紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計原理及測試

　　紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座是采用歐盟技術(shù)標準設(shè)計的針對電視機的一款智能開關(guān)插座，本文闡述了紅外節(jié)能開關(guān)插座的硬件電路設(shè)計、軟件算法設(shè)計，以及對產(chǎn)品進行的白/黑盒定型測試，給出了自動開關(guān)插座的設(shè)計和定型方案，消費者利用它可以對家中一些需要不斷開關(guān)的電器進行自動斷電控制，而不需要拔掉插頭。

　　1 紅外節(jié)能開關(guān)插座的硬件設(shè)計

　　1.1 紅外節(jié)能開關(guān)插座的工作原理

　　紅外節(jié)能開關(guān)插座是指采用在規(guī)定空間距離范圍內(nèi)，發(fā)出紅外線使開關(guān)插座開啟或關(guān)閉，延時一定時間后自動斷開電源的設(shè)備。

　　外節(jié)能開關(guān)插座具有自動斷電功能，主要是利用負載的輸入電壓在待機與開機兩種狀態(tài)下的有效波形差異較大進行工作。負載在待機狀態(tài)所取的有效波形是指在一個周期內(nèi)，絕對值大于閾值部分所占的大小;負載設(shè)備在開機狀態(tài)所取的有效波形部分是指在一個周期內(nèi)，波形方向與待機狀態(tài)同向，絕對值大于閾值部分所占的大小。

　　設(shè)電視機負載輸入電壓波形峰峰值一半處為波形的閾值，如果絕對值大于閾值則認為是高電平;如果絕對值小于閾值則認為是低電平。電視機的待機狀態(tài)或開機狀態(tài)，輸入電壓波形在單周期內(nèi)，絕對值大于閾值波形所占的比值通常在1：2之上，使得負載輸入電壓波形可以被采樣電路所采樣，采樣的數(shù)值在單片機存儲器中也可對應表示為二進制數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計紅外節(jié)能開關(guān)插座的原理圖如圖1所示，它是由MCU控制電路、檢測電路、比較電路、關(guān)斷電路、紅外接收電路、開關(guān)插頭電路和電源電路等部分構(gòu)成的智能開關(guān)插座。

　　1.2 檢測電路的設(shè)計

　　在紅外節(jié)能開關(guān)插座的硬件電路設(shè)計中，檢測電路負責檢測負載電視機輸入端處于不同狀態(tài)下的電壓波形，并將采樣到的波形數(shù)據(jù)送入后級放大電路，經(jīng)過放大后的波形數(shù)據(jù)再交由比較電路和單片機進行分析處理，檢測電路的電路原理圖如圖2所示。

　　線圈是采樣負載輸入電壓波形的重要器件，根據(jù)電磁學理論，忽略線圈邊緣散場，且假定中心為均勻磁場的情況下，由式(1)可計算出的檢測電路線圈匝數(shù)為[0.5，5]匝。

　　式中：N為線圈匝數(shù)(單位：匝);B為管子聚焦中心磁感應強度(單位：G);l為偏轉(zhuǎn)線圈的有效長度(單位：cm);I為流過線圈的電流(單位：A);β為偏轉(zhuǎn)線圈軸線中心點與偏轉(zhuǎn)線圈直徑的夾角。

　　一般來說，線圈的匝數(shù)和電壓成正比關(guān)系，減小線圈匝數(shù)有助于電壓波形的采樣，不利于電壓波形的穩(wěn)定;增加線圈匝數(shù)在一定程度上可以提高電壓波形的采樣穩(wěn)定性，但采樣精確度又會有所降低。為了從估算值中準確確定檢測電路線圈的匝數(shù)，需要對開關(guān)插座進行變線圈匝數(shù)的試驗，以尋找最佳的線圈匝數(shù)。

