智能电源插座的研究设计.docx

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智能电源插座的研究设计

1引言

1.1认识待机能耗

如果电源插头不拔，连接插头的电器就有待机能耗，形象地说，待机就像家里的水龙头没有关紧，20％的电费就此白白浪费！

待机能耗是一种能源浪费。

调查显示：

一台电视机的遥控待机功耗约为17.0瓦，一台电脑关机后显示器外设的待机功耗约为16瓦，按照每天待机16个小时计算，一年就要浪费195.1度电；按居民用电每度电0.50元计，每年将浪费97.6元。

当你的家电也在待机的话，算一算你每年电器待机的浪费！

你每年浪费的电数＝待机能耗值×待机时间×365÷1000

1.2待机能耗有什么危害

据调查，我国家电待机现象十分普遍，有近七成的家庭使用家电后不关闭电源，三成多市民甚至不知道待机也会耗电。

节能环保中心专家指出，电器长期待机有三宗“罪”：

待机能耗三宗“罪”之一：

耗费电能惊人――不节能。

待机能耗三宗“罪”之二：

意外事故频频发生――不安全。

待机能耗三宗“罪”之三：

降低电器使用寿命――不经济。

1.3如何杜绝电器待机现象

中国电子商会电源专业委员会、北京电源行业委员会专家指出，杜绝待机

耗有两种方式：

（1）手动方式。

用完电器手动拔下电源插头切断电源。

（2）自动方式。

利用市面上的一些专业节电设备可自动切断电源，杜绝电器待机耗电。

安全与节能，应从源头——插座抓起！

选择智能电源插座做我的课题具有相当实际的意义。

智能电源插座——当电脑主机关机后，插座可自动将其显示器、打印机、音箱等外设的电源完全切断；当电视遥控关机后，插座将自动完全切断电视机及其配套的DVD、功放等电源；当突遇电源瞬间断电，可自动切断电源，起到节电和保护电 器的作用。

2系统设计

2.1设计要求

利用计算机主机或电视机的开机或关机来带动其接口设备的同步开或关，使其接口设备待机能耗归零，并同时导除计算机所产生的辐射，以此达到节能和环保的功效。

主要功能：

（1）对接入插座的电器的电压、电流、频率进行监测；

（2）对插座工作环境温度进行监测；

（3）完全解决待机耗电；

（4）红外遥控开关；

（5）过载保护；

（6）系统可将自身的工作状态传输给计算机进行显示；

2.2总体设计方案

本设计是一种电视机智能电源插座,将其交流电源端与220V市电相连,将电视机的电源插头插到本电视机智能电源插座中的机械插座上打开电视机上的电源开关,即可用电视机原有的红外线遥控器进行遥控开机、关机操作。

在电视机转成待机状态后,能自动将电视机的电源完全切断,电视机智能电源插座自身耗电也极省。

本设计是基于单片机对模拟信号的精确转换功能、高敏感和可控性，设计了以EM78P259单片机为核心的一套检测控制系统，其中包括EM78P259单片机、复位电路、基于芯片Viper-12A的电压转换电路、温度，电流，电压，频率检测、红外线接受电路、与PC机串口通讯电路、系统软件等部分的设计。

EM78P259N/260N是采用低功耗，高速CMOS工艺的8位单片机，成熟的技术和高的性价比是其突出优点，它内部集成了A/D转换功能，在简化电路的同时也降低了成本，加密设置防止程序被浸入、修改，以上特点利于本设计在日常生活中的推广应用，也正是我选择这款单片机的原因所在。

protelDXP就可以支持其电路原理图，PCB图。

主程序流程图是初始化系统的工作参数，主要包括CPU的定时器、A/D转换、端口、中断等的工作模式参数设定。

之后系统主程序循环调用各个功能模块子程序。

子程序流程图主要有：

A/D转换，时间处理，频率检测，继电器控制保护，串口通讯。

3硬件电路设计

3.1EM78P259单片机介绍

3.1.1概述

EM78P259N/260N是采用低功耗，高速CMOS工艺的8位单片机，其内部包含2K*13位可编程只读存储器（OTP-ROM）,由于它具有一次性可编程只读存储器的特性，它能提供一种方便得途径来开发和检验你的程序。

