紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計(jì)定型共11頁(yè)文檔

1、紅外遙控節(jié)能開關(guān)插座的設(shè)計(jì)定型來(lái)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(jī)能耗的迅速增長(zhǎng)，家庭和社會(huì)付出了太 多的代價(jià)，中國(guó)節(jié)能認(rèn)證中心對(duì)家庭待機(jī)能耗做過(guò)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(wèn)題越 來(lái)越受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，為此國(guó)際能源署提出了 “瓦計(jì)劃”, 到2019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(guó) 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(guó)相繼推 行了強(qiáng)制性法規(guī)（例如2019年歐盟委員會(huì)正式啟動(dòng)了 歐洲理

2、智能源計(jì)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(guó)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(guó)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(cè)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

3、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小；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

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(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(cè)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(cè)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(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

5、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(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）; 3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

6、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%,

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(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

8、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(cè)；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(cè)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(cè)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(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，

9、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(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。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開關(guān)插頭電路

10、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(guò)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

11、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(cè)，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(guò)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(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

12、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。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(cè)電路監(jiān)測(cè)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(cè)過(guò)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

13、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(cè) 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(méi)有將電視機(jī)插頭從紅外節(jié)能 開關(guān)插座中拔出，沒(méi)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(cè)試3.1紅外節(jié)能開關(guān)的白盒測(cè)試從智能開關(guān)插座的工作

14、原理可知，檢測(cè)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)。可見檢測(cè)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(cè)試就是要針對(duì)這兩個(gè)電 路進(jìn)行試驗(yàn)。首先在測(cè)試架上對(duì)電路板進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試合格后從中隨機(jī) 選取1 000個(gè)電路板作為白盒測(cè)試的樣本，對(duì)檢測(cè)電路的白 盒測(cè)試，其結(jié)果分為采到和沒(méi)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(cè) 試數(shù)據(jù)如表3所示。對(duì)于通過(guò)上一步白盒測(cè)試的半成品，再?gòu)闹谐槿?73試件, 對(duì)比較電路進(jìn)行白盒測(cè)試，得到如表 4所

15、示的數(shù)據(jù)。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，紅外節(jié)能開關(guān)插座半成品的白盒測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(méi)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(cè)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(cè)試。在黑盒測(cè)試的過(guò)程中，規(guī)定電視機(jī)的使用時(shí)間為5 min。從通過(guò)白盒測(cè)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(cè)試。在第

16、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(cè)試得到 277個(gè)功 能正常的試件，15個(gè)檢測(cè)時(shí)間超過(guò)三分鐘（包含有3個(gè)指示燈 一直閃爍和12個(gè)在檢測(cè)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(wèn)題試件，進(jìn)行了第二種情況下的黑盒 測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示，得到15個(gè)檢測(cè)時(shí)間超過(guò)3 min 的整機(jī)中，在電視機(jī)有閉路信號(hào)的條件下測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)，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(cè)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(zhǎng)。綜上所述， 紅外節(jié)能開關(guān)插座