红外遥控节能开关插座的设计原理及测试

　　1 红外节能开关插座的硬件设计

　　1.1 红外节能开关插座的工作原理

　　红外节能开关插座是指采用在规定空间距离范围内，发出红外线使开关插座开启或关闭，延时一定时间后自动断开电源的设备。

　　外节能开关插座具有自动断电功能，主要是利用负载的输入电压在待机与开机两种状态下的有效波形差异较大进行工作。负载在待机状态所取的有效波形是指在一个周期内，绝对值大于阈值部分所占的大小;负载设备在开机状态所取的有效波形部分是指在一个周期内，波形方向与待机状态同向，绝对值大于阈值部分所占的大小。

　　设电视机负载输入电压波形峰峰值一半处为波形的阈值，如果绝对值大于阈值则认为是高电平;如果绝对值小于阈值则认为是低电平。电视机的待机状态或开机状态，输入电压波形在单周期内，绝对值大于阈值波形所占的比值通常在1：2之上，使得负载输入电压波形可以被采样电路所采样，采样的数值在单片机存储器中也可对应表示为二进制数据。因此，设计红外节能开关插座的原理图如图1所示，它是由MCU控制电路、检测电路、比较电路、关断电路、红外接收电路、开关插头电路和电源电路等部分构成的智能开关插座。

　　1.2 检测电路的设计

　　在红外节能开关插座的硬件电路设计中，检测电路负责检测负载电视机输入端处于不同状态下的电压波形，并将采样到的波形数据送入后级放大电路，经过放大后的波形数据再交由比较电路和单片机进行分析处理，检测电路的电路原理图如图2所示。

　　线圈是采样负载输入电压波形的重要器件，根据电磁学理论，忽略线圈边缘散场，且假定中心为均匀磁场的情况下，由式(1)可计算出的检测电路线圈匝数为[0.5，5]匝。

　　式中：N为线圈匝数(单位：匝);B为管子聚焦中心磁感应强度(单位：G);l为偏转线圈的有效长度(单位：cm);I为流过线圈的电流(单位：A);β为偏转线圈轴线中心点与偏转线圈直径的夹角。

　　一般来说，线圈的匝数和电压成正比关系，减小线圈匝数有助于电压波形的采样，不利于电压波形的稳定;增加线圈匝数在一定程度上可以提高电压波形的采样稳定性，但采样精确度又会有所降低。为了从估算值中准确确定检测电路线圈的匝数，需要对开关插座进行变线圈匝数的试验，以寻找最佳的线圈匝数。

　　在试生产的批量产品中，随机选取56个半成品作为试件，设计实测方案来完成电感线圈匝数的求值。首先进行0.5匝线圈的测试，如果达不到指标要求，则将线圈匝数直接调至最大值5匝再进行测试。如果性能指标仍未达到设计要求，就以1匝为基数减少线圈匝数进行测试，直至减少到2匝(含2匝)为止。若还是达不到设计要求，则将减小的基数改为0.5匝，也就是按1.5匝的线圈进行测试。根据上述试验方案先选择0.5匝的线圈匝数，试验测得波形良好的是53个，产品的优良率为94.6%;待机或开机波形不良的有2个，波形不稳定的1个。用同样方法进行5匝、4匝、3匝、2匝和1.5匝线圈的试验，测得如表1所示的数据，产品优良率为87.5%，89.3%，78.6%，89.3%和83.9%，可见线圈N=0.5匝的产品性能最佳。

　　1.3 比较电路的设计

　　红外节能开关插座的比较电路负责对采样到的待机波形和工作波形进行对比判断，是开关插座能够完成自动关断功能的关键电路，其电路原理图的设计如图3所示。

　　从电路图中可以看出LM358放大器是比较电路的核心器件，LM358是适合于电池供电的低功耗器件，有两个独立的、高增益的、内部频率补偿的双运算放大器。两片LM358配合使用就能够将输入线圈的电流信号转换成双极性的电压信号输出，可以用于单片机控制的存储器中待机波形与实时采样波形数据的比较辨别。

　　为验证比较电路设计的实际效果，从线圈匝数为O.5匝的半成品中随机抽取50个试件进行测试。

　　第一步，若开机/待机波形均良好，则编号归入波形正常类。若开机/待机波形不良，则编号，更换LM358后再次检测;若波形良好，就归入更换LM358后波形正常类;若波形依然不良，则归入其他故障类，得到如表2所示的测试数据。对前两类半成品，装成整机后进行第二步测试;对第三类半成品，交由维修部门诊断故障并修复，不再进行后续测试。

　　第二步，对上一步波形正常的49个半成品装成整机进行功能检验。规定检测过程、自动断电过程、电视机使用过程的观测时间分别为3 min，1 min，10 min，如果前两者超出上述假设条件，将按照不同的原因予以分类。试验得到44个正常，5个功能不佳，其中功能不佳的5个包括2个在开机时自动关机;3个在使用遥控将电视机待机后10 min仍不能自动断电(属于自动断电过程失效)的测试结果。事后经故障检测和隔离发现：开机时自动关机的2个整机故障原因是线圈与电路板虚焊，经修复后正常;10 min不能自动断电的3个整机，经查明其中1个是误测，其余2个属于更换LM358后波形良好类。因此，可以说随机取样的50个半成品装成整机后，不考虑 PCB板焊接故障以及LM358元器件本身可靠性的原因，合格的产品共有49个，合格率达到98%以上，表明该电路的设计达到设计要求。

　　1. 4 开关插头电路的EMC设计

　　欧美发达国家对产品电磁兼容的要求普遍较高，为满足出口红外节能开关插座的需要，其开关插头电路设计有抑制电磁干扰电路。开关插头电路中的抑制电磁干扰部分采用共模电感和电容串联方式构成噪声滤波器电路，如图4所示，C8、La和C9、Lb组成的两组低通滤波器，可以使线路上的电磁干扰信号被控制在规定水平。该噪声滤波器能有效地抑制外部电网电磁干扰信号通过开关插座进入负载电视机，增强电视机的收视效果，也能衰减负载电视机产生的电磁干扰信号污染外部电网，满足了红外节能开关插座的EMC设计初衷。

　　2 红外节能开关插座的软件设计

　　红外节能开关插座控制软件的设计既充分考虑了软件的实用性，又兼顾了代码的可靠性，进行了系统的三方测试。软件设计整体上可分为系统管理主程序、系统调用子程序、上电自检子程序、检测过程子程序、自动断电子程序、延时子程序、报警子程序和系统保护子程序等部分。

　　红外节能开关插座在第一次使用时，需要进行开机上电自检测，首先应把电视机电源插头插到开关插座上，再把红外开关插座插入外部电源插座，然后用遥控器把电视机置于待机状态下。此时红外节能开关插座将以指示灯闪烁表示系统的上电自检过程，软件流程如图5(a)所示。此时，开关插座将对电视机处于待机状态下的波形进行采样、辨别和存储。指示灯闪烁期间检测电路对待机波形进行采样;如果连续五个周期的采样波形完全相同，则以指示灯的闪烁结束来标识完成了对待机波形的辨别;指示灯处于常亮状态后，单片机将此波形记录为电视机的待机波形。然后等待一段时间，如果负载电视机始终没有处于工作状态，则系统检测到的波形与存储器中的波形一致，关断电路就切断外部电源。