紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型

1、紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型來源：現(xiàn)代電子技術(shù)作者：張曉杰姜同敏王棟。引言隨著電器產(chǎn)品待機能耗的迅速增長，家庭和社會付出了太多的代價，中國節(jié)能認(rèn)證中心對家庭待機能耗做過的調(diào)查顯示，待機能耗占到家庭電力消耗的10%左右，僅以電視機為例，平均每臺電視機的待機能耗是8.07W,按每天待機2小時大約耗電0.016度。待機能耗引起的資源和環(huán)境問題越來越受到社會的廣泛關(guān)注，為此國際能源署提出了“1瓦計劃”，到2010年實施1瓦的待機能耗行動。該計劃得到歐盟和美國的積極響應(yīng)，并簽署協(xié)議承諾逐年降低待機能耗，各國相繼推行了強制性法規(guī)（例如2003年歐盟委員會正式啟動了“歐洲理智

2、能源計劃”，2005年6月歐盟發(fā)表了關(guān)于能源效率的綠皮書，2006年美國實施了“白標(biāo)機制”等）。智能開關(guān)插座因其方便節(jié)能，受到了國外消費者的廣泛歡迎，目前智能開關(guān)插座正在成為新節(jié)能產(chǎn)品的研究熱點。紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座是采用歐盟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行自動斷電控制，而不需要拔掉插頭。3 / 14紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型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

3、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(fù)教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(jìn)行工作。負(fù)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?。回?fù)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(fù)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(rèn)為是高電平；如果絕對值小于閾值則認(rèn)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

4、負(fù)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(yīng)表示為二進(jìn)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。I-outputJ|ontpuf 1output L2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(fù)責(zé)檢測負(fù)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(jìn)行分析處理，檢測電路的電路原理圖如圖2所示。T7*-I小圖2檢測電路的設(shè)計圖紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型

5、線圈是采樣負(fù)載輸入電壓波形的重要器件，根據(jù)電磁學(xué)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。N=瑞secR（1）式中：為線圈匝數(shù)（單位：匝）；B為管子聚焦中心磁感應(yīng)強度（單位：G）；1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）：B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，但采樣精確度乂會有所降低。為了從估算值中準(zhǔn)確確定檢測電路線圈的匝數(shù)，需要對開關(guān)插座進(jìn)行變線圈匝

6、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(jìn)行0.5匝線圈的測試，如果達(dá)不到指標(biāo)要求，則將線圈匝數(shù)直接調(diào)至最大值5匝再進(jìn)行測試。如果性能指標(biāo)仍未達(dá)到設(shè)計要求，就以1匝為基數(shù)減少線圈匝數(shù)進(jìn)行測試，直至減少到2匝（含2匝）為止。若還是達(dá)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(jìn)行測試。根據(jù)上述試驗方案先選擇紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型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。川同樣方法進(jìn)行5匝、4匝、3匝、2匝和

7、L5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839%,可見線圈二0.5匝的產(chǎn)品性能最佳。*1線BI匝效的確定個N/B樣本總量正常法形不良波彩不穩(wěn)0.5532154952450425634493250331.547721.3比較電路的設(shè)計紅外節(jié)能開關(guān)插座的比較電路負(fù)責(zé)對采樣到的待機波形和工作波形進(jìn)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)”如圖3所示。7 / 14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

8、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0.5匝的半成品中隨機抽取50個試件進(jìn)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(jìn)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(fù)，不再進(jìn)行后續(xù)測試。表2檢測電路試驗數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)所占比例升/待機波形都

9、正常45,90%更換LM358后正常48%其他故障12%第二步，對上一步波形正常的49個半成品裝成整機進(jìn)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3min,Imin,lOmin,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10min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(fù)后正常；lOmin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

10、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(dá)到98%以上，表明該電路的設(shè)計達(dá)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(dá)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(jìn)入負(fù)載電視機，增強電視機的

11、收視效果，也能衰減負(fù)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。GJLG10nF丁0.1“F-一.JL一,loirtput圖4開關(guān)插頭電路中的洪波器電路2紅外節(jié)能開關(guān)插座的軟件設(shè)計紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型紅外節(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，乂兼顧了代碼的可靠性，進(jìn)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(hù)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(jìn)行開機上電自檢測，首先應(yīng)把電視機電源插頭插到開關(guān)插座上，再把紅外開關(guān)插

12、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(jìn)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(jìn)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(biāo)識完成了對待機波形的辨別：指示燈處于常完狀態(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(fù)教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。# / 14紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型電視機和紅外節(jié)能開關(guān)插座的遙控器實現(xiàn)了相互兼容

13、，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(dāng)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(hù)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(dāng)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

14、后能將電視機徹底關(guān)機，從而達(dá)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(jìn)行試驗。# / 14紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型首先在測試架

15、上對電路板進(jìn)行測試，測試合格后從中隨機選取1000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，而采樣到待機波形乂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。表3檢測電路的白盒測試波形情況波形分臭統(tǒng)計數(shù)據(jù)所占比例采樣列波形波形良好波形有失真78413078.4%qi4“13%91.4%沒有采樣到波形868.6%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(jìn)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(dá)到了量產(chǎn)要求。表4比較電路的白盒測試波形情況分

16、類數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)所占比例功能正常波形良好波形失真3561295.44%3.22%98.66%功能異常指示燈不停的開合無波形320.80%0.54%1.34%3.2紅外節(jié)能開關(guān)的黑盒測試11 / 14紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型在紅外節(jié)能開關(guān)插座的產(chǎn)品定型前，還必須進(jìn)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(yán)酷度等級可分成兩種情況：第一，負(fù)載電視機沒有閉路信號與聲音，屏幕藍(lán)屏狀態(tài)下的高嚴(yán)酷度等級功能測試；第二，負(fù)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(yán)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5min。從通過白盒測試的紅外節(jié)能開

17、關(guān)插座中，隨機選取300個半成品試件，將它們裝成整機進(jìn)行黑盒功能測試。在第一種情況下，300分紅外節(jié)能開關(guān)插座試件進(jìn)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lmin內(nèi)不能自動斷電，共有23個功能不良，具體如表5所示。表5離嚴(yán)酷度的整機黑盒測試波形情況分類數(shù)掂統(tǒng)計數(shù)據(jù)所占比例功攏正靠27792.33%，r.指示燈閃玨&3mm指示燈不滅312力5%4%開機自動關(guān)機20.67%丁酬電1min62%對上面發(fā)現(xiàn)的23個問題試件，進(jìn)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

18、超過3紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型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(yán)重故障現(xiàn)象的2個試件，把它們放在任選的3臺不同負(fù)載電視機上進(jìn)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Imin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。表6低嚴(yán)準(zhǔn)度的整機黑盒復(fù)測原故障情況原數(shù)據(jù)故停備注T指示燈閃爍443mm指示燈不無3X有電視信號時12X測試全部合格丁鼾也1min6X見說明開機自動關(guān)機211個電阻壞綜上所述，進(jìn)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(dá)到98.67%。另有