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摘 要：待机能耗是指电器虽然没有使用，但其插头仍然插在插座的状态下所消耗的电能。随着电器产品智能化的提升，导致待机能耗迅速增长，整个家庭和社会付出了太多的代价。据中国节能认证中心对家庭待机能耗做过的调查显示，待机能耗占到家庭电力消耗的10%左右，仅以电视机为例，平均每台电视机的待机能耗是8.07W，按每天待机10小时大约耗电0.08度。待机能耗引起的资源和环境问题越来越受到社会的广泛关注，智能省电插座因其方便、节能成为国内外节能产品的研发热点。
关键词：智能省电插座；设计构架；硬件设计
本文设计的智能省电插座在用户将插座中主要设备关闭后，造成电路中电流骤减，基于ARM系列单片机STM32F103的微控制器能迅速检查到电流减小，从而认定主要设备关闭，之后切断插座电源，智能插座上的所有用电设备将全部实现自动断电。为了实现操作简单、便捷，设计智能省电插座和普通的家用遥控器能相互兼容，即用户可以用任一遥控器开启、断开智能插座中插孔电源。
一、智能省电插座设计构架
基于此智能省电插座的功能要求，构建基于STM32的主控模块、电压电流监测模块、红外模块、电源通断模块、数码管显示模块等构成本系统，其结构如图1所示。
电源通断模块主要由继电器构成，它用于接收主控模块发出的插孔通、断电指令，执行接通或切断插孔电源的操作。红外模块能接收电视机遥控器的信号，电压、电流检查模块能检测插座主线路的电压值和主、副插孔的电流值，这几路数据均传送给主控模块，主控模块根据红外模块传递的信号以及电压值、电流值给通断模块发出通、断电的指令，能够在插座中的主要设备关机的情况下，有效切断同一插座上其他外设的电源，达到节能的目的。
二、智能省电插座硬件设计
（一）电压监测电路
电压监测部分主要由交流电压互感器以及运放电路构成，如图2所示。
该交流电压互感器初级通过在电路中串入电阻，将电压转换成电流，经互感器作电流变换后，次级输出电流信号经取样电阻转换为所需要的电压。所选的交流互感器的额定输入电流和额定输出电流之比为2mA：2mA，计算可得初级的限流电阻为220×V/2mA≈150kΩ，为留有裕量，实际设定的初级限流电阻200kΩ略大于此值。由此可得到初级的电流值为220×V/200kΩ ≈ 1.55mA，互感器次级加在R10上的电压值VR10 =1.55mA×100Ω=155mV.
在运算放大器部分，根据其虚短、虚断的特点，计算出输出电压值为
VO = （1+Rf/R1） Vi-（Rf/R1）Vref （1）
式中 ：Rf/R1为反馈电阻与輸入电阻的比值；为R10两端的电压值VR10 与 参考电压Vref 的叠加，即为（VR10 +Vref ）。将Vi = VR10 +Vref 代入式（1） 中化简得到
VO = VR10 （1+Rf/R1）+ Vref （2）
据式（2）可知，与零参考电压比较，运放的输出电压被抬高 Vref ，此设计用以确保运放的输出电压始终为正值。如此，VO的最大值为
0.155V×（1+10/2）+1.25V=0.93V+1.25V=2.18V （3）
最小值为
0.155V×（1+10/2）-1.25V= -0.93V+1.25V=0.32V （4）
此范围在主控单片机STM32F103检测范围之内，单片机通过相应的算法可以得到插座主线路中的电压值，从而给电源通断模块下述通、断指令，提供过压断电的安全保护措施，保证用电安全。在图2所示的电压监测电路中，互感器输入端接220V交流市电，运放参考电压Vref 接1.25V，运放输出端与STM32F103 的PAO引脚连接。
（二）电流监测电路
电流监测部分主要由电流互感器以及运放电路构成。
电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行控制、保护和测量等用途。所选的电流互感器可以把实际为5A的电流转换为5mA的电流。
主、副插孔电流监测电路分别如图3、图4所示。
设计方法与图2的电压监测电路类似，运放参考电压Vref 接1.25V，输出电压仍然被抬高1.25V，互感器次级加在R28两端的电压为5mA×100Ω=500mV，为确保运放输出端的电压值为正，最小电压值 -5V×Av+1.25V必须大于零，由此可得放大倍数Av<2.5，本文中放大倍数设计为（1+10/10）=2.
