北京聯(lián)合大學 王 宏 楊志成 任惠榮

計算機節(jié)能插座的設計

北京聯(lián)合大學 王 宏 楊志成 任惠榮

針對計算機及顯示器在待機的情況下，存在耗費電能問題，分析了造成原因是下班后電源不關閉顯示器開關。因此，通過實驗設計了一套計算機節(jié)能插座。該插座根據(jù)計算機使用狀態(tài)自動判斷計算機的用電需求，自主對計算機顯示器供電。設計中還考慮到機械部件的安全問題、節(jié)能問題和方便快捷性，并進行了相關論證。

1.研制背景及意義

日常工作中，下班關閉電腦主機后不關顯示器、不關打印機電源開關的現(xiàn)象十分普遍。以主流17吋的電腦顯示器的待機功率消耗為20—35瓦，打印機的待機功率消耗一般也達到5瓦左右，下班后不關閉它們的電源開關，一晚上將至少待機10小時，那么一臺電腦顯示器一年就造成待機耗電144—245千瓦時，如果按居民用電0.52元/千瓦時計算，這將白白花費掉近80-125元。計算機在我國的普及，保有量超過3.16億臺，為我國現(xiàn)代工業(yè)文明發(fā)展帶來了機遇，也帶來了電力能源的巨大浪費，因此研制具有智能喚醒功能的、節(jié)能功能的計算機專用插座具有現(xiàn)實意義。

2.設計方案

2.1 機械部分

計算機節(jié)能插座雖然是電器元件，機械部分的設計至關重要，它是識別本插座存在用電設備的機關。如圖1所示，智能插座主要包括以下部件：保護觸頭、動觸頭、引出線、復位彈簧、靜觸頭、電線和電源座觸頭等。

設計時考慮的主要問題：

①安全問題，包括小孩誤觸摸、電源插頭反向等。解決方法是插座的外插口安裝保護觸頭，材質為電絕緣品。電源接觸端為雙片聯(lián)動互鎖，如圖2所示，正常插入時，插頭可以順利插入，如圖2（a）所示。一旦插反，裝置鎖死，無法下插如圖2（b）所示，達到安全保護的功能。

②節(jié)能問題，一種新的替代產(chǎn)品的問世，不僅是質量、價格，還要考慮能效。智能插座是能夠自主判斷計算機何時待機，何時喚醒，不能影響計算機的正常使用，在保證“能”的情況下，考慮“效”即節(jié)能。

③方便快捷，使用方法和使用程序必須簡單，步驟不能復雜，否則再好的產(chǎn)品因步驟繁瑣會遭到使用者的抵制，設計的產(chǎn)品使用方法盡量的簡單、達到“傻瓜化”。

圖1 插座器件結構圖

圖2 防插反保護示意圖

2.2 電器控制

電器部分采用自動控制比較容易實現(xiàn)，考慮到計算機具有自動待機功能，對顯示器有控制功能。計算機在正常工作時耗電260瓦，顯示器220瓦。待機時計算機主機的待機功率正常工作時的30—50%。顯示器現(xiàn)在采用液晶屏顯示，待機功率大大降低，一般為20—35瓦。根據(jù)計算機在正常工作與待機時的用電變化進行時時監(jiān)測，監(jiān)測參數(shù)為電流信號的變化。因此主機的待機電流為：

顯示器的待機電流為：

上述電流不大，但對于電源插座來說，無法將一個電流表裝在其中，因此，需要對采集電路小型化處理。小型化處理的辦法是弱電控制強電。還要對采集的信號進行處理。處理的目的有三個：一是將信號由交流轉成直流，二是信號統(tǒng)一，三是信號小型化。

圖3 信號采集電路

3.理論設計計算

多功能智能插座電壓信號的采集采用電阻分壓的原理，如圖2 所示。電網(wǎng)電壓220 V 經(jīng)電阻R1、R2分壓變?yōu)榈?～5 V 電壓信號，經(jīng)二極管半波整流，再經(jīng)RC 低通濾波，截止頻率f=1/（2πR C），最后將直流電壓V（t）送至單片機A/D 轉換輸入口RA0。

圖4 信號調(diào)理電路

電流信號的采集利用歐姆定律U=IR 的原理，將大電流信號轉化成小電壓信號。如圖3所示，電流信號I（t）經(jīng)錳銅小電阻轉化為電壓信號U（t），再經(jīng)運算放大器LM324單級負反饋放大，電壓增益A=（-R3/R2）。RC 低通濾波后將電壓U（t）送至單片機A/D 轉換輸入口RA1。

4.工作原理及性能分析

4.1 工作原理

本節(jié)能插座包含兩組或兩組以上的插座。結合單片機的控制程序，實現(xiàn)了既可以在每組插座的負載待機時自動關斷該組插座的供電，又可以在其中一組插座的負載從工作轉為待機或關機時關斷全部可控插座組的供電還可以在其中一組插座的供電被關斷時，維持對其他插座組的供電。這樣不僅解決了現(xiàn)有的節(jié)能插座影響使用者使用習慣或節(jié)能控制行為不可靠的弊端而且提高了節(jié)能效果。

該智能插座的設計主要是利用保護觸頭作為機械安全裝置，為防觸電做好保護。保護觸頭的使用還作為是否有用電氣作為參照。有用電設備時，LM324作為主控芯片來控制繼電器的通斷，控制家電的電源線路實現(xiàn)自動通斷電控制。完成制作后，作品實物外形效果圖5。

圖5 實物效果圖

5.創(chuàng)新點及應用

1）此產(chǎn)品在不改變使用習慣的情況下，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

2）操作和控制簡便，使用時不需要任何培訓。

3）此產(chǎn)品為計算機量身打造，為計算機節(jié)能專用產(chǎn)品，不適用于其他類型家庭電器。

4）在全國大中城市，家用電器普及數(shù)量很多，所有電器都有待在節(jié)能措施實施改進，因此應用前景很廣。