■文/李云和

　　日常工作生活中，人們在電腦關機后一般都不會拔出電源插頭，電腦依舊會消耗電能卻很少有人關注。常用的臺式電腦關機后功率為3.5W，進入休眠狀態(tài)時為3.7W。筆記本電腦關機時功率為2.4W，進行休眠狀態(tài)后為2.5W。此外,長時間待機將加速電器老化，縮短使用壽命，增大安全隱患。電源插座量巨面廣，遍及人們工作生活場所。改變人們的使用習慣比較難，但運用智能優(yōu)化設計斷電插座可以實現節(jié)能替代。國內外關于智能插座的研究有一定的技術成果，但遲遲未能得到推廣應用。有待突破的瓶頸主要有三方面：一是電路板尺寸。目前國內有專門為電視機和電腦設計的斷電電路板，但體積偏大，集成應用與插排有難度。二是獨立式互不干涉設計加大了尺寸，分離控制也會增加了耗電成本，需要優(yōu)化設計。三是功率計量。目前市面上有電壓顯示的插座，但沒有實際意義，人們只有在看到他們用了多少電，才會意識到需要節(jié)約用電。耗電量顯示才是節(jié)能型開創(chuàng)性設計。因此，研究和應用功率計量插座獨立式智能斷電，對安全節(jié)能使用電源電器，事雖微細，卻有現實積極意義。

　　系統設計原理與功能

　　獨立式智能斷電功率計量插座融合了電源模塊、單片機最小系統、繼電器控制、顯示模塊和功率計量模塊。其工作原理是：用電器多次檢測到工作電流比較小時，默認為進入關機狀態(tài)或者休眠狀態(tài)，繼電器切斷電源。斷電控制采用完整可靠的程序算法，完成智能斷電。當需要再次使用，只需要按一下智能斷電的功能復位鍵，清除標志位，繼電器又正常合上工作。工作原理示意框圖如Figure1。

　　獨立式智能斷電功率計量插座實現的主要功能包括：一是插座分受控區(qū)與非受控區(qū)，使用時互不影響。二是對受控區(qū)的用電器實現智能斷電，下次使用時只需按功能復位鍵即可。三是實現了對功率、電壓、消耗電能的液晶顯示，提醒用戶節(jié)約用電。

　　優(yōu)化設計的主要內容

　　1．智能斷電。插座由電流取樣模塊（主要是利用互感器從負載電路上的取樣小電流在待機與開機兩種狀態(tài)下的數值差異較大進行工作）、單片機主控模塊（單片機通過內部A／D模塊，得到取樣電阻上的電壓值，將該電壓值與設定的閾值比較從而控制繼電器）與繼電器控制模塊（通過I／O端口向繼電器模塊輸入高低電壓，即可控制其觸點的吸合、斷開，從而控制電源的開關）組成。通過檢測插座回路的微小電流，獲知外界用電情況來控制繼電器的開關動作，實現對電源的智能控制。

　　2．獨立式分布。主要研究內容在于插座的位置、排列等因素獨立設計，減少相互干擾。

　　3．功率計量。實現使用微耗的液晶顯示屏，顯示用電器的功率和耗電量、輸入電壓、電流強電信號。通過分壓電阻等轉換為弱電信號,再輸入給專用的計量芯片,如ATT7027, 可以自動完成多路電壓、電流有效值、功率等計算。

　　4．新型設計。區(qū)分了智能區(qū)和非智能區(qū)，從用戶體驗的角度，合理安排插座的位置和數量。還可以設計新型二孔、三孔并用區(qū)，最大程度的節(jié)約空間，擴大用電器同時使用的數量。

　　5．整個控制系統建立在一個以單片機為核心的硬件電路系統上，電路板需要優(yōu)化設計，并調試其可靠性。

　　6．設計開發(fā)智能斷電的軟件程序控制要實現的諸功能，使得在滿足功能實現的同時，將單片機系統的功耗降到最低。

　　樣機研制的關鍵測控點

　　1．信號采樣模塊制作。電路中器件的功率主要決定于電流和電壓，包括幅值和相位角。電壓已知，只需求出電流。研制時用萬用電路板焊接了信號采集和轉換模塊，采用了互感器采樣電路中的電流信號，進行比例縮小，加載到電阻上，采樣電阻上的電壓信號，然后進行放大、整流、濾波，將其變成一個穩(wěn)定的直流信號。這個電壓信號就是與電路中電流有關的信號。

　　2．電流互感器調節(jié)?；ジ衅饔蓄~定的輸出功率，加載負載上的電壓很難保持和電路中的電流成線性關系，要調節(jié)好負載在電流互感器兩端的電阻值大小，使電壓和電流成線性關系。

　　3．單片機功耗控制。斷電插座旨在安全和節(jié)能，研制時采用了MSP430f149作為控制芯片，運用MSP430f149程序例程和最小系統電路圖原理，采用了低功耗的模式，制作了最小系統和控制電路板，將其功率降到很低。

　　4．采樣電路集成設計。困難之處在于萬能板空間占比大，不能很好地集成以及與主控制電路連接在一起。研制時采用了印制的PCB板，包括最小系統和控制電路板、傳感器電路板、功率計量電路板。原計劃用RN8209G計量芯片來進行功率測量，但通訊和校表程序復雜，燒了兩次板子都沒有成功，所以采用了現成的ATT7022B功率計量模塊并取得滿意效果。Figure2是研制時改裝的實物內部結構圖。

　　特色創(chuàng)新及需要改進的問題

　　通過優(yōu)化設計和樣機研制測試，獨立式智能斷電功率計量插座實現其特色創(chuàng)新：一是智能區(qū)采用超低功耗的MSP430f149芯片實現智能斷電控制，睡眠模式極大地降低了芯片的運行速度和功耗，節(jié)約電能，也做到了安全。二是插座設計有智能斷電區(qū)和非受控區(qū)，用戶可以自由選擇，增強了它的適用性。三是液晶屏顯示能耗功率,給用戶最直觀的提醒。四是再次使用時，只需按下功能復位鍵就行，簡單方便。

　　研制過程中也發(fā)現一些問題，如單片機低功耗模式、AD定時采樣、定時器的程序綜合時序，結構和調試都比較復雜，電路電流信號很不穩(wěn)定，對判斷用電器工作狀態(tài)判斷會造成偏差，應該用規(guī)范的計量模塊來設計電路。又如功率計量模塊涉及到220V電路的電流和電壓,操作十分危險，組裝時要做好防電保護措施。又如為盡量增大電路板的集成度，電路板在高電壓和低電壓區(qū)應該盡量隔開布線，以減少它多占布線空間。

　　結束語

　　通過運用智能程序控制采集信號，采用最小系統電路圖原理和低功耗的模式，制作最小系統和控制電路板，并安裝液晶屏顯示能耗功率,可實現智能斷電、獨立式、功率計量可顯示等新型功能。這些優(yōu)化設計順利通過了樣機穩(wěn)定可靠性測試。因此，優(yōu)化設計后的帶功率計量顯示裝置的獨立式智能斷電插座強的應用價值和推廣空間。

　　(作者單位：重慶大學光電學院)

　　《中國質量技術監(jiān)督》2014年11月刊