独立式功率计量插座 智能断电的优化设计与样机研制

    ■文/李云和

　　日常工作生活中，人们在电脑关机后一般都不会拔出电源插头，电脑依旧会消耗电能却很少有人关注。常用的台式电脑关机后功率为3.5W，进入休眠状态时为3.7W。笔记本电脑关机时功率为2.4W，进行休眠状态后为2.5W。此外,长时间待机将加速电器老化，缩短使用寿命，增大安全隐患。电源插座量巨面广，遍及人们工作生活场所。改变人们的使用习惯比较难，但运用智能优化设计断电插座可以实现节能替代。国内外关于智能插座的研究有一定的技术成果，但迟迟未能得到推广应用。有待突破的瓶颈主要有三方面：一是电路板尺寸。目前国内有专门为电视机和电脑设计的断电电路板，但体积偏大，集成应用与插排有难度。二是独立式互不干涉设计加大了尺寸，分离控制也会增加了耗电成本，需要优化设计。三是功率计量。目前市面上有电压显示的插座，但没有实际意义，人们只有在看到他们用了多少电，才会意识到需要节约用电。耗电量显示才是节能型开创性设计。因此，研究和应用功率计量插座独立式智能断电，对安全节能使用电源电器，事虽微细，却有现实积极意义。

　　系统设计原理与功能

　　独立式智能断电功率计量插座融合了电源模块、单片机最小系统、继电器控制、显示模块和功率计量模块。其工作原理是：用电器多次检测到工作电流比较小时，默认为进入关机状态或者休眠状态，继电器切断电源。断电控制采用完整可靠的程序算法，完成智能断电。当需要再次使用，只需要按一下智能断电的功能复位键，清除标志位，继电器又正常合上工作。工作原理示意框图如Figure1。

　　独立式智能断电功率计量插座实现的主要功能包括：一是插座分受控区与非受控区，使用时互不影响。二是对受控区的用电器实现智能断电，下次使用时只需按功能复位键即可。三是实现了对功率、电压、消耗电能的液晶显示，提醒用户节约用电。

　　优化设计的主要内容

　　1．智能断电。插座由电流取样模块（主要是利用互感器从负载电路上的取样小电流在待机与开机两种状态下的数值差异较大进行工作）、单片机主控模块（单片机通过内部A／D模块，得到取样电阻上的电压值，将该电压值与设定的阈值比较从而控制继电器）与继电器控制模块（通过I／O端口向继电器模块输入高低电压，即可控制其触点的吸合、断开，从而控制电源的开关）组成。通过检测插座回路的微小电流，获知外界用电情况来控制继电器的开关动作，实现对电源的智能控制。

　　2．独立式分布。主要研究内容在于插座的位置、排列等因素独立设计，减少相互干扰。

　　3．功率计量。实现使用微耗的液晶显示屏，显示用电器的功率和耗电量、输入电压、电流强电信号。通过分压电阻等转换为弱电信号,再输入给专用的计量芯片,如ATT7027, 可以自动完成多路电压、电流有效值、功率等计算。

　　4．新型设计。区分了智能区和非智能区，从用户体验的角度，合理安排插座的位置和数量。还可以设计新型二孔、三孔并用区，最大程度的节约空间，扩大用电器同时使用的数量。

　　5．整个控制系统建立在一个以单片机为核心的硬件电路系统上，电路板需要优化设计，并调试其可靠性。

　　6．设计开发智能断电的软件程序控制要实现的诸功能，使得在满足功能实现的同时，将单片机系统的功耗降到最低。

　　样机研制的关键测控点

　　1．信号采样模块制作。电路中器件的功率主要决定于电流和电压，包括幅值和相位角。电压已知，只需求出电流。研制时用万用电路板焊接了信号采集和转换模块，采用了互感器采样电路中的电流信号，进行比例缩小，加载到电阻上，采样电阻上的电压信号，然后进行放大、整流、滤波，将其变成一个稳定的直流信号。这个电压信号就是与电路中电流有关的信号。

　　2．电流互感器调节。互感器有额定的输出功率，加载负载上的电压很难保持和电路中的电流成线性关系，要调节好负载在电流互感器两端的电阻值大小，使电压和电流成线性关系。

　　3．单片机功耗控制。断电插座旨在安全和节能，研制时采用了MSP430f149作为控制芯片，运用MSP430f149程序例程和最小系统电路图原理，采用了低功耗的模式，制作了最小系统和控制电路板，将其功率降到很低。

　　4．采样电路集成设计。困难之处在于万能板空间占比大，不能很好地集成以及与主控制电路连接在一起。研制时采用了印制的PCB板，包括最小系统和控制电路板、传感器电路板、功率计量电路板。原计划用RN8209G计量芯片来进行功率测量，但通讯和校表程序复杂，烧了两次板子都没有成功，所以采用了现成的ATT7022B功率计量模块并取得满意效果。Figure2是研制时改装的实物内部结构图。

　　特色创新及需要改进的问题

　　通过优化设计和样机研制测试，独立式智能断电功率计量插座实现其特色创新：一是智能区采用超低功耗的MSP430f149芯片实现智能断电控制，睡眠模式极大地降低了芯片的运行速度和功耗，节约电能，也做到了安全。二是插座设计有智能断电区和非受控区，用户可以自由选择，增强了它的适用性。三是液晶屏显示能耗功率,给用户最直观的提醒。四是再次使用时，只需按下功能复位键就行，简单方便。

　　研制过程中也发现一些问题，如单片机低功耗模式、AD定时采样、定时器的程序综合时序，结构和调试都比较复杂，电路电流信号很不稳定，对判断用电器工作状态判断会造成偏差，应该用规范的计量模块来设计电路。又如功率计量模块涉及到220V电路的电流和电压,操作十分危险，组装时要做好防电保护措施。又如为尽量增大电路板的集成度，电路板在高电压和低电压区应该尽量隔开布线，以减少它多占布线空间。

　　结束语

　　通过运用智能程序控制采集信号，采用最小系统电路图原理和低功耗的模式，制作最小系统和控制电路板，并安装液晶屏显示能耗功率,可实现智能断电、独立式、功率计量可显示等新型功能。这些优化设计顺利通过了样机稳定可靠性测试。因此，优化设计后的带功率计量显示装置的独立式智能断电插座强的应用价值和推广空间。

　　(作者单位：重庆大学光电学院)

　　《中国质量技术监督》2014年11月刊