紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計定型共11頁文檔

1、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0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 “瓦計劃”, 到2019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2019年歐盟委員會正式啟動了 歐洲理

2、智能源計劃”，2019年6月歐盟發(fā)表了關(guān)于能源效率的綠皮 書，2019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)的電器進行自動斷電控制， 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

3、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)載的輸 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小；負(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

4、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) 值在單片機存儲器中也可對應(yīng)表示為二進制數(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。1. 2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

5、磁場的情況下，由式（1）可計算出的檢測電路線圈匝數(shù)為O. 5, 5匝(1)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 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）; 3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 度又會有所降低。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)插座進行變線圈匝數(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

6、作為試件， 設(shè)計實測方案來完成電感線圈匝數(shù)的求值。 首先進行0.5匝 線圈的測試，如果達不到指標(biāo)要求，則將線圈匝數(shù)直接調(diào)至最 大值5匝再進行測試。如果性能指標(biāo)仍未達到設(shè)計要求，就 以1匝為基數(shù)減少線圈匝數(shù)進行測試，直至減少到 2匝（含2 匝）為止。若還是達不到設(shè)計要求，則將減小的基數(shù)改為 0. 5 匝，也就是按1. 5匝的線圈進行測試。根據(jù)上述試驗方案先 選擇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。用同樣方法進行5匝、4匝、3匝、2匝和1. 5 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%,

7、 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)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，有兩個獨立的、 高增益的、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器。兩片 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

8、實際效果，從線圈匝數(shù)為O.5匝的 半成品中隨機抽取50個試件進行測試。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)，不再進行后續(xù)測試。第二步，對上一步波形正常的49個半成品裝成整機進行功 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3 min , 1 min , 10 min,如果前兩者超出上述 假設(shè)條件，

9、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10 min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；10 min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，合格率達到98%以上，表明該電路 的設(shè)計達到設(shè)計要求。1.4開關(guān)插頭電路

10、的EMC設(shè)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)插座進入負(fù)載電視機，增強電視機的收 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。2紅外節(jié)能開關(guān)插座的軟件設(shè)計紅外節(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，又兼顧

11、了代碼的可靠性，進行了系統(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行采樣；如果連續(xù)五個周期的采 樣波形完全相同，則以

12、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。然后等待一段時間，如果負(fù)載電視機始終 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。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，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 護子程序都在正常運行，保證了電視機在這

13、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)束后能將電視機徹底關(guān) 機，從而達到節(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

14、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 路進行試驗。首先在測試架上對電路板進行測試，測試合格后從中隨機 選取1 000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, 對比較電路進行白盒測試，得到如表 4所

15、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5 min。從通過白盒測試的紅外節(jié)能開關(guān)插座中，隨機選取300個半成品試件，將它們裝成整機進行黑盒功能測試。在第

16、一種情況 下，300臺紅外節(jié)能開關(guān)插座試件進行的測試得到 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1 min內(nèi)不能自動斷電，共有23個功能不 良，具體如表5所示。對上面發(fā)現(xiàn)的23個問題試件，進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個檢測時間超過3 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1 min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。綜上所述，進行黑盒測試的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，批次合格率達到 98. 67%。 另有1個電路焊接故障和3個自動斷電時間較長。綜上所述， 紅外節(jié)能開關(guān)插座