紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計(jì)定型

0 引言
    隨著電器產(chǎn)品待機(jī)能耗的迅速增長，家庭和社會(huì)付出了太多的代價(jià)，中國節(jié)能認(rèn)證中心對(duì)家庭待機(jī)能耗做過的調(diào)查顯示，待機(jī)能耗占到家庭電力消耗的10％左右，僅以電視機(jī)為例，平均每臺(tái)電視機(jī)的待機(jī)能耗是8．07W，按每天待機(jī)2小時(shí)大約耗電0．016度。待機(jī)能耗引起的資源和環(huán)境問題越來越受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，為此國際能源署提出了“1瓦計(jì)劃”，到2010年實(shí)施1瓦的待機(jī)能耗行動(dòng)。該計(jì)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(jī)能耗，各國相繼推行了強(qiáng)制性法規(guī)(例如2003年歐盟委員會(huì)正式啟動(dòng)了“歐洲理智能源計(jì)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(shí)施了“白標(biāo)機(jī)制”等)。智能開關(guān)插座因其方便節(jié)能，受到了國外消費(fèi)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(diǎn)。
    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(jì)的針對(duì)電視機(jī)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(jì)、軟件算法設(shè)計(jì)，以及對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的白／黑盒定型測試，給出了自動(dòng)開關(guān)插座的設(shè)計(jì)和定型方案，消費(fèi)者利用它可以對(duì)家中一些需要不斷開關(guān)的電器進(jìn)行自動(dòng)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(jì)
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(shí)一定時(shí)間后自動(dòng)斷開電源的設(shè)備。
    外節(jié)能開關(guān)插座具有自動(dòng)斷電功能，主要是利用負(fù)載的輸入電壓在待機(jī)與開機(jī)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(jī)狀態(tài)所取的有效波形是指在一個(gè)周期內(nèi)，絕對(duì)值大于閾值部分所占的大??；負(fù)載設(shè)備在開機(jī)狀態(tài)所取的有效波形部分是指在一個(gè)周期內(nèi)，波形方向與待機(jī)狀態(tài)同向，絕對(duì)值大于閾值部分所占的大小。
    設(shè)電視機(jī)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(duì)值大于閾值則認(rèn)為是高電平；如果絕對(duì)值小于閾值則認(rèn)為是低電平。電視機(jī)的待機(jī)狀態(tài)或開機(jī)狀態(tài)，輸入電壓波形在單周期內(nèi)，絕對(duì)值大于閾值波形所占的比值通常在1：2之上，使得負(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(jī)存儲(chǔ)器中也可對(duì)應(yīng)表示為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計(jì)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(jì)
    在紅外節(jié)能開關(guān)插座的硬件電路設(shè)計(jì)中，檢測電路負(fù)責(zé)檢測負(fù)載電視機(jī)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(jí)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(jī)進(jìn)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(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(jì)算出的檢測電路線圈匝數(shù)為[O．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(yīng)強(qiáng)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(diǎn)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(huì)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(duì)開關(guān)插座進(jìn)行變線圈匝數(shù)的試驗(yàn)，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(jī)選取56個(gè)半成品作為試件，設(shè)計(jì)實(shí)測方案來完成電感線圈匝數(shù)的求值。首先進(jìn)行O．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(jì)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(jì)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(yàn)方案先選擇0．5匝的線圈匝數(shù)，試驗(yàn)測得波形良好的是53個(gè)，產(chǎn)品的優(yōu)良率為94．6％；待機(jī)或開機(jī)波形不良的有2個(gè)，波形不穩(wěn)定的1個(gè)。用同樣方法進(jìn)行5匝、4匝、3匝、2匝和1．5匝線圈的試驗(yàn)，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(jì)
    紅外節(jié)能開關(guān)插座的比較電路負(fù)責(zé)對(duì)采樣到的待機(jī)波形和工作波形進(jìn)行對(duì)比判斷，是開關(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(shè)計(jì)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(dú)立的、高增益的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器。兩片LM358配合使用就能夠?qū)⑤斎刖€圈的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙極性的電壓信號(hào)輸出，可以用于單片機(jī)控制的存儲(chǔ)器中待機(jī)波形與實(shí)時(shí)采樣波形數(shù)據(jù)的比較辨別。
    為驗(yàn)證比較電路設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，從線圈匝數(shù)為O．5匝的半成品中隨機(jī)抽取50個(gè)試件進(jìn)行測試。
    第一步，若開機(jī)／待機(jī)波形均良好，則編號(hào)歸入波形正常類。若開機(jī)／待機(jī)波形不良，則編號(hào)，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(duì)前兩類半成品，裝成整機(jī)后進(jìn)行第二步測試；對(duì)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。

