方便、節(jié)能成為國內(nèi)外節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能省電插座；設(shè)計(jì)構(gòu)架；硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能省電插座在用戶將插座中主要設(shè)備關(guān)閉后，造成電路中電流驟減，基于ARM系列單片機(jī)STM32F103的微控制器能迅速檢查到電流減小，從而認(rèn)定主要設(shè)備關(guān)閉，之后切斷插座電源，智能插座上的所有用電設(shè)備將全部實(shí)現(xiàn)自動斷電。為了實(shí)現(xiàn)操作簡單、便捷，設(shè)計(jì)智能省電插座和普通的家用遙控器能相互兼容，即用戶可以用任一遙控器開啟、斷開智能插座中插孔電源。

一、智能省電插座設(shè)計(jì)構(gòu)架

基于此智能省電插座的功能要求，構(gòu)建基于STM32的主控模塊、電壓電流監(jiān)測模塊、紅外模塊、電源通斷模塊、數(shù)碼管顯示模塊等構(gòu)成本系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電源通斷模塊主要由繼電器構(gòu)成，它用于接收主控模塊發(fā)出的插孔通、斷電指令，執(zhí)行接通或切斷插孔電源的操作。紅外模塊能接收電視機(jī)遙控器的信號，電壓、電流檢查模塊能檢測插座主線路的電壓值和主、副插孔的電流值，這幾路數(shù)據(jù)均傳送給主控模塊，主控模塊根據(jù)紅外模塊傳遞的信號以及電壓值、電流值給通斷模塊發(fā)出通、斷電的指令，能夠在插座中的主要設(shè)備關(guān)機(jī)的情況下，有效切斷同一插座上其他外設(shè)的電源，達(dá)到節(jié)能的目的。

二、智能省電插座硬件設(shè)計(jì)

（一）電壓監(jiān)測電路

電壓監(jiān)測部分主要由交流電壓互感器以及運(yùn)放電路構(gòu)成，如圖2所示。

該交流電壓互感器初級通過在電路中串入電阻，將電壓轉(zhuǎn)換成電流，經(jīng)互感器作電流變換后，次級輸出電流信號經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換為所需要的電壓。所選的交流互感器的額定輸入電流和額定輸出電流之比為2mA：2mA，計(jì)算可得初級的限流電阻為220×V/2mA≈150kΩ，為留有裕量，實(shí)際設(shè)定的初級限流電阻200kΩ略大于此值。由此可得到初級的電流值為220×V/200kΩ ≈ 1.55mA，互感器次級加在R10上的電壓值VR10 =1.55mA×100Ω=155mV.

在運(yùn)算放大器部分，根據(jù)其虛短、虛斷的特點(diǎn)，計(jì)算出輸出電壓值為

VO = （1+Rf/R1） Vi-（Rf/R1）Vref （1）

式中 ：Rf/R1為反饋電阻與輸入電阻的比值；為R10兩端的電壓值VR10 與 參考電壓Vref 的疊加，即為（VR10 +Vref ）。將Vi = VR10 +Vref 代入式（1） 中化簡得到

VO = VR10 （1+Rf/R1）+ Vref （2）

據(jù)式（2）可知，與零參考電壓比較，運(yùn)放的輸出電壓被抬高 Vref ，此設(shè)計(jì)用以確保運(yùn)放的輸出電壓始終為正值。如此，VO的最大值為

0.155V×（1+10/2）+1.25V=0.93V+1.25V=2.18V （3）

最小值為

0.155V×（1+10/2）-1.25V= -0.93V+1.25V=0.32V （4）

此范圍在主控單片機(jī)STM32F103檢測范圍之內(nèi)，單片機(jī)通過相應(yīng)的算法可以得到插座主線路中的電壓值，從而給電源通斷模塊下述通、斷指令，提供過壓斷電的安全保護(hù)措施，保證用電安全。在圖2所示的電壓監(jiān)測電路中，互感器輸入端接220V交流市電，運(yùn)放參考電壓Vref 接1.25V，運(yùn)放輸出端與STM32F103 的PAO引腳連接。

（二）電流監(jiān)測電路

電流監(jiān)測部分主要由電流互感器以及運(yùn)放電路構(gòu)成。

電流互感器的作用是可以把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，用來進(jìn)行控制、保護(hù)和測量等用途。所選的電流互感器可以把實(shí)際為5A的電流轉(zhuǎn)換為5mA的電流。

主、副插孔電流監(jiān)測電路分別如圖3、圖4所示。

設(shè)計(jì)方法與圖2的電壓監(jiān)測電路類似，運(yùn)放參考電壓Vref 接1.25V，輸出電壓仍然被抬高1.25V，互感器次級加在R28兩端的電壓為5mA×100Ω=500mV，為確保運(yùn)放輸出端的電壓值為正，最小電壓值 -5V×Av+1.25V必須大于零，由此可得放大倍數(shù)Av<2.5，本文中放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為（1+10/10）=2.

