紅外遙控節(jié)能開(kāi)關(guān)插座的設(shè)計(jì)原理及測(cè)試

　　1 紅外節(jié)能開(kāi)關(guān)插座的硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 紅外節(jié)能開(kāi)關(guān)插座的工作原理

　　紅外節(jié)能開(kāi)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(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(shè)備。

　　外節(jié)能開(kāi)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(kāi)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小;負(fù)載設(shè)備在開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)插座的原理圖如圖1所示，它是由MCU控制電路、檢測(cè)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(gòu)成的智能開(kāi)關(guān)插座。

　　1.2 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

　　在紅外節(jié)能開(kāi)關(guān)插座的硬件電路設(shè)計(jì)中，檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)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(guò)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(cè)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(chǎng)，且假定中心為均勻磁場(chǎng)的情況下，由式(1)可計(jì)算出的檢測(cè)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(yīng)強(qiáng)度(單位：G);l為偏轉(zhuǎn)線圈的有效長(zhǎng)度(單位：cm);I為流過(guò)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(lái)說(shuō)，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(cè)電路線圈的匝數(shù)，需要對(duì)開(kāi)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(cè)方案來(lái)完成電感線圈匝數(shù)的求值。首先進(jìn)行0.5匝線圈的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(kāi)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(cè)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(jiàn)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(kāi)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(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(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(cè)試。

　　第一步，若開(kāi)機(jī)/待機(jī)波形均良好，則編號(hào)歸入波形正常類(lèi)。若開(kāi)機(jī)/待機(jī)波形不良，則編號(hào)，更換LM358后再次檢測(cè);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(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)前兩類(lèi)半成品，裝成整機(jī)后進(jìn)行第二步測(cè)試;對(duì)第三類(lèi)半成品，交由維修部門(mén)診斷故障并修復(fù)，不再進(jìn)行后續(xù)測(cè)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(cè)過(guò)程、自動(dòng)斷電過(guò)程、電視機(jī)使用過(guò)程的觀測(cè)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(lèi)。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(kāi)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(guò)程失效)的測(cè)試結(jié)果。事后經(jīng)故障檢測(cè)和隔離發(fā)現(xiàn)：開(kāi)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(cè)，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(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(kāi)關(guān)插頭電路的EMC設(shè)計(jì)

　　歐美發(fā)達(dá)國(guó)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(kāi)關(guān)插座的需要，其開(kāi)關(guān)插頭電路設(shè)計(jì)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(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(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)插座的EMC設(shè)計(jì)初衷。

　　2 紅外節(jié)能開(kāi)關(guān)插座的軟件設(shè)計(jì)

　　紅外節(jié)能開(kāi)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(cè)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(cè)過(guò)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(kāi)關(guān)插座在第一次使用時(shí)，需要進(jìn)行開(kāi)機(jī)上電自檢測(cè)，首先應(yīng)把電視機(jī)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(jī)置于待機(jī)狀態(tài)下。此時(shí)紅外節(jié)能開(kāi)關(guān)插座將以指示燈閃爍表示系統(tǒng)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(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(cè)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(lái)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(méi)有處于工作狀態(tài)，則系統(tǒng)檢測(cè)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。