    第二步，對(duì)上一步波形正常的49個(gè)半成品裝成整機(jī)進(jìn)行功能檢驗(yàn)。規(guī)定檢測過程、自動(dòng)斷電過程、電視機(jī)使用過程的觀測時(shí)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(yàn)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)在開機(jī)時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)；3個(gè)在使用遙控將電視機(jī)待機(jī)后10 min仍不能自動(dòng)斷電(屬于自動(dòng)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(jī)時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)的2個(gè)整機(jī)故障原因是線圈與電路板虛焊，經(jīng)修復(fù)后正常；10 min不能自動(dòng)斷電的3個(gè)整機(jī)，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。因此，可以說隨機(jī)取樣的50個(gè)半成品裝成整機(jī)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(dá)到98％以上，表明該電路的設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
1. 4 開關(guān)插頭電路的EMC設(shè)計(jì)
    歐美發(fā)達(dá)國家對(duì)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(jì)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(hào)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(hào)通過開關(guān)插座進(jìn)入負(fù)載電視機(jī)，增強(qiáng)電視機(jī)的收視效果，也能衰減負(fù)載電視機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)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(jì)初衷。

2 紅外節(jié)能開關(guān)插座的軟件設(shè)計(jì)
    紅外節(jié)能開關(guān)插座控制軟件的設(shè)計(jì)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(tǒng)的三方測試。軟件設(shè)計(jì)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(dòng)斷電子程序、延時(shí)子程序、報(bào)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(shí)，需要進(jìn)行開機(jī)上電自檢測，首先應(yīng)把電視機(jī)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(jī)置于待機(jī)狀態(tài)下。此時(shí)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(shí)，開關(guān)插座將對(duì)電視機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)下的波形進(jìn)行采樣、辨別和存儲(chǔ)。指示燈閃爍期間檢測電路對(duì)待機(jī)波形進(jìn)行采樣；如果連續(xù)五個(gè)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(shí)完成了對(duì)待機(jī)波形的辨別；指示燈處于常亮狀態(tài)后，單片機(jī)將此波形記錄為電視機(jī)的待機(jī)波形。然后等待一段時(shí)間，如果負(fù)載電視機(jī)始終沒有處于工作狀態(tài)，則系統(tǒng)檢測到的波形與存儲(chǔ)器中的波形一致，關(guān)斷電路就切斷外部電源。

    電視機(jī)和紅外節(jié)能開關(guān)插座的遙控器實(shí)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(jī)。當(dāng)電視機(jī)處于正常開機(jī)狀態(tài)時(shí)，圖像、聲音等視聽功能被同時(shí)打開，使得電視機(jī)功耗增大，此時(shí)檢測電路監(jiān)測到的波形與記錄在存儲(chǔ)器中的待機(jī)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(bào)警子程序和系統(tǒng)保護(hù)子程序都在正常運(yùn)行，保證了電視機(jī)在這種情況下不會(huì)發(fā)生自動(dòng)關(guān)機(jī)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(jī)用遙控器關(guān)閉，使電視機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)后，自動(dòng)斷電子程序開始運(yùn)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(chǔ)器中記錄的待機(jī)波形一致時(shí)，單片機(jī)就會(huì)控制切斷電源，保證用戶使用結(jié)束后能將電視機(jī)徹底關(guān)機(jī)，從而達(dá)到節(jié)約待機(jī)能耗的目的。
    用戶在以后的使用中，如果沒有將電視機(jī)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(dòng)完成待機(jī)狀態(tài)的關(guān)斷，最大限度地節(jié)約電視機(jī)的待機(jī)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(jī)波形，是紅外節(jié)能開關(guān)插座設(shè)計(jì)是否成功的前提；比較電路能否明顯辨別待機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)斷的基礎(chǔ)?？梢姍z測電路和比較電路就是自動(dòng)開關(guān)插座的關(guān)鍵電路，白盒測試就是要針對(duì)這兩個(gè)電路進(jìn)行試驗(yàn)。
    首先在測試架上對(duì)電路板進(jìn)行測試，測試合格后從中隨機(jī)選取1 000個(gè)電路板作為白盒測試的樣本，對(duì)檢測電路的白盒測試，其結(jié)果分為采到和沒采到待機(jī)波形兩種情況，而采樣到待機(jī)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(duì)于通過上一步白盒測試的半成品，再從中抽取373試件，對(duì)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(shí)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。

