DIY智能家居：基于AVR的智能節(jié)能插排的系統(tǒng)解決方案

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

目前，節(jié)能已經(jīng)成為我國當(dāng)前和以后急需解決的問題。解決待機(jī)能耗是節(jié)能的一個(gè)重要組成部分。部分家電外部設(shè)備(如打印機(jī)、掃描儀、音響等)的待機(jī)能耗不但增加了消費(fèi)者的日常電費(fèi)開支，也造成電力資源的極大浪費(fèi)。人們有時(shí)候在離開時(shí)并沒有斷開電源，或只把主設(shè)備斷電或關(guān)機(jī)，一般設(shè)備的外部設(shè)備容易被人忽略，常常處于待機(jī)狀態(tài)。例如：電腦已經(jīng)關(guān)機(jī)，而連接在主機(jī)上的顯示器、掃描儀、打印機(jī)、音響等外部設(shè)備很有可能還處于通電狀態(tài)。電視機(jī)已經(jīng)關(guān)機(jī)，而連接在電視機(jī)上的DVD、機(jī)頂盒或音響可能會(huì)處于正常工作或待機(jī)狀態(tài)。人們經(jīng)常會(huì)忽視此類情形下待機(jī)設(shè)備所耗的電能。

本著節(jié)能減排的原則，此次設(shè)計(jì)中將普通插排改進(jìn)成智能型插排?？梢愿鶕?jù)主設(shè)備的工作狀態(tài)將外部設(shè)備自動(dòng)斷電或通電。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

針對(duì)解決待機(jī)功耗的問題，市場(chǎng)上已經(jīng)有了一些定時(shí)插座，這些產(chǎn)品存在很多不足。有的定時(shí)機(jī)構(gòu)過于簡(jiǎn)單，不能做多天或周期性的設(shè)定。有的是用普通繼電器給控制電路供電，在通電或斷電時(shí)需要給線圈供電，本身就需要而外的能量，功耗較大。有的功能單一，使得插排的性價(jià)比較低。

此次設(shè)計(jì)的智能節(jié)能插排。除了實(shí)現(xiàn)定時(shí)接通關(guān)斷和自動(dòng)接通和關(guān)斷外部設(shè)備之外還具有日期時(shí)間顯示，電能記錄（包括日用電量，月用電量）以及實(shí)時(shí)功率顯示功能。在硬件不增加的條件下，實(shí)現(xiàn)更多的功能，提高設(shè)備的性價(jià)比。

二、需求分析

2.1 功能要求

基于AVR為主控制器的智能節(jié)能插排結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本次設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

1、插排上的所有端口都可以配置成三種狀態(tài)：主插口（只能有一個(gè)主插口）、輔助插口（可以設(shè)置多個(gè)，隨主插口動(dòng)作）、普通插口（不隨主插口動(dòng)作，一直處于接通狀態(tài)）。

2、能對(duì)任意一個(gè)插口進(jìn)行單獨(dú)的定時(shí)。包括接通時(shí)間和斷開時(shí)間。

3、能夠?qū)崿F(xiàn)功率的粗略計(jì)算以及電能的累加，此功能是否啟動(dòng)由按鍵設(shè)定。

4、系統(tǒng)在主設(shè)備斷電以及無需電能計(jì)算時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入到休眠。液晶在無按鍵操作5S后自動(dòng)關(guān)閉顯示。降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

5、在檢測(cè)到整體電流或單個(gè)插口電流過大時(shí)，對(duì)設(shè)備斷電和報(bào)警，以保護(hù)設(shè)備。此電流可以由使用者通過鍵盤進(jìn)行設(shè)定。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu).

2.2 性能要求

系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性：系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)、無緣無故重啟等現(xiàn)象。檢測(cè)到異?，F(xiàn)象時(shí)能夠正確及時(shí)的做出相應(yīng)動(dòng)作。

電流檢測(cè)的可靠性：電流檢測(cè)是通過電流互感器得到的。所測(cè)電流與實(shí)際電流誤差不能太大。誤差要在允許范圍內(nèi)。

系統(tǒng)的低功耗特性：系統(tǒng)在主設(shè)備斷電以及無需電能計(jì)算時(shí)，能夠控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入到休眠狀態(tài)。液晶在無按鍵操作5S后能夠自動(dòng)關(guān)閉顯示。只有當(dāng)再次按鍵時(shí)才會(huì)再次顯示。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)通過AVR單片機(jī)對(duì)插排各個(gè)插口電流進(jìn)行采樣。采樣電流通過電流互感器得到。單片機(jī)根據(jù)所設(shè)定的主插口的電流大小判斷主設(shè)備是否關(guān)閉。如果主設(shè)備關(guān)閉，將所有輔助插口全部斷開，從而使外部設(shè)備斷電，降低待機(jī)功耗，達(dá)到節(jié)能的目的。通過計(jì)算得到各個(gè)插口所連接設(shè)備的功率和所用的電能。時(shí)鐘芯片為系統(tǒng)提供日歷時(shí)鐘信息。按鍵和液晶構(gòu)成人機(jī)接口，液晶正常狀態(tài)顯示日期時(shí)間和功率信息。通過按鍵可以對(duì)各個(gè)插口進(jìn)行配置以及輸入電流的上限值和下限值。出現(xiàn)過載現(xiàn)象時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

本次設(shè)計(jì)欲采用ATMEL公司的ATmega64作為主控制器，此芯片是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。具有64K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，滿足設(shè)計(jì)程序的存儲(chǔ)空間；

2K字節(jié)的EEPROM，能夠?qū)崿F(xiàn)掉電非易失數(shù)據(jù)的保存；有8路10位ADC可滿足電流采樣；53 個(gè)可編程的I/O口滿足控制端口；以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

如圖3所示為系統(tǒng)軟件流程圖。系統(tǒng)未進(jìn)入睡眠狀態(tài)之前一直處于檢測(cè)電流、比較和顯示的循環(huán)狀態(tài)。當(dāng)條件符合時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，降低功耗。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

插排上的所有端口都可以配置成三種狀態(tài)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)任意一個(gè)插口進(jìn)行單獨(dú)的定時(shí)。包括接通時(shí)間和斷開時(shí)間?？梢詫?shí)現(xiàn)功率的粗略計(jì)算以及電能的累加，此功能是否啟動(dòng)由按鍵設(shè)定。在主設(shè)備斷電和沒有電能計(jì)算時(shí)，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)入到睡眠狀態(tài)。液晶在無按鍵操作5S后自動(dòng)關(guān)閉顯示。在檢測(cè)到整體電流或單個(gè)插口電流過大時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備斷電和報(bào)警，以保護(hù)設(shè)備。此電流可以由使用者通過鍵盤進(jìn)行設(shè)定。