因此运放输出的最大电压为0.5V×2+1.25V=2.25V，最小电压为-0.5V×2+1.25V=0.25V，此范围仍然在主控单片机STM32F103检测范围之内，单片机通过滤波算法可得到主、副插孔线路中的电流值，从而给由继电器构成的电源通断模块相应的通、断指令。
在图3和图4中，主、副插孔的通、断由继电器模块控制，继电器控制端RELAY1、RELAY2与STM32的PB8、PB9相连，主、副插孔运放输出端CUR2、CUR1分别与STM32的PA1、PA2引脚连接。单片机STM32对CUR2、CUR1值进行滤波算法处理，可得到主、副插孔线路中的电流值，从而给继电器模块控制端RELAY1、RELAY2通断指令，控制主、副插孔的通、断电。
1、智能省电插座软件设计
为实现智能省电插座智能化、节能化的功能，在智能插座的主程序设计中，设置一个表示继电器状态的标志位relay-flag，当主、副插孔均处于断开状态时，标志位relay-flag为0；当接收到遥控器的红外信号，让主插孔通电并且标志位relay-flag设定为1；接着如果在2s钟内检测到主插孔中有电流，让副插孔通电并且设定标志位relay-flag为2；在标志位为2的前提下，判断主插孔中是否有电流，如果没有则将两个插孔均断开无电，且标志位回归为0.主程序流程图如图5所示。
2、智能省电插座综合调试
对设计的智能省电插座进行软硬件综合调试，首先接通电源，把智能插座电源接入外部电源插座，再将电视机电源插头接入智能插座的主插孔上其他如机顶盒等辅助设备接入副插孔上。
其次发送红外信号，先朝向智能插座按下电视遥控器按键，发送红外线信号将智能插座开启，能听到继电器吸合的咔嚓声表明控制主插座的继电器吸合使得主插孔通电，与此同时数码管上显示“on”；接着朝向电视机按下遥控按键开启电视，2s内再次听到继电器吸合的咔嚓声表明副插孔也通电可以正常工作，副插孔中的辅助设备全部正常开启，电视可以正常观看，数码管上跳动显示电视机正常工作时智能插座主线路上的电压值，以及主、副插孔的电流值。
最后使用遥控关闭电视使其处于待机状态，2s内可以听到两声咔嚓声表明主、副插孔均断开，数码管中显示“off”，接着数码管显示的主、副插孔的电流值均为零。
三、结论
本文开发的智能省电插座有如下特点：
1、使用红外线遥控技术控制插座中插孔是否通电，所设计智能省电插座和普通家用遥控器能相互兼容，因此用户只需要多按一次按键轻松解决待机能耗问题。
2、当用户关闭插座中主要设备后，电路中电流聚减，插座内基于STM32单片机的微控制器能迅速检测到电流减小，从而认定主要设备关闭，之后切断电源，节能插座上的用电设备将全部自动断电。
3、电器不再处于长期待机的状态，因此可以有效延长电器的安全使用寿命，在不改变使用习惯的前提下真正做到了节能、方便，更除去了大家的安全隐患。
关键词：智能省电插座；设计构架；硬件设计
本文设计的智能省电插座在用户将插座中主要设备关闭后，造成电路中电流骤减，基于ARM系列单片机STM32F103的微控制器能迅速检查到电流减小，从而认定主要设备关闭，之后切断插座电源，智能插座上的所有用电设备将全部实现自动断电。为了实现操作简单、便捷，设计智能省电插座和普通的家用遥控器能相互兼容，即用户可以用任一遥控器开启、断开智能插座中插孔电源。
一、智能省电插座设计构架
基于此智能省电插座的功能要求，构建基于STM32的主控模块、电压电流监测模块、红外模块、电源通断模块、数码管显示模块等构成本系统，其结构如图1所示。
电源通断模块主要由继电器构成，它用于接收主控模块发出的插孔通、断电指令，执行接通或切断插孔电源的操作。红外模块能接收电视机遥控器的信号，电压、电流检查模块能检测插座主线路的电压值和主、副插孔的电流值，这几路数据均传送给主控模块，主控模块根据红外模块传递的信号以及电压值、电流值给通断模块发出通、断电的指令，能够在插座中的主要设备关机的情况下，有效切断同一插座上其他外设的电源，达到节能的目的。
二、智能省电插座硬件设计
（一）电压监测电路
电压监测部分主要由交流电压互感器以及运放电路构成，如图2所示。
该交流电压互感器初级通过在电路中串入电阻，将电压转换成电流，经互感器作电流变换后，次级输出电流信号经取样电阻转换为所需要的电压。所选的交流互感器的额定输入电流和额定输出电流之比为2mA：2mA，计算可得初级的限流电阻为220×V/2mA≈150kΩ，为留有裕量，实际设定的初级限流电阻200kΩ略大于此值。由此可得到初级的电流值为220×V/200kΩ ≈ 1.55mA，互感器次级加在R10上的电压值VR10 =1.55mA×100Ω=155mV.