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(jìn)行整機(jī)功能的黑盒測試，以驗(yàn)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(jí)可分成兩種情況：第一，負(fù)載電視機(jī)沒有閉路信號(hào)與聲音，屏幕藍(lán)屏狀態(tài)下的高嚴(yán)酷度等級(jí)功能測試；第二，負(fù)載電視機(jī)的視聽信號(hào)全部打開，用戶欣賞節(jié)目狀態(tài)下的低嚴(yán)酷度等級(jí)功能測試。
    在黑盒測試的過程中，規(guī)定電視機(jī)的使用時(shí)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(jī)選取300個(gè)半成品試件，將它們裝成整機(jī)進(jìn)行黑盒功能測試。在第一種情況下，300臺(tái)紅外節(jié)能開關(guān)插座試件進(jìn)行的測試得到277個(gè)功能正常的試件，15個(gè)檢測時(shí)間超過三分鐘(包含有3個(gè)指示燈一直閃爍和12個(gè)在檢測階段三分鐘內(nèi)指示燈不熄滅)，2個(gè)開機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)，6個(gè)1 min內(nèi)不能自動(dòng)斷電，共有23個(gè)功能不良，具體如表5所示。

    對(duì)上面發(fā)現(xiàn)的23個(gè)問題試件，進(jìn)行了第二種情況下的黑盒測試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示，得到15個(gè)檢測時(shí)間超過3 min的整機(jī)中，在電視機(jī)有閉路信號(hào)的條件下測試合格；而出現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)嚴(yán)重故障現(xiàn)象的2個(gè)試件，把它們放在任選的3臺(tái)不同負(fù)載電視機(jī)上進(jìn)行測試，其中有一個(gè)延時(shí)自動(dòng)斷電，而另一個(gè)查明是電路板上比較電路中的一個(gè)電阻損壞，經(jīng)更換后測試功能正常；6個(gè)自動(dòng)斷電時(shí)間大于1 min的整機(jī)，有2個(gè)斷電時(shí)間較長，其余4個(gè)在電視機(jī)有閉路信號(hào)的工作條件下均合格。

    綜上所述，進(jìn)行黑盒測試的300個(gè)紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座整機(jī)，有296個(gè)功能完全正常，批次合格率達(dá)到98．67％。另有1個(gè)電路焊接故障和3個(gè)自動(dòng)斷電時(shí)間較長。綜上所述，紅外節(jié)能開關(guān)插座設(shè)計(jì)合格，達(dá)到了正式量產(chǎn)的要求。

4 結(jié)語
    電視機(jī)等家用電器由于沒有定時(shí)控制，它們?cè)诖龣C(jī)狀態(tài)浪費(fèi)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(shí)現(xiàn)了“用戶自己不用時(shí)自動(dòng)拔下插頭，使用時(shí)自動(dòng)接上插頭”的功能，可以不規(guī)律設(shè)定斷電和接電時(shí)間，達(dá)到了操作簡便且節(jié)能的目的，對(duì)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)起到了重要的推動(dòng)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(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，使得即使存在當(dāng)前的全球金融危機(jī)，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(gè)的訂單。