红外遥控节能开关插座的设计定型

0 引言
    随着电器产品待机能耗的迅速增长，家庭和社会付出了太多的代价，中国节能认证中心对家庭待机能耗做过的调查显示，待机能耗占到家庭电力消耗的10％左右，仅以电视机为例，平均每台电视机的待机能耗是8．07W，按每天待机2小时大约耗电0．016度。待机能耗引起的资源和环境问题越来越受到社会的广泛关注，为此国际能源署提出了“1瓦计划”，到2010年实施1瓦的待机能耗行动。该计划得到欧盟和美国的积极响应，并签署协议承诺逐年降低待机能耗，各国相继推行了强制性法规(例如2003年欧盟委员会正式启动了“欧洲理智能源计划”，2005年6月欧盟发表了《关于能源效率的绿皮书》，2006年美国实施了“白标机制”等)。智能开关插座因其方便节能，受到了国外消费者的广泛欢迎，目前智能开关插座正在成为新节能产品的研究热点。
    红外遥控节能开关插座是采用欧盟技术标准设计的针对电视机的一款智能开关插座，本文阐述了红外节能开关插座的硬件电路设计、软件算法设计，以及对产品进行的白／黑盒定型测试，给出了自动开关插座的设计和定型方案，消费者利用它可以对家中一些需要不断开关的电器进行自动断电控制，而不需要拔掉插头。

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[O．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O．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。

    电视机和红外节能开关插座的遥控器实现了相互兼容，用户可以用电视遥控器先将开关插座打开，再用遥控器打开电视机。当电视机处于正常开机状态时，图像、声音等视听功能被同时打开，使得电视机功耗增大，此时检测电路监测到的波形与记录在存储器中的待机波形差距较大，此刻系统管理主程序、系统调用子程序、检测过程子程序、报警子程序和系统保护子程序都在正常运行，保证了电视机在这种情况下不会发生自动关机现象。用户可以正常收看电视节目，这也是节能开关插座所必须具备的基本功能。
    用户将电视机用遥控器关闭，使电视机处于待机状态后，自动断电子程序开始运行，其流程图如图5(b)所示，当检测到此刻的波形正好与存储器中记录的待机波形一致时，单片机就会控制切断电源，保证用户使用结束后能将电视机彻底关机，从而达到节约待机能耗的目的。
    用户在以后的使用中，如果没有将电视机插头从红外节能开关插座中拔出，没有将红外节能开关插座从电源处拔出，就可自动完成待机状态的关断，最大限度地节约电视机的待机能耗。

3 红外节能开关插座的定型测试
3．1 红外节能开关的白盒测试
    从智能开关插座的工作原理可知，检测电路能否采样到良好的待机波形，是红外节能开关插座设计是否成功的前提；比较电路能否明显辨别待机状态和工作状态的波形，是红外节能开关插座能否实现自动关断的基础。可见检测电路和比较电路就是自动开关插座的关键电路，白盒测试就是要针对这两个电路进行试验。
    首先在测试架上对电路板进行测试，测试合格后从中随机选取1 000个电路板作为白盒测试的样本，对检测电路的白盒测试，其结果分为采到和没采到待机波形两种情况，而采样到待机波形又分为波形良好和波形有失真两种情况，具体的测试数据如表3所示。

    对于通过上一步白盒测试的半成品，再从中抽取373试件，对比较电路进行白盒测试，得到如表4所示的数据。从实测数据可知，红外节能开关插座半成品的白盒测试合格率为98．66％，所以该批次达到了量产要求。

3．2 红外节能开关的黑盒测试
    在红外节能开关插座的产品定型前，还必须进行整机功能的黑盒测试，以验证其节能功能。根据红外节能开关插座的使用环境，测试的严酷度等级可分成两种情况：第一，负载电视机没有闭路信号与声音，屏幕蓝屏状态下的高严酷度等级功能测试；第二，负载电视机的视听信号全部打开，用户欣赏节目状态下的低严酷度等级功能测试。
    在黑盒测试的过程中，规定电视机的使用时间为5 min。从通过白盒测试的红外节能开关插座中，随机选取300个半成品试件，将它们装成整机进行黑盒功能测试。在第一种情况下，300台红外节能开关插座试件进行的测试得到277个功能正常的试件，15个检测时间超过三分钟(包含有3个指示灯一直闪烁和12个在检测阶段三分钟内指示灯不熄灭)，2个开机自动关机，6个1 min内不能自动断电，共有23个功能不良，具体如表5所示。

    对上面发现的23个问题试件，进行了第二种情况下的黑盒测试，试验数据如表6所示，得到15个检测时间超过3 min的整机中，在电视机有闭路信号的条件下测试合格；而出现自动关机严重故障现象的2个试件，把它们放在任选的3台不同负载电视机上进行测试，其中有一个延时自动断电，而另一个查明是电路板上比较电路中的一个电阻损坏，经更换后测试功能正常；6个自动断电时间大于1 min的整机，有2个断电时间较长，其余4个在电视机有闭路信号的工作条件下均合格。

    综上所述，进行黑盒测试的300个红外遥控节能开关插座整机，有296个功能完全正常，批次合格率达到98．67％。另有1个电路焊接故障和3个自动断电时间较长。综上所述，红外节能开关插座设计合格，达到了正式量产的要求。

4 结语
    电视机等家用电器由于没有定时控制，它们在待机状态浪费了大量的能源。红外节能开关插座固有的节能特性，实现了“用户自己不用时自动拔下插头，使用时自动接上插头”的功能，可以不规律设定断电和接电时间，达到了操作简便且节能的目的，对建设节约型社会起到了重要的推动作用。该红外节能开关插座具有的可靠性高、寿命长、功耗低、反应速度快等优点，使得即使存在当前的全球金融危机，它仍然获得了德国、英国、澳大利亚等国用户的青睐，仅2008年下半年就得到约4．6万余个的订单。