此外，它还提一个加密位来防止被侵入，同时有3个代码选择字来满足用户需求。

而且，可利用ELANWriter根容易地将你的开发代码写入EM78P259。

3.1.2功能特点

■工作电压范围．2.3v~5.5V/0ｃ~70c（商业级）

　　　　　　　　　　2.5V~5.5V/-40c~85c（工业级）

■工作频率范围（基于2个clocks）

●晶体模式：

DC~20MHz/2clks,5V;DC~8MHz/2clks,3V

●RC模式：

DC~4MHz/2clks,5V;DC~4MHz/2clks,3V

■低功耗：

●小于1.9mA@5V/4MHz

●典型15uA@3V/32KHz

●睡眠模式下电流典型值1uA

■内部RC振荡器4MHz,8MHz,1MHz,455KHz（自动校准）

■可编程WDT溢出时间（4.5ms:

l8ms）

■独立可编程WDT顸除器

■一个配置寄存器用来满足用户的需求．提供用户ID代码供客户使用

■80×8位片内寄存器（SRAM,通用寄存器）

■2K*13位片内ROM

■双向IO口

■子程序嵌套的8级堆栈

■8位实时时钟/计数器（TCC），其信号源、触发沿可编程选择，溢出产生中断。

■8位实时时钟/计数器（TCCA、TCCC）和16位实时时钟/计数器（TCCB）其信号源、触发沿可编程选择，溢出产生中断。

■一对比较器（可作OP）

■4路A/D转换器，精度达10位

■易用于IR（红外遥控）应用电路

■省电（SLEEP）模式

■6个中断源

●TCC,TCCA,TCCB和TCCC溢出中断

●输入引脚状态变化中断（可以唤醒睡眠模式）

●外部中断

●比较器状状改变中断

●IR/PWM中断

●ADC转换结束中断

■可编程自由运行看门狗定时器

■8个I/O引脚可编程设置为上拉

■8个I/O引脚可编程设置为漏极位

■8个I/O引脚可编程设置为下拉

■每个指令周期为2个或4个时钟周期

■上电电压检测有效（2.0V±0.1V）

3.1.3引脚配置

EM78P259NP/M引脚分配

图3-1引脚配置图-EM78P259N

3.1.4A/D采样时间

逐次逼近式AD转换的准确性、线性、速度由ADC和比较器特性决定。

源电阻和内部采样电阻直接影响采样保持电容充电所需时间。

应用程控采样时间长短以满足特定精度需要。

总的来说．对于每千奥姆源电阻．程序应等待2us。

对于低阻源应至少等待2us．建议源电阻的最大阻抗为10KΩ/Vdd=5V。

模拟通道选定后．在转换开始前需等待时间应先满足。

3.1.4.4转换时间

CKR0和CKR1依照指令周期来选择转换时间（Tct）。

在不影响A/D转换精度的条件下,它允许MCU以最高频率运行．对于EM78P259N/260N，没位转换时问约是4us，下列表列出了Tct和最高工作频率的关系。

表3-1Tct和最高工作频率的关系

CKR1:

