1 紅外節能開關插座的硬件設計

　　1.1 紅外節能開關插座的工作原理

　　紅外節能開關插座是指采用在規定空間距離范圍內，發出紅外線使開關插座開啟或關閉，延時一定時間后自動斷開電源的設備。

　　外節能開關插座具有自動斷電功能，主要是利用負載的輸入電壓在待機與開機兩種狀態下的有效波形差異較大進行工作。負載在待機狀態所取的有效波形是指在一個周期內，絕對值大于閾值部分所占的大小;負載設備在開機狀態所取的有效波形部分是指在一個周期內，波形方向與待機狀態同向，絕對值大于閾值部分所占的大小。

　　設電視機負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為是高電平;如果絕對值小于閾值則認為是低電平。電視機的待機狀態或開機狀態，輸入電壓波形在單周期內，絕對值大于閾值波形所占的比值通常在1：2之上，使得負載輸入電壓波形可以被采樣電路所采樣，采樣的數值在單片機存儲器中也可對應表示為二進制數據。因此，設計紅外節能開關插座的原理圖如圖1所示，它是由MCU控制電路、檢測電路、比較電路、關斷電路、紅外接收電路、開關插頭電路和電源電路等部分構成的智能開關插座。

　　1.2 檢測電路的設計

　　在紅外節能開關插座的硬件電路設計中，檢測電路負責檢測負載電視機輸入端處于不同狀態下的電壓波形，并將采樣到的波形數據送入后級放大電路，經過放大后的波形數據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。

　　線圈是采樣負載輸入電壓波形的重要器件，根據電磁學理論，忽略線圈邊緣散場，且假定中心為均勻磁場的情況下，由式(1)可計算出的檢測電路線圈匝數為[0.5，5]匝。

　　式中：N為線圈匝數(單位：匝);B為管子聚焦中心磁感應強度(單位：G);l為偏轉線圈的有效長度(單位：cm);I為流過線圈的電流(單位：A);β為偏轉線圈軸線中心點與偏轉線圈直徑的夾角。

　　一般來說，線圈的匝數和電壓成正比關系，減小線圈匝數有助于電壓波形的采樣，不利于電壓波形的穩定;增加線圈匝數在一定程度上可以提高電壓波形的采樣穩定性，但采樣精確度又會有所降低。為了從估算值中準確確定檢測電路線圈的匝數，需要對開關插座進行變線圈匝數的試驗，以尋找最佳的線圈匝數。

　　在試生產的批量產品中，隨機選取56個半成品作為試件，設計實測方案來完成電感線圈匝數的求值。首先進行0.5匝線圈的測試，如果達不到指標要求，則將線圈匝數直接調至最大值5匝再進行測試。如果性能指標仍未達到設計要求，就以1匝為基數減少線圈匝數進行測試，直至減少到2匝(含2匝)為止。若還是達不到設計要求，則將減小的基數改為0.5匝，也就是按1.5匝的線圈進行測試。根據上述試驗方案先選擇0.5匝的線圈匝數，試驗測得波形良好的是53個，產品的優良率為94.6%;待機或開機波形不良的有2個，波形不穩定的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所示的數據，產品優良率為87.5%，89.3%，78.6%，89.3%和83.9%，可見線圈N=0.5匝的產品性能最佳。

　　1.3 比較電路的設計

　　紅外節能開關插座的比較電路負責對采樣到的待機波形和工作波形進行對比判斷，是開關插座能夠完成自動關斷功能的關鍵電路，其電路原理圖的設計如圖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、內部頻率補償的雙運算放大器。兩片LM358配合使用就能夠將輸入線圈的電流信號轉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據的比較辨別。

　　為驗證比較電路設計的實際效果，從線圈匝數為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所示的測試數據。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，不再進行后續測試。

　　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條件，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)的測試結果。事后經故障檢測和隔離發現：開機時自動關機的2個整機故障原因是線圈與電路板虛焊，經修復后正常;10 min不能自動斷電的3個整機，經查明其中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，合格的產品共有49個，合格率達到98%以上，表明該電路的設計達到設計要求。

　　1. 4 開關插頭電路的EMC設計

　　歐美發達國家對產品電磁兼容的要求普遍較高，為滿足出口紅外節能開關插座的需要，其開關插頭電路設計有抑制電磁干擾電路。開關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方式構成噪聲濾波器電路，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定水平。該噪聲濾波器能有效地抑制外部電網電磁干擾信號通過開關插座進入負載電視機，增強電視機的收視效果，也能衰減負載電視機產生的電磁干擾信號污染外部電網，滿足了紅外節能開關插座的EMC設計初衷。

　　2 紅外節能開關插座的軟件設計

　　紅外節能開關插座控制軟件的設計既充分考慮了軟件的實用性，又兼顧了代碼的可靠性，進行了系統的三方測試。軟件設計整體上可分為系統管理主程序、系統調用子程序、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、報警子程序和系統保護子程序等部分。

　　紅外節能開關插座在第一次使用時，需要進行開機上電自檢測，首先應把電視機電源插頭插到開關插座上，再把紅外開關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下。此時紅外節能開關插座將以指示燈閃爍表示系統的上電自檢過程，軟件流程如圖5(a)所示。此時，開關插座將對電視機處于待機狀態下的波形進行采樣、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;如果連續五個周期的采樣波形完全相同，則以指示燈的閃爍結束來標識完成了對待機波形的辨別;指示燈處于常亮狀態后，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，如果負載電視機始終沒有處于工作狀態，則系統檢測到的波形與存儲器中的波形一致，關斷電路就切斷外部電源。