红外遥控节能开关插座的设计原理及测试

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[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