CKR0

OperationMode

MAX.OperationFrequency

MAX.ConvertionRate/Bit

MAX.ConvertionRate

00

Fsco/16

4MHz

250KHz（4us）

15*4us=60us（16.7KHz）

01

Fsco/4

1MHz

250KHz（4us）

15*4us=60us（16.7KHz）

10

Fsco/64

16MHz

250KHz（4us）

15*4us=60us（16.7KHz）

11

InternalRC

-

14KHz（71us）

15*71us=1065us（0.938KHz）

注意：

没有被用作模拟输入脚的引脚可用作通用输入或输出脚。

转换期间，不要执行输出指令以维持所有引脚的精度。

3.1.4.5睡眠模式期间的A/D转换

为了获得更精确的ADC值．减少功耗．A/D转换可以在睡眠模式下进行。

当执行SLEP指令，除了振荡器，TCC,TCCA,TCCB,TCCC和A/D转换外．所有的MCU操作都将会停止。

通过以下情况判断AD转换已经完成：

（1）R9奇存器的ADRUN被清0

（2）RE寄存器的ADIF置1

（3）RE寄存器的ACWE位置“1”，从ADC转换唤醒（在睡眠模式时它保持运行状态）

（4）如果IOCE0的ADIE位使能，并执行DISI指令，唤醒睡眠并执行下一条指令

（5）如果IOCE0的ADIE位使能，并执行ENT指令，唤醒并进入中断向量（地址0x00c）

（6）如果IOCE0的ADIE位使能，并执行ENT指令，进入中断向量（地址0x00c）

当转换结束后，结果送入ADDATA，ADDATA1H和ADDATA1L．如果ADIE使能，单片机将被唤醒。

否则，不管ADPD位的情况如何，A/D转换器都将被

关闭。

3.1.4.6编程步骤

按以下步骤完成AD转换

（1）设置R8（AISR）寄存器的4位（ADE3：

ADE0）来定义R5：

数字I/O引脚，模拟信道，以及参考电压管脚。

（2）写R9/ADCON寄存器来设定AD模块

（a）选择A/D输入通道（ADIS1：

ADIS0）

（b）定义A/D转换分频比（CKR1：

CKR0）

（c）选择ADC的参考电压输入源

（d）置ADPD位为“1”开始采样

（3）如果使用唤醒功能．置ADWE位为“1”

（4）如果使用中断功能．置ADIE位为“1“

（5）如果使用中断功能．下ENI指令

（6）置ADRUN位为”I”

（7）下SLEP指令或Polling

（8）等待唤醒．ADRUN位清零．中断标志（ADIF）置“1”或ADC中断发生

（9）读转换数据寄存器的ADDATA或ADDATA1H和ADDATA1L。

如果ADC输入通道同时变化．ADDATA，ADDATA1H，和ADDATA1L值可被清“0”

（10）清除中断标志位（ADIF）

（11）下一转换程序，跳到步骤1或步骤2。

下一次采样之前，至少等待2Tct

注意：

为了获得准确的值，必须避免AD转换时在I/O端口有任何数据传输。

3.1.5关于上电的问题

任何微控制器在电源达到稳定之前，都能保证开始正常运行。

EM78P259Nn60N具有检测电压l.9V～2.1V的电压检测器（POVD），用户应用中，当电源关闭时，Ｖdd必须降到I.9V以下．在重新上电之前需保持关闭状态10us。

这样．EM78P259N／260N将被可靠置位微控制器正常工作。

如果Vdd上升的足够快（50ms或更少），外部复位电路会具有更好的性能。

然而．在很多要求严格的应用中，还是需要附加的外部电路来帮助解决上电问题。

3.1.6.1可编程看门狗溢出时间

Optionword（WDTPS）用来定义看门狗溢出时间（18ms5or4.5ms6）。

理论上的范围是从4.5ms到18ms。

对于多数晶振和陶瓷振荡器来说．工作频率越低，set-up时间越长。

3.1.6.2外部上电复位电路

下图中的电路使用外部RC产生复位脉冲，脉冲的宽度（时间常数）应保持足够长时间以使电源Vdd达到最低工作电压。

该电路应用在电源电压上升比较慢的情况下．因为/RESET引脚的漏电流约为±5uA．所以建议R要小于40K。

这样，引脚/RESET的电压将在0.2V以下。

二极管（D）在掉电时作为短路回路，电容C将快速充分放电。

限流电阻Rin用来避免过大的电流或静电放电ESD流入引脚/RESET。

图3-2外部上电复位电路

3.2智能电源芯片VIPer12A

图3-3viper12A引脚图

表3-2引脚功能和电压参数

脚位

功能

电压（V）

1，2

场效应开关管的S极

0

3

误差放大信号输入

0.5

4

供电、供电异常检测

16.5%

5-8

开关管漏极和高雅恒流源

309

VIPer12A是脱机开关方式电源调节器VIPer家庭的成员。

这款芯片是为在高达5W或10W二次输出功率的脱机电源中使用而专门优化设计的产品。

其封装形式采用结构紧凑的SO-8或DIP-8，并在内部集成了专用电流方式PWM控制器和一个高压功率MOSFET，其中MOSFET采用了一项耐用、专利的智能电源技术，该技术允许输出电流垂直过硅片。

VIPer12A中负责提供控制逻辑的VDD管脚具有强大的输入电压能力（8～40V有用范围），这使得VIPer12A特别适合在电池充电器的壁挂式适配器以及电视和监视器的待机电源系统中使用。

