紅外遙控節能開(kāi)關(guān)插座的設計原理及測試

　　1 紅外節能開(kāi)關(guān)插座的硬件設計

　　1.1 紅外節能開(kāi)關(guān)插座的工作原理

　　紅外節能開(kāi)關(guān)插座是指采用在規定空間距離范圍內，發(fā)出紅外線(xiàn)使開(kāi)關(guān)插座開(kāi)啟或關(guān)閉，延時(shí)一定時(shí)間后自動(dòng)斷開(kāi)電源的設備。

　　外節能開(kāi)關(guān)插座具有自動(dòng)斷電功能，主要是利用負載的輸入電壓在待機與開(kāi)機兩種狀態(tài)下的有效波形差異較大進(jìn)行工作。負載在待機狀態(tài)所取的有效波形是指在一個(gè)周期內，絕對值大于閾值部分所占的大小;負載設備在開(kāi)機狀態(tài)所取的有效波形部分是指在一個(gè)周期內，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(kāi)機狀態(tài)，輸入電壓波形在單周期內，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，采樣的數值在單片機存儲器中也可對應表示為二進(jìn)制數據。因此，設計紅外節能開(kāi)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(kāi)關(guān)插頭電路和電源電路等部分構成的智能開(kāi)關(guān)插座。

　　1.2 檢測電路的設計

　　在紅外節能開(kāi)關(guān)插座的硬件電路設計中，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據送入后級放大電路，經(jīng)過(guò)放大后的波形數據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。

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

　　式中：N為線(xiàn)圈匝數(單位：匝);B為管子聚焦中心磁感應強度(單位：G);l為偏轉線(xiàn)圈的有效長(cháng)度(單位：cm);I為流過(guò)線(xiàn)圈的電流(單位：A);β為偏轉線(xiàn)圈軸線(xiàn)中心點(diǎn)與偏轉線(xiàn)圈直徑的夾角。

　　一般來(lái)說(shuō)，線(xiàn)圈的匝數和電壓成正比關(guān)系，減小線(xiàn)圈匝數有助于電壓波形的采樣，不利于電壓波形的穩定;增加線(xiàn)圈匝數在一定程度上可以提高電壓波形的采樣穩定性，但采樣精確度又會(huì )有所降低。為了從估算值中準確確定檢測電路線(xiàn)圈的匝數，需要對開(kāi)關(guān)插座進(jìn)行變線(xiàn)圈匝數的試驗，以尋找最佳的線(xiàn)圈匝數。

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

　　1.3 比較電路的設計

　　紅外節能開(kāi)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(jìn)行對比判斷，是開(kāi)關(guān)插座能夠完成自動(dòng)關(guān)斷功能的關(guān)鍵電路，其電路原理圖的設計如圖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(gè)獨立的、高增益的、內部頻率補償的雙運算放大器。兩片LM358配合使用就能夠將輸入線(xiàn)圈的電流信號轉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(shí)時(shí)采樣波形數據的比較辨別。

　　為驗證比較電路設計的實(shí)際效果，從線(xiàn)圈匝數為O.5匝的半成品中隨機抽取50個(gè)試件進(jìn)行測試。

　　第一步，若開(kāi)機/待機波形均良好，則編號歸入波形正常類(lèi)。若開(kāi)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(lèi);若波形依然不良，則歸入其他故障類(lèi)，得到如表2所示的測試數據。對前兩類(lèi)半成品，裝成整機后進(jìn)行第二步測試;對第三類(lèi)半成品，交由維修部門(mén)診斷故障并修復，不再進(jìn)行后續測試。

　　第二步，對上一步波形正常的49個(gè)半成品裝成整機進(jìn)行功能檢驗。規定檢測過(guò)程、自動(dòng)斷電過(guò)程、電視機使用過(guò)程的觀(guān)測時(shí)間分別為3 min，1 min，10 min，如果前兩者超出上述假設條件，將按照不同的原因予以分類(lèi)。試驗得到44個(gè)正常，5個(gè)功能不佳，其中功能不佳的5個(gè)包括2個(gè)在開(kāi)機時(shí)自動(dòng)關(guān)機;3個(gè)在使用遙控將電視機待機后10 min仍不能自動(dòng)斷電(屬于自動(dòng)斷電過(guò)程失效)的測試結果。事后經(jīng)故障檢測和隔離發(fā)現：開(kāi)機時(shí)自動(dòng)關(guān)機的2個(gè)整機故障原因是線(xiàn)圈與電路板虛焊，經(jīng)修復后正常;10 min不能自動(dòng)斷電的3個(gè)整機，經(jīng)查明其中1個(gè)是誤測，其余2個(gè)屬于更換LM358后波形良好類(lèi)。因此，可以說(shuō)隨機取樣的50個(gè)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(gè)，合格率達到98%以上，表明該電路的設計達到設計要求。

　　1. 4 開(kāi)關(guān)插頭電路的EMC設計

　　歐美發(fā)達國家對產(chǎn)品電磁兼容的要求普遍較高，為滿(mǎn)足出口紅外節能開(kāi)關(guān)插座的需要，其開(kāi)關(guān)插頭電路設計有抑制電磁干擾電路。開(kāi)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(xiàn)路上的電磁干擾信號被控制在規定水平。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(guò)開(kāi)關(guān)插座進(jìn)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(mǎn)足了紅外節能開(kāi)關(guān)插座的EMC設計初衷。

　　2 紅外節能開(kāi)關(guān)插座的軟件設計

　　紅外節能開(kāi)關(guān)插座控制軟件的設計既充分考慮了軟件的實(shí)用性，又兼顧了代碼的可靠性，進(jìn)行了系統的三方測試。軟件設計整體上可分為系統管理主程序、系統調用子程序、上電自檢子程序、檢測過(guò)程子程序、自動(dòng)斷電子程序、延時(shí)子程序、報警子程序和系統保護子程序等部分。

　　紅外節能開(kāi)關(guān)插座在第一次使用時(shí)，需要進(jìn)行開(kāi)機上電自檢測，首先應把電視機電源插頭插到開(kāi)關(guān)插座上，再把紅外開(kāi)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(shí)紅外節能開(kāi)關(guān)插座將以指示燈閃爍表示系統的上電自檢過(guò)程，軟件流程如圖5(a)所示。此時(shí)，開(kāi)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;如果連續五個(gè)周期的采樣波形完全相同，則以指示燈的閃爍結束來(lái)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(shí)間，如果負載電視機始終沒(méi)有處于工作狀態(tài)，則系統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。