　　在試生產(chǎn)的批量產(chǎn)品中，隨機選取56個半成品作為試件，設(shè)計實測方案來完成電感線圈匝數(shù)的求值。首先進行0.5匝線圈的測試，如果達不到指標要求，則將線圈匝數(shù)直接調(diào)至最大值5匝再進行測試。如果性能指標仍未達到設(shè)計要求，就以1匝為基數(shù)減少線圈匝數(shù)進行測試，直至減少到2匝(含2匝)為止。若還是達不到設(shè)計要求，則將減小的基數(shù)改為0.5匝，也就是按1.5匝的線圈進行測試。根據(jù)上述試驗方案先選擇0.5匝的線圈匝數(shù)，試驗測得波形良好的是53個，產(chǎn)品的優(yōu)良率為94.6%;待機或開機波形不良的有2個，波形不穩(wěn)定的1個。用同樣方法進行5匝、4匝、3匝、2匝和1.5匝線圈的試驗，測得如表1所示的數(shù)據(jù)，產(chǎn)品優(yōu)良率為87.5%，89.3%，78.6%，89.3%和83.9%，可見線圈N=0.5匝的產(chǎn)品性能最佳。

　　1.3 比較電路的設(shè)計

　　紅外節(jié)能開關(guān)插座的比較電路負責對采樣到的待機波形和工作波形進行對比判斷，是開關(guān)插座能夠完成自動關(guān)斷功能的關(guān)鍵電路，其電路原理圖的設(shè)計如圖3所示。

　　從電路圖中可以看出LM358放大器是比較電路的核心器件，LM358是適合于電池供電的低功耗器件，有兩個獨立的、高增益的、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器。兩片LM358配合使用就能夠?qū)⑤斎刖€圈的電流信號轉(zhuǎn)換成雙極性的電壓信號輸出，可以用于單片機控制的存儲器中待機波形與實時采樣波形數(shù)據(jù)的比較辨別。

　　為驗證比較電路設(shè)計的實際效果，從線圈匝數(shù)為O.5匝的半成品中隨機抽取50個試件進行測試。

　　第一步，若開機/待機波形均良好，則編號歸入波形正常類。若開機/待機波形不良，則編號，更換LM358后再次檢測;若波形良好，就歸入更換LM358后波形正常類;若波形依然不良，則歸入其他故障類，得到如表2所示的測試數(shù)據(jù)。對前兩類半成品，裝成整機后進行第二步測試;對第三類半成品，交由維修部門診斷故障并修復，不再進行后續(xù)測試。

　　第二步，對上一步波形正常的49個半成品裝成整機進行功能檢驗。規(guī)定檢測過程、自動斷電過程、電視機使用過程的觀測時間分別為3 min，1 min，10 min，如果前兩者超出上述假設(shè)條件，將按照不同的原因予以分類。試驗得到44個正常，5個功能不佳，其中功能不佳的5個包括2個在開機時自動關(guān)機;3個在使用遙控將電視機待機后10 min仍不能自動斷電(屬于自動斷電過程失效)的測試結(jié)果。事后經(jīng)故障檢測和隔離發(fā)現(xiàn)：開機時自動關(guān)機的2個整機故障原因是線圈與電路板虛焊，經(jīng)修復后正常;10 min不能自動斷電的3個整機，經(jīng)查明其中1個是誤測，其余2個屬于更換LM358后波形良好類。因此，可以說隨機取樣的50個半成品裝成整機后，不考慮 PCB板焊接故障以及LM358元器件本身可靠性的原因，合格的產(chǎn)品共有49個，合格率達到98%以上，表明該電路的設(shè)計達到設(shè)計要求。

　　1. 4 開關(guān)插頭電路的EMC設(shè)計

　　歐美發(fā)達國家對產(chǎn)品電磁兼容的要求普遍較高，為滿足出口紅外節(jié)能開關(guān)插座的需要，其開關(guān)插頭電路設(shè)計有抑制電磁干擾電路。開關(guān)插頭電路中的抑制電磁干擾部分采用共模電感和電容串聯(lián)方式構(gòu)成噪聲濾波器電路，如圖4所示，C8、La和C9、Lb組成的兩組低通濾波器，可以使線路上的電磁干擾信號被控制在規(guī)定水平。該噪聲濾波器能有效地抑制外部電網(wǎng)電磁干擾信號通過開關(guān)插座進入負載電視機，增強電視機的收視效果，也能衰減負載電視機產(chǎn)生的電磁干擾信號污染外部電網(wǎng)，滿足了紅外節(jié)能開關(guān)插座的EMC設(shè)計初衷。