在运算放大器部分，根据其虚短、虚断的特点，计算出输出电压值为
VO = （1+Rf/R1） Vi-（Rf/R1）Vref （1）
式中 ：Rf/R1为反馈电阻与輸入电阻的比值；为R10两端的电压值VR10 与 参考电压Vref 的叠加，即为（VR10 +Vref ）。将Vi = VR10 +Vref 代入式（1） 中化简得到
VO = VR10 （1+Rf/R1）+ Vref （2）
据式（2）可知，与零参考电压比较，运放的输出电压被抬高 Vref ，此设计用以确保运放的输出电压始终为正值。如此，VO的最大值为
0.155V×（1+10/2）+1.25V=0.93V+1.25V=2.18V （3）
最小值为
0.155V×（1+10/2）-1.25V= -0.93V+1.25V=0.32V （4）
此范围在主控单片机STM32F103检测范围之内，单片机通过相应的算法可以得到插座主线路中的电压值，从而给电源通断模块下述通、断指令，提供过压断电的安全保护措施，保证用电安全。在图2所示的电压监测电路中，互感器输入端接220V交流市电，运放参考电压Vref 接1.25V，运放输出端与STM32F103 的PAO引脚连接。
（二）电流监测电路
电流监测部分主要由电流互感器以及运放电路构成。
电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行控制、保护和测量等用途。所选的电流互感器可以把实际为5A的电流转换为5mA的电流。
主、副插孔电流监测电路分别如图3、图4所示。
设计方法与图2的电压监测电路类似，运放参考电压Vref 接1.25V，输出电压仍然被抬高1.25V，互感器次级加在R28两端的电压为5mA×100Ω=500mV，为确保运放输出端的电压值为正，最小电压值 -5V×Av+1.25V必须大于零，由此可得放大倍数Av<2.5，本文中放大倍数设计为（1+10/10）=2.
因此运放输出的最大电压为0.5V×2+1.25V=2.25V，最小电压为-0.5V×2+1.25V=0.25V，此范围仍然在主控单片机STM32F103检测范围之内，单片机通过滤波算法可得到主、副插孔线路中的电流值，从而给由继电器构成的电源通断模块相应的通、断指令。
在图3和图4中，主、副插孔的通、断由继电器模块控制，继电器控制端RELAY1、RELAY2与STM32的PB8、PB9相连，主、副插孔运放输出端CUR2、CUR1分别与STM32的PA1、PA2引脚连接。单片机STM32对CUR2、CUR1值进行滤波算法处理，可得到主、副插孔线路中的电流值，从而给继电器模块控制端RELAY1、RELAY2通断指令，控制主、副插孔的通、断电。
1、智能省电插座软件设计
为实现智能省电插座智能化、节能化的功能，在智能插座的主程序设计中，设置一个表示继电器状态的标志位relay-flag，当主、副插孔均处于断开状态时，标志位relay-flag为0；当接收到遥控器的红外信号，让主插孔通电并且标志位relay-flag设定为1；接着如果在2s钟内检测到主插孔中有电流，让副插孔通电并且设定标志位relay-flag为2；在标志位为2的前提下，判断主插孔中是否有电流，如果没有则将两个插孔均断开无电，且标志位回归为0.主程序流程图如图5所示。
2、智能省电插座综合调试
对设计的智能省电插座进行软硬件综合调试，首先接通电源，把智能插座电源接入外部电源插座，再将电视机电源插头接入智能插座的主插孔上其他如机顶盒等辅助设备接入副插孔上。
其次发送红外信号，先朝向智能插座按下电视遥控器按键，发送红外线信号将智能插座开启，能听到继电器吸合的咔嚓声表明控制主插座的继电器吸合使得主插孔通电，与此同时数码管上显示“on”；接着朝向电视机按下遥控按键开启电视，2s内再次听到继电器吸合的咔嚓声表明副插孔也通电可以正常工作，副插孔中的辅助设备全部正常开启，电视可以正常观看，数码管上跳动显示电视机正常工作时智能插座主线路上的电压值，以及主、副插孔的电流值。
最后使用遥控关闭电视使其处于待机状态，2s内可以听到两声咔嚓声表明主、副插孔均断开，数码管中显示“off”，接着数码管显示的主、副插孔的电流值均为零。
三、结论
本文开发的智能省电插座有如下特点：
1、使用红外线遥控技术控制插座中插孔是否通电，所设计智能省电插座和普通家用遥控器能相互兼容，因此用户只需要多按一次按键轻松解决待机能耗问题。
2、当用户关闭插座中主要设备后，电路中电流聚减，插座内基于STM32单片机的微控制器能迅速检测到电流减小，从而认定主要设备关闭，之后切断电源，节能插座上的用电设备将全部自动断电。
3、电器不再处于长期待机的状态，因此可以有效延长电器的安全使用寿命，在不改变使用习惯的前提下真正做到了节能、方便，更除去了大家的安全隐患。