DIY智能家居：基于AVR的智能节能插排的系统解决方案

一、项目概述

1.1 引言

目前，节能已经成为我国当前和以后急需解决的问题。解决待机能耗是节能的一个重要组成部分。部分家电外部设备(如打印机、扫描仪、音响等)的待机能耗不但增加了消费者的日常电费开支，也造成电力资源的极大浪费。人们有时候在离开时并没有断开电源，或只把主设备断电或关机，一般设备的外部设备容易被人忽略，常常处于待机状态。例如：电脑已经关机，而连接在主机上的显示器、扫描仪、打印机、音响等外部设备很有可能还处于通电状态。电视机已经关机，而连接在电视机上的DVD、机顶盒或音响可能会处于正常工作或待机状态。人们经常会忽视此类情形下待机设备所耗的电能。

本着节能减排的原则，此次设计中将普通插排改进成智能型插排。可以根据主设备的工作状态将外部设备自动断电或通电。

1.2 项目背景/选题动机

针对解决待机功耗的问题，市场上已经有了一些定时插座，这些产品存在很多不足。有的定时机构过于简单，不能做多天或周期性的设定。有的是用普通继电器给控制电路供电，在通电或断电时需要给线圈供电，本身就需要而外的能量，功耗较大。有的功能单一，使得插排的性价比较低。

此次设计的智能节能插排。除了实现定时接通关断和自动接通和关断外部设备之外还具有日期时间显示，电能记录（包括日用电量，月用电量）以及实时功率显示功能。在硬件不增加的条件下，实现更多的功能，提高设备的性价比。

二、需求分析

2.1 功能要求

基于AVR为主控制器的智能节能插排结构图如图1所示。本次设计中主要实现如下功能：

1、插排上的所有端口都可以配置成三种状态：主插口（只能有一个主插口）、辅助插口（可以设置多个，随主插口动作）、普通插口（不随主插口动作，一直处于接通状态）。

2、能对任意一个插口进行单独的定时。包括接通时间和断开时间。

3、能够实现功率的粗略计算以及电能的累加，此功能是否启动由按键设定。

4、系统在主设备断电以及无需电能计算时，控制系统自动进入到休眠。液晶在无按键操作5S后自动关闭显示。降低整个系统的功耗。

5、在检测到整体电流或单个插口电流过大时，对设备断电和报警，以保护设备。此电流可以由使用者通过键盘进行设定。

图1 系统架构.

2.2 性能要求

系统运行的稳定性：系统能够稳定运行。不会出现死机、无缘无故重启等现象。检测到异常现象时能够正确及时的做出相应动作。

电流检测的可靠性：电流检测是通过电流互感器得到的。所测电流与实际电流误差不能太大。误差要在允许范围内。

系统的低功耗特性：系统在主设备断电以及无需电能计算时，能够控制系统自动进入到休眠状态。液晶在无按键操作5S后能够自动关闭显示。只有当再次按键时才会再次显示。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

图2 系统硬件结构框图

系统的硬件结构图如图2所示。系统通过AVR单片机对插排各个插口电流进行采样。采样电流通过电流互感器得到。单片机根据所设定的主插口的电流大小判断主设备是否关闭。如果主设备关闭，将所有辅助插口全部断开，从而使外部设备断电，降低待机功耗，达到节能的目的。通过计算得到各个插口所连接设备的功率和所用的电能。时钟芯片为系统提供日历时钟信息。按键和液晶构成人机接口，液晶正常状态显示日期时间和功率信息。通过按键可以对各个插口进行配置以及输入电流的上限值和下限值。出现过载现象时蜂鸣器发出报警信号。

3.2 硬件平台选用及资源配置

本次设计欲采用ATMEL公司的ATmega64作为主控制器，此芯片是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器。具有64K字节的系统内可编程Flash，满足设计程序的存储空间；

2K字节的EEPROM，能够实现掉电非易失数据的保存；有8路10位ADC可满足电流采样；53 个可编程的I/O口满足控制端口；以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

3.4 系统软件流程

如图3所示为系统软件流程图。系统未进入睡眠状态之前一直处于检测电流、比较和显示的循环状态。当条件符合时，系统自动进入睡眠状态，降低功耗。

图3 系统软件流程图

3.4 系统预计实现结果

插排上的所有端口都可以配置成三种状态。可实现对任意一个插口进行单独的定时。包括接通时间和断开时间。可以实现功率的粗略计算以及电能的累加，此功能是否启动由按键设定。在主设备断电和没有电能计算时，控制系统可以自动进入到睡眠状态。液晶在无按键操作5S后自动关闭显示。在检测到整体电流或单个插口电流过大时，实现对设备断电和报警，以保护设备。此电流可以由使用者通过键盘进行设定。