　　2 紅外節(jié)能開關(guān)插座的軟件設(shè)計

　　紅外節(jié)能開關(guān)插座控制軟件的設(shè)計既充分考慮了軟件的實用性，又兼顧了代碼的可靠性，進行了系統(tǒng)的三方測試。軟件設(shè)計整體上可分為系統(tǒng)管理主程序、系統(tǒng)調(diào)用子程序、上電自檢子程序、檢測過程子程序、自動斷電子程序、延時子程序、報警子程序和系統(tǒng)保護子程序等部分。

　　紅外節(jié)能開關(guān)插座在第一次使用時，需要進行開機上電自檢測，首先應把電視機電源插頭插到開關(guān)插座上，再把紅外開關(guān)插座插入外部電源插座，然后用遙控器把電視機置于待機狀態(tài)下。此時紅外節(jié)能開關(guān)插座將以指示燈閃爍表示系統(tǒng)的上電自檢過程，軟件流程如圖5(a)所示。此時，開關(guān)插座將對電視機處于待機狀態(tài)下的波形進行采樣、辨別和存儲。指示燈閃爍期間檢測電路對待機波形進行采樣;如果連續(xù)五個周期的采樣波形完全相同，則以指示燈的閃爍結(jié)束來標識完成了對待機波形的辨別;指示燈處于常亮狀態(tài)后，單片機將此波形記錄為電視機的待機波形。然后等待一段時間，如果負載電視機始終沒有處于工作狀態(tài)，則系統(tǒng)檢測到的波形與存儲器中的波形一致，關(guān)斷電路就切斷外部電源。

　　電視機和紅外節(jié)能開關(guān)插座的遙控器實現(xiàn)了相互兼容，用戶可以用電視遙控器先將開關(guān)插座打開，再用遙控器打開電視機。當電視機處于正常開機狀態(tài)時，圖像、聲音等視聽功能被同時打開，使得電視機功耗增大，此時檢測電路監(jiān)測到的波形與記錄在存儲器中的待機波形差距較大，此刻系統(tǒng)管理主程序、系統(tǒng)調(diào)用子程序、檢測過程子程序、報警子程序和系統(tǒng)保護子程序都在正常運行，保證了電視機在這種情況下不會發(fā)生自動關(guān)機現(xiàn)象。用戶可以正常收看電視節(jié)目，這也是節(jié)能開關(guān)插座所必須具備的基本功能。

　　用戶將電視機用遙控器關(guān)閉，使電視機處于待機狀態(tài)后，自動斷電子程序開始運行，其流程圖如圖5(b)所示，當檢測到此刻的波形正好與存儲器中記錄的待機波形一致時，單片機就會控制切斷電源，保證用戶使用結(jié)束后能將電視機徹底關(guān)機，從而達到節(jié)約待機能耗的目的。

　　用戶在以后的使用中，如果沒有將電視機插頭從紅外節(jié)能開關(guān)插座中拔出，沒有將紅外節(jié)能開關(guān)插座從電源處拔出，就可自動完成待機狀態(tài)的關(guān)斷，最大限度地節(jié)約電視機的待機能耗。

　　3 紅外節(jié)能開關(guān)插座的定型測試

　　3.1 紅外節(jié)能開關(guān)的白盒測試

　　從智能開關(guān)插座的工作原理可知，檢測電路能否采樣到良好的待機波形，是紅外節(jié)能開關(guān)插座設(shè)計是否成功的前提;比較電路能否明顯辨別待機狀態(tài)和工作狀態(tài)的波形，是紅外節(jié)能開關(guān)插座能否實現(xiàn)自動關(guān)斷的基礎(chǔ)?？梢姍z測電路和比較電路就是自動開關(guān)插座的關(guān)鍵電路，白盒測試就是要針對這兩個電路進行試驗。