因此運(yùn)放輸出的最大電壓為0.5V×2+1.25V=2.25V，最小電壓為-0.5V×2+1.25V=0.25V，此范圍仍然在主控單片機(jī)STM32F103檢測范圍之內(nèi)，單片機(jī)通過濾波算法可得到主、副插孔線路中的電流值，從而給由繼電器構(gòu)成的電源通斷模塊相應(yīng)的通、斷指令。

在圖3和圖4中，主、副插孔的通、斷由繼電器模塊控制，繼電器控制端RELAY1、RELAY2與STM32的PB8、PB9相連，主、副插孔運(yùn)放輸出端CUR2、CUR1分別與STM32的PA1、PA2引腳連接。單片機(jī)STM32對CUR2、CUR1值進(jìn)行濾波算法處理，可得到主、副插孔線路中的電流值，從而給繼電器模塊控制端RELAY1、RELAY2通斷指令，控制主、副插孔的通、斷電。

1、智能省電插座軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)智能省電插座智能化、節(jié)能化的功能，在智能插座的主程序設(shè)計(jì)中，設(shè)置一個(gè)表示繼電器狀態(tài)的標(biāo)志位relay-flag，當(dāng)主、副插孔均處于斷開狀態(tài)時(shí)，標(biāo)志位relay-flag為0；當(dāng)接收到遙控器的紅外信號，讓主插孔通電并且標(biāo)志位relay-flag設(shè)定為1；接著如果在2s鐘內(nèi)檢測到主插孔中有電流，讓副插孔通電并且設(shè)定標(biāo)志位relay-flag為2；在標(biāo)志位為2的前提下，判斷主插孔中是否有電流，如果沒有則將兩個(gè)插孔均斷開無電，且標(biāo)志位回歸為0.主程序流程圖如圖5所示。

2、智能省電插座綜合調(diào)試

對設(shè)計(jì)的智能省電插座進(jìn)行軟硬件綜合調(diào)試，首先接通電源，把智能插座電源接入外部電源插座，再將電視機(jī)電源插頭接入智能插座的主插孔上其他如機(jī)頂盒等輔助設(shè)備接入副插孔上。

其次發(fā)送紅外信號，先朝向智能插座按下電視遙控器按鍵，發(fā)送紅外線信號將智能插座開啟，能聽到繼電器吸合的咔嚓聲表明控制主插座的繼電器吸合使得主插孔通電，與此同時(shí)數(shù)碼管上顯示“on”；接著朝向電視機(jī)按下遙控按鍵開啟電視，2s內(nèi)再次聽到繼電器吸合的咔嚓聲表明副插孔也通電可以正常工作，副插孔中的輔助設(shè)備全部正常開啟，電視可以正常觀看，數(shù)碼管上跳動顯示電視機(jī)正常工作時(shí)智能插座主線路上的電壓值，以及主、副插孔的電流值。

最后使用遙控關(guān)閉電視使其處于待機(jī)狀態(tài)，2s內(nèi)可以聽到兩聲咔嚓聲表明主、副插孔均斷開，數(shù)碼管中顯示“off”，接著數(shù)碼管顯示的主、副插孔的電流值均為零。

三、結(jié)論

本文開發(fā)的智能省電插座有如下特點(diǎn)：

1、使用紅外線遙控技術(shù)控制插座中插孔是否通電，所設(shè)計(jì)智能省電插座和普通家用遙控器能相互兼容，因此用戶只需要多按一次按鍵輕松解決待機(jī)能耗問題。

2、當(dāng)用戶關(guān)閉插座中主要設(shè)備后，電路中電流聚減，插座內(nèi)基于STM32單片機(jī)的微控制器能迅速檢測到電流減小，從而認(rèn)定主要設(shè)備關(guān)閉，之后切斷電源，節(jié)能插座上的用電設(shè)備將全部自動斷電。

3、電器不再處于長期待機(jī)的狀態(tài)，因此可以有效延長電器的安全使用壽命，在不改變使用習(xí)慣的前提下真正做到了節(jié)能、方便，更除去了大家的安全隱患。