(9)控制盒: 这是本次设计的核心, 也是最多周折的设备, 首先要谈的是设计思想. 你平日里怎么使用你的桌面设备? 如果你有两套电脑, 又有一套HiFi音响, 那么每天你都怎么来操作它们? 像平常那样, 使用这台电脑, 搬过来它的一套键盘鼠标, 转换显示器接口, 打开这一对有源音箱; 使用那台电脑, 再搬过那一套键鼠, 再转换显示器, 开机, 关机, 关机以后无论是电脑主机还是显示器音箱, 它们都处于待机状态, 都没有彻底断电; 使用HiFi音响, 你要先开机, 用遥控器转换, 关机时要按电源钮, 再选择关机, … 如此周而复始, 每天的操作就变得相当烦人. 而且, 即便每台设备的待机功耗只有1W, 几台机器加起来的功耗也会增加几倍, 每日里24h不断电, 常年也会积累不少功耗, 这根本就不合理.

我的设计理念是, 第一要彻底断电, 我不要无用功耗; 第二要操作简便, 按一次按钮就能实现开机, 也不要多套外设. 换句话说, 就是兼用一套键鼠音箱电源, 单键控制电源通断. 这样的思想要想实现并不容易. 过去我设计过不同的电源控制盒, 也都得到了一定的成功, 但这一次, 我要设计一个功能完善的桌面控制盒, 进一步简化整个系统和操作.

我的控制盒上有4个轻触键, 分别是NUC/Player/Light/PC, 用来启动NUC日常电脑, Player开博尔数播和放大器, Light屏幕挂灯和PC DIY游戏电脑. 只要按一次键就能完成启动过程. 下面逐一分解其工作原理.

第一键NUC: 它的开关会给一个47u电容器迅速充电, 让CMOS反相器翻转, 输出电平变0, 通过二极管开关触发两个PNP三极管导通, 两个固态继电器导通, 让220VAC电源分别给开关电源和放大器供电; 开关电源启动了显示器; 同时, 反相器的输出又触发了下一级反相器输出一个高电平信号, 用来接通开关电源输出到NUC电源的电路, 让NUC上电; NUC的BIOS需要设置来电自启动和断电停止USB端口向外供电. 抬手以后, 电容器上的电压会通过1M电阻慢慢放电, 反相器会维持状态不变. 电脑启动以后, 其USB-A2.0端口的+5V电压会通过开关二极管加在电容器上, 又把电容器充到+5V电压, 这样, 反相器的状态就会一直维持; 同时, 这个USB电压又会触发磁保持继电器动作, 把一个USB-HUB的输入端转换到NUC上, 使得键盘和鼠标都转接到NUC上. 显示器需要设置成自动寻找输入接口模式, 哪个接口来信号, 它就会自动转向哪个接口, 这样NUC就能够正常使用了, NUC的音频是采用一个小尾巴连接在其Thunderbolt接口上, 输出直连放大器NUC输入端口的, 这样可以进一步改善NUC的音质, 我用的小尾巴音质明显优于NUC自身的声卡芯片. 关机时, 直接在系统软件内软关机, 关机后机器的USB-A口也会掉电, 过大约60s以后, 电容器内的电荷放到CMOS电路低电平, 使得反相器翻转, 所有的固态继电器关闭, 220VAC电源也被切断了, 实现了彻底关机.

第二键Player: 这是难度最大的设计. 一般的数播都有上电自动开机功能, 只要设置一下即可, 但是关机却很复杂. 常见的情况就是短按电源键弹出菜单, 再选择关机才能关机; 如果长按电源键也能直接关机, 但问题是, 关机以后必须要切断电源. 为了实现在控制盒上能用单键推推逻辑来控制数播的开关机, 我设计了双稳态推推电子开关, 并利用了一个积分电路作延时, 让关机动作延时10s以后起作用, 这样就来得及先让数播软关机, 然后再切断其电源. 为此目的, 我的数播也不得不做改进. 在原机的电源键上并联一个继电器的常开触点, 把这个继电器的线圈引出, 通过接口连接到控制盒上, 然后, 从电子开关的反向输出端引出信号, 通过一个微分电路和输出反相器, 去控制继电器线圈, 在电子开关的关机瞬间, 使继电器吸合3s, 使数播关机; 然后, 再过7s, 切断其电源, 这样, 用这个简单电路就能实现单键控制开关机了. 这个电子开关也要控制放大器的继电器和放大器输入接口, 使得接口转向Player数播.

第三键Light: 这是屏幕挂灯的控制键, 也是一个双稳态电子开关, 用单键控制挂灯的ON/OFF, 没有其他连带, 功能单一, 自成系统, 和其它功能不发生干涉.

第四键PC: 这是控制游戏电脑的系统. 它的原理类似于NUC键. 用一个固态继电器来控制PC的220VAC输入电的通断; 同时还要控制开关电源和放大器的通断; 以及键鼠转换; 还要把音频输入接口转向PC端.

显示器背光灯的驱动电压取自开关电源, 通过一个可调电阻来限制电流; 一片组合的5V太阳电池板作为环境光传感器, 当室内光线变暗以后, 它控制电路自动亮灯, 室内足够亮的时候, 灯会自动熄灭.

在此我遇到了一个问题. 固态继电器本身是有漏电的! 它关断以后还会有几毫安至十几毫安的漏电流. 如果用它给小功率的负载做电源开关, 那就会在开关关断以后, 负载电压维持在较高的数值上. 如果是开关电源, 这个电压会逐渐升高, 直到出现电源启动为止, 这时, 电流突然释放, 电压再次跌落, 电源会再关闭, 这就导致周而复始地上电/掉电. 如果开关电源的功率较大, 这个电压就会被拉低, 达不到电源的启动电压, 也就没有顾虑了. 另外, 虽然固态继电器号称是过零启动, 但实际上经过它电源还是会产生小波纹; 因此, 最好不用它来控制放大器, 而改用继电器作为控制开关. 固态继电器和普通继电器的优缺点是相对的. 普通继电器的触点经不起大电流冲击, 如果用它来控制大功率开关电源, 触点就很容易被烧氧化, 使得继电器失灵. 因此, 控制大功率的开关电源最好使用固态继电器, 不打火, 寿命长. PC机和开关电源的固态继电器可选250VAC10A的规格; 数播和挂灯可以用250V2A的规格.

控制盒最好不要使用金属材料来制作, 这是为了安全, 防止触电. 可以用3/5mm厚度的亚克力板制作, 一个12V静音风扇安装到控制盒上面, 暴露在机壳外, 它的电子开关受控于开关电源, 只要电源启动, 它就会随之启动. 电源接口我都使用了美标插座, 因为接触好, 寿命长, 优于国标插座; 输出端子版我用9个螺栓端子制成; USB-HUB可以任选, 一般够2.0规格即可, 它的作用是连接鼠标键盘, 并不需要高速. 小变压器的选择比较重要, 绝对不能选择那种偷工减料的零件, 必须要选择高质量的, 能24h连续工作的优质零件, 否则长时间通电它会发热. 这个变压器的空载电流很小.