　　首先在測試架上對電路板進行測試，測試合格后從中隨機選取1 000個電路板作為白盒測試的樣本，對檢測電路的白盒測試，其結(jié)果分為采到和沒采到待機波形兩種情況，而采樣到待機波形又分為波形良好和波形有失真兩種情況，具體的測試數(shù)據(jù)如表3所示。

　　對于通過上一步白盒測試的半成品，再從中抽取373試件，對比較電路進行白盒測試，得到如表4所示的數(shù)據(jù)。從實測數(shù)據(jù)可知，紅外節(jié)能開關(guān)插座半成品的白盒測試合格率為98.66%，所以該批次達到了量產(chǎn)要求。

　　3.2 紅外節(jié)能開關(guān)的黑盒測試

　　在紅外節(jié)能開關(guān)插座的產(chǎn)品定型前，還必須進行整機功能的黑盒測試，以驗證其節(jié)能功能。根據(jù)紅外節(jié)能開關(guān)插座的使用環(huán)境，測試的嚴酷度等級可分成兩種情況：第一，負載電視機沒有閉路信號與聲音，屏幕藍屏狀態(tài)下的高嚴酷度等級功能測試;第二，負載電視機的視聽信號全部打開，用戶欣賞節(jié)目狀態(tài)下的低嚴酷度等級功能測試。

　　在黑盒測試的過程中，規(guī)定電視機的使用時間為5 min。從通過白盒測試的紅外節(jié)能開關(guān)插座中，隨機選取300個半成品試件，將它們裝成整機進行黑盒功能測試。在第一種情況下，300臺紅外節(jié)能開關(guān)插座試件進行的測試得到277個功能正常的試件，15個檢測時間超過三分鐘(包含有3個指示燈一直閃爍和12個在檢測階段三分鐘內(nèi)指示燈不熄滅)，2個開機自動關(guān)機，6個1 min內(nèi)不能自動斷電，共有23個功能不良，具體如表5所示。

　　對上面發(fā)現(xiàn)的23個問題試件，進行了第二種情況下的黑盒測試，試驗數(shù)據(jù)如表6所示，得到15個檢測時間超過3 min的整機中，在電視機有閉路信號的條件下測試合格;而出現(xiàn)自動關(guān)機嚴重故障現(xiàn)象的2個試件，把它們放在任選的3臺不同負載電視機上進行測試，其中有一個延時自動斷電，而另一個查明是電路板上比較電路中的一個電阻損壞，經(jīng)更換后測試功能正常;6個自動斷電時間大于1 min的整機，有2個斷電時間較長，其余4個在電視機有閉路信號的工作條件下均合格。

　　綜上所述，進行黑盒測試的300個紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座整機，有296個功能完全正常，批次合格率達到98.67%。另有1個電路焊接故障和3個自動斷電時間較長。綜上所述，紅外節(jié)能開關(guān)插座設(shè)計合格，達到了正式量產(chǎn)的要求。

　　4 結(jié)語

　　電視機等家用電器由于沒有定時控制，它們在待機狀態(tài)浪費了大量的能源。紅外節(jié)能開關(guān)插座固有的節(jié)能特性，實現(xiàn)了“用戶自己不用時自動拔下插頭，使用時自動接上插頭”的功能，可以不規(guī)律設(shè)定斷電和接電時間，達到了操作簡便且節(jié)能的目的，對建設(shè)節(jié)約型社會起到了重要的推動作用。該紅外節(jié)能開關(guān)插座具有的可靠性高、壽命長、功耗低、反應速度快等優(yōu)點，使得即使存在當前的全球金融危機，它仍然獲得了德國、英國、澳大利亞等國用戶的青睞，僅2008年下半年就得到約 4.6萬余個的訂單。