VDD引脚电压的可用范围可以从8V扩展到40V，这一功能为实现各种特性的设计提供了巨大的灵活性。

反馈引脚用于控制器件的操作，它与使用电压输入（运算放大器的反向输入）的常规PWM控制电路有所不同，VIPer12A反馈引脚对电流很敏感。

VIPel12A中包含一个连接在其漏极上的高压启动电流源，因此，对转换器的输入端施加有电压时，只要VDD低于VDDon，这一启动电流源立即被激活；而当VDD等于VDDon时，启动电流源关断，器件通过打开、关闭其主功率MOSFET开始工作。

因为FB引脚无法接收光耦合器传来的电流，所以VIPer12A可以满负载工作，此时，输出电压将一直上升到二次环路在光耦合器内开始发射电流的调节点上。

在这一点上，转换器开始调节，而此时FB引脚则可用于接收在二次侧提供正确功率所需的电流。

3.3MF58型高精度负温度系数热敏电阻器

采用陶瓷工艺与半导体工艺相结合的工艺技术制作而成，为两端轴向引出线玻璃封装结构。

3.3.1MF58热敏电阻器特点

（1）稳定性好，可靠性高。

（2）阻值范围宽：

0.1-1000KΩ

　　（3）阻值精度高。

　　（4）由于玻璃封装，可在高温和高湿等恶劣环境下使用。

　　（5）体积小、重量轻、结构坚固，便于自动化安装（在印制线路板上）。

　　（6）热感应速度快、灵敏度高

3.3.2主要技术参数

（1）额定零功率电阻值范围（R25）:

0.1-1000KΩ

（2）R25允许偏差:

±1%、±2%,±3%,±5%,±10%.

　　（3）B值范围（B25/50℃）:

1960～4480K

　　（4）B值允许偏差:

±0.5%,±1%,±2%.

　　（5）耗散系数:

2mW/℃（在静止空气中）

　　（6）热时间常数:

20S（在静止空气中）

　　（7）工作温度范围:

-55℃～+300℃

　　（8）额定功率:

≤50mW。

图3-4MF58Z外形尺寸

3.4MAX232介绍

MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。

图3-5MAX232引脚图

内部结构基本可分三个部分：

　第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

　　第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

　　其中13脚（RRIN1）、12脚（ROUT1）、11脚（TIN1）、14脚（RTOUT1）为第一数据通道。

　　8脚（RRIN2）、9脚（ROUT2）、10脚（TIN2）、7脚（RTOUT2）为第二数据通道。

　　TTL/CMOS数据从TIN1、TIN2输入转换成RS-232数据从RTOUT1、RTOUT2送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从RRIN1、RRIN2输入转换成TTL/CMOS数据后从ROUT1、ROUT2输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5V）。

表3-3逻辑电平表

逻辑值

电平幅值（v）

0

3+～+15

1

3-～-15

3．5单元电路设计及分析

3.5.1电源模块

本设计电源电路采用反激式开关电源给插座芯片低压供电，输出插座工作的两组电源，电路见下图。

它是由二极管D6、D7、D8、D16、D17，电阻R10、电容C10得到318V直流，再由IC3－VIPER12A和T1、三端稳压器7805、稳压二极管ZD1等组成。

