计算机节能插座的设计

北京联合大学 王 宏 杨志成 任惠荣

计算机节能插座的设计

北京联合大学 王 宏 杨志成 任惠荣

针对计算机及显示器在待机的情况下，存在耗费电能问题，分析了造成原因是下班后电源不关闭显示器开关。因此，通过实验设计了一套计算机节能插座。该插座根据计算机使用状态自动判断计算机的用电需求，自主对计算机显示器供电。设计中还考虑到机械部件的安全问题、节能问题和方便快捷性，并进行了相关论证。

1.研制背景及意义

日常工作中，下班关闭电脑主机后不关显示器、不关打印机电源开关的现象十分普遍。以主流17吋的电脑显示器的待机功率消耗为20—35瓦，打印机的待机功率消耗一般也达到5瓦左右，下班后不关闭它们的电源开关，一晚上将至少待机10小时，那么一台电脑显示器一年就造成待机耗电144—245千瓦时，如果按居民用电0.52元/千瓦时计算，这将白白花费掉近80-125元。计算机在我国的普及，保有量超过3.16亿台，为我国现代工业文明发展带来了机遇，也带来了电力能源的巨大浪费，因此研制具有智能唤醒功能的、节能功能的计算机专用插座具有现实意义。

2.设计方案

2.1 机械部分

计算机节能插座虽然是电器元件，机械部分的设计至关重要，它是识别本插座存在用电设备的机关。如图1所示，智能插座主要包括以下部件：保护触头、动触头、引出线、复位弹簧、静触头、电线和电源座触头等。

设计时考虑的主要问题：

①安全问题，包括小孩误触摸、电源插头反向等。解决方法是插座的外插口安装保护触头，材质为电绝缘品。电源接触端为双片联动互锁，如图2所示，正常插入时，插头可以顺利插入，如图2（a）所示。一旦插反，装置锁死，无法下插如图2（b）所示，达到安全保护的功能。

②节能问题，一种新的替代产品的问世，不仅是质量、价格，还要考虑能效。智能插座是能够自主判断计算机何时待机，何时唤醒，不能影响计算机的正常使用，在保证“能”的情况下，考虑“效”即节能。

③方便快捷，使用方法和使用程序必须简单，步骤不能复杂，否则再好的产品因步骤繁琐会遭到使用者的抵制，设计的产品使用方法尽量的简单、达到“傻瓜化”。

图1 插座器件结构图

图2 防插反保护示意图

2.2 电器控制

电器部分采用自动控制比较容易实现，考虑到计算机具有自动待机功能，对显示器有控制功能。计算机在正常工作时耗电260瓦，显示器220瓦。待机时计算机主机的待机功率正常工作时的30—50%。显示器现在采用液晶屏显示，待机功率大大降低，一般为20—35瓦。根据计算机在正常工作与待机时的用电变化进行时时监测，监测参数为电流信号的变化。因此主机的待机电流为：

显示器的待机电流为：

上述电流不大，但对于电源插座来说，无法将一个电流表装在其中，因此，需要对采集电路小型化处理。小型化处理的办法是弱电控制强电。还要对采集的信号进行处理。处理的目的有三个：一是将信号由交流转成直流，二是信号统一，三是信号小型化。

图3 信号采集电路

3.理论设计计算

多功能智能插座电压信号的采集采用电阻分压的原理，如图2 所示。电网电压220 V 经电阻R1、R2分压变为的0～5 V 电压信号，经二极管半波整流，再经RC 低通滤波，截止频率f=1/（2πR C），最后将直流电压V（t）送至单片机A/D 转换输入口RA0。

图4 信号调理电路

电流信号的采集利用欧姆定律U=IR 的原理，将大电流信号转化成小电压信号。如图3所示，电流信号I（t）经锰铜小电阻转化为电压信号U（t），再经运算放大器LM324单级负反馈放大，电压增益A=（-R3/R2）。RC 低通滤波后将电压U（t）送至单片机A/D 转换输入口RA1。

4.工作原理及性能分析

4.1 工作原理

本节能插座包含两组或两组以上的插座。结合单片机的控制程序，实现了既可以在每组插座的负载待机时自动关断该组插座的供电，又可以在其中一组插座的负载从工作转为待机或关机时关断全部可控插座组的供电还可以在其中一组插座的供电被关断时，维持对其他插座组的供电。这样不仅解决了现有的节能插座影响使用者使用习惯或节能控制行为不可靠的弊端而且提高了节能效果。

该智能插座的设计主要是利用保护触头作为机械安全装置，为防触电做好保护。保护触头的使用还作为是否有用电气作为参照。有用电设备时，LM324作为主控芯片来控制继电器的通断，控制家电的电源线路实现自动通断电控制。完成制作后，作品实物外形效果图5。

图5 实物效果图

5.创新点及应用

1）此产品在不改变使用习惯的情况下，达到节能环保的目的。

2）操作和控制简便，使用时不需要任何培训。

3）此产品为计算机量身打造，为计算机节能专用产品，不适用于其他类型家庭电器。

4）在全国大中城市，家用电器普及数量很多，所有电器都有待在节能措施实施改进，因此应用前景很广。