得到12V电压和由三端稳压器7805稳压后输出的5V电压。

VIPer-12A：

为ST公司的电源芯片，在全80~270VAC下可提供6W功率。

图3-6电源模块电路原理图

3.5.2电压检测模块

电压检测主要是检测输入的交流电压大小。

电路见下图。

它主要是由整流二极管D6、D7，电阻R9、R11、R12，电容C11、C12构成。

220V交流电压经过整流二极管全波整流、大电阻降压之后送到IC2的第18脚，当输入的电压有高低变化时，对应到单片机IC2的电压就会相应的跟着变化。

该变化的电压由单片机IC2进行ADC变换后进行比较，然后控制插座的工作状态、继而发出相应的操作指令。

图3-7电压检测模块电路原理图

3.5.3温度检测模块

温度检测电路见下图。

温度检测由热敏电阻RT1（负温度系数）、R7、R8组成。

随着热敏电阻通过对插座内部环境温度采样，送到单片机的电压也会随着温度变化而变化。

单片机通过主控程序的设定值与该电压进行比较，从而作出相应的动作来控制插座。

图3-8温度检测模块电路原理图

3.5.4电流检测模块

电流检测电路如下图，主要由电流互感线圈、二极管D5、电容C8组成。

电流互感线圈把交流电流转化成直流电压，电容起滤波作用。

图3-9电流检侧模块电路原理图

3.5.5频率检测模块

图3-10频率检测模块电路原理图

3.5.6继电器控制

继电器控制电路如下，由继电器、二极管、三极管组成，正常时单片机控制端control输出低电平，继电器处于得点状态，开关闭合，插座接通电源。

当过载或温度过高或电视机关闭时，单片机控制端control输出搞电平，继电器失电，开关断开，插座电源被切断。

图3-11继电器控制模块电路原理图

3.5.7芯片外围电路

芯片外围电路主要包括上电复位电路，外部时钟，LED灯控制电路，红外遥控接受电路等

图3-12芯片外围电路

3.5.8串口通讯

MAX232是标准的串口通信接口，对于一般的双向通讯，只需要使用串行输入口RXD（第3脚）、串行输出TXD（第2脚）和地线（第7脚）。

图3-13串口通讯模块电路原理图

4系统程序流程图设计

4.1主程序

图4-1主程序流程图

4.2时间处理

图4-2时间处理程序流程图

4.3频率检测

图4-3频率检测程序流程图

4.4AD转换

|Y（k）-Y（k-1）|≤ΔY，取Y（k）为本次采样值；

|Y（k）-Y（k-1）|>ΔY，取Y（k-1）±ΔY为本次采样值；

式中，Y（k）—第k次采样值；

Y（k-1）—第k-1次采样值；

图4-4电压、电流、温度AD转换程序流程图

电压检测：

取交流电压，通过整流、比例缩小、滤波后进行AD检测。

AD采样过程为每4ms采样一次电压检测点的值，采集10次后求平均，得到最终的电压AD值。

温度检测：

环境温敏传感器通过与电阻分压后连接到AD口，AD采样过程为0.2s采样一次，采集8次后求平均，得到最终的环境温度AD值。

4.5继电器保护控制

当电压小于160V或大于260V，电流大于10A，环境温度大于70摄氏度，三个条件中任意一个满足，单片机将控制继电器切断插座上电器的电源，保护电器。

图4-5继电器保护控制程序流程图

4.6串口通讯

图4-6串口通讯程序流程图

结论与展望

通过这次的毕业设计，我最大的收获就是自己做出来一个东西，结果如何不重要，因为这完全是通过自己制作的，并且本课题涉及的大部分内容是我以前所没有接触过的。

但我完成的设计仍有许多需要改进和完善的地方，也有许多可以扩展的地方。

这次毕社给我的感受很深刻，总结起来可有以下几个方面：

以前的学习多重于理论方面，而且知识面不够宽，通过这次毕业设计，使我第一次系统全面的回顾了大学四年所有的课程：

模拟电路、数字电路、单片机等等 从中我还体会到了所学理论知识的重要性：

知识掌握得越多，设计得就更全面、更顺利、更好。

我还学会了怎样查阅资料和利用工具书，一个人不可能什么都学过，什么都懂，更加不可能一学就通，因此，当你在设计过程中需要用一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料。

我经过这次系统的毕业设计，大致地了解了对一课题进行系统研究、设计及制作的全过程。

这些认识使我们在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。

在往后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识补充最新的知识。

毕业设计培养了严肃认真和实事求是的科学态度。

而且培养了吃苦耐劳的精神以及严谨的作风。

这些对我以后的工作都非常有帮助的。

致谢

在本次毕业设计中，我得到了指导老师朱俊杰的热心指导。

自始至终关心督促我的业设计进程和进度，帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。

还不断向我们传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使我在毕设过程中少走很多弯路。

尤其让我很感动的是我在外实习的期间，老师经常通过电话，邮件对我进行远程指导，不仅是论文，还有实习方面。

在这里非常感谢朱老师的指导和帮助，并致以诚挚的谢意！

同时，身边的同学朋友也给了我许多的帮助。

在此，我向身边关心我的同学致以诚挚的谢意！

另外，系里的领导和老师也给了我们必要的指导，我也向系和年级的领导们表示衷心的感谢！

最后还要感谢学院对我这几年的培养。

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