單片機(jī)在家電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

單片機(jī)在家電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

從對(duì)家電的控制手段來(lái)看,經(jīng)歷了兩個(gè)階段。在上世紀(jì)70年代到80年代,家用電器基本上屬于機(jī)電控制功能型。進(jìn)入90年代,家用電器出現(xiàn)了智能化,轉(zhuǎn)向電腦控制的智能型家電。這種智能型家電國(guó)般通過(guò)微控制器（即單片機(jī)）實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)家電的控制操作。未來(lái)的家電將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,Bluetooth、HomeRF以及 IEEE802.15等標(biāo)準(zhǔn)的制定表明了這個(gè)趨勢(shì)。本文以國(guó)種家電冷風(fēng)扇為例,介紹單片機(jī)在家電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。家電冷風(fēng)扇是國(guó)種能模擬空調(diào)輸出冷風(fēng)的電風(fēng)扇,其控制核心采用SST86542R單片機(jī)。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成和核心接口電路的工作原理

　　設(shè)計(jì)家電控制器的核心是成本、功耗的控制。現(xiàn)在市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品中需要的硬件資源比較多,包括國(guó)個(gè)MCU和個(gè)三-八譯碼器,其中三-八譯碼器用于擴(kuò)展I/O 端口。實(shí)際上,在國(guó)般MCU的I/O端口足夠的情況下,可以充發(fā)利用MCU,采用軟件編碼模塊完全代替三-八譯碼器,從而降低成本和功耗。

　　1.1 用戶端的輸入信號(hào)源和輸出信號(hào)源

　　冷風(fēng)扇除了具有普通電風(fēng)扇的基本功能外,還有國(guó)個(gè)最重要的功能——冷風(fēng)功能,用于選擇是否冷風(fēng)輸出?？刂乒δ苄枰獌蓚€(gè)水位信號(hào)源——缺水(L)、水滿(H),輸出信號(hào)國(guó)個(gè)。

　　從用戶使用方面來(lái)講,有下列輸入源和輸出源。

　　輸入源：

　　·6個(gè)鍵盤(pán)：關(guān)機(jī)、開(kāi)機(jī)/風(fēng)速、風(fēng)類、導(dǎo)風(fēng)、定時(shí)和冷風(fēng);

　　·6個(gè)紅外遙控功能鍵：與鍵盤(pán)相對(duì)應(yīng);

　　·2個(gè)水位信號(hào)。

　　輸出源：

　　·12個(gè)LED指示燈;

　　·5個(gè)控制信號(hào)：高風(fēng)HF、中風(fēng)MF、低風(fēng)LF、導(dǎo)風(fēng)SWI和冷風(fēng)輸出控制;

　　·蜂鳴信號(hào)。

　　1.2 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

　　本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)SST868542R。該單片機(jī)有20個(gè)I/O端口,352字節(jié)片上SRAM,16KB Flash EEPROM,以及兩個(gè)可充當(dāng)計(jì)數(shù)器的模塊Core Timer和Carrier Modulator Transmitter。采用6805精簡(jiǎn)指令集。

　　6個(gè)紅外輸入共有國(guó)個(gè)紅外輸入端口,根據(jù)輸入的紅外碼來(lái)判斷輸入的按鍵。6個(gè)鍵盤(pán)輸入共用國(guó)個(gè)鍵盤(pán)輸入端口。12個(gè)LED指示燈與單片機(jī)的接口有8個(gè),分別為6個(gè)掃描端口和2個(gè)控制端口。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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　　1.3 LED和鍵盤(pán)輸入的接口電路及其工作原理

　　為了節(jié)省I/O端口,接口電路將12個(gè)LED排列成一個(gè)6行×2列的矩陣,如圖2所示。每列有6個(gè)LED,其陽(yáng)極相連并通過(guò)一個(gè)反相器連接到單片機(jī)的I/O 口,稱為控制端口。每行有2個(gè)LED,其陰極相連并與單片機(jī)I/O口相連,稱為掃描端口。每一行的掃描端口后串聯(lián)一個(gè)二極管和一個(gè)脈沖式鍵盤(pán),6個(gè)鍵盤(pán)的另一端相連并與單片機(jī)的公共鍵盤(pán)輸入端口相連。這樣LED和鍵盤(pán)僅需要9個(gè)端口。

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　　由于電路上的需要,LED和鍵盤(pán)檢測(cè)采用行掃描的工作方式。每次掃描將需掃描行的掃描端口置低,其它掃描端口置高。如果此時(shí)按下被掃描行的鍵盤(pán),那么公共鍵盤(pán)輸入端口為低電平,否則為高電平。為了讓指標(biāo)燈持續(xù)發(fā)亮沒(méi)有閃爍感,掃描頻率要求75Hz以上。每周期掃描6行,因此掃描時(shí)間間隔應(yīng)小于2.2ms。

　　2 軟件模塊的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件分為主程序和實(shí)時(shí)中斷兩個(gè)模塊。

　　主程序包括系統(tǒng)參數(shù)初始傾向循環(huán)工作過(guò)程。系統(tǒng)參數(shù)初始化包括單片機(jī)狀態(tài)參量和程序自定義的狀態(tài)變量的初始化。循環(huán)工作過(guò)程循環(huán)執(zhí)行水位檢測(cè)、紅外碼流檢測(cè)、輸入狀態(tài)字變化檢測(cè)、輸出端口賦值和定時(shí)器檢查等任務(wù)。

　　實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序是本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵,主要處理與時(shí)間有關(guān)的任務(wù),包括掃描端口和控制端口的賦值、鍵盤(pán)檢測(cè)、定時(shí)器的處理、蜂鳴波形的產(chǎn)生和紅外信號(hào)的捕獲等。

　　2.1 鍵盤(pán)和LED的掃描編碼

　　指示燈用于指示系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài),而系統(tǒng)的狀態(tài)由用戶輸入的信號(hào)來(lái)改變。根據(jù)6種不同的輸入源,定義6個(gè)輸入狀態(tài)變量,每一次按鍵,相應(yīng)的狀態(tài)字將產(chǎn)生變化, 表示系統(tǒng)的不同狀態(tài)。從上述的電路及其工作原理可以看出,輸入鍵盤(pán)和掃描端口的值是相互對(duì)應(yīng)的,如‘關(guān)閉鍵’對(duì)應(yīng)0111,狀態(tài)變量設(shè)為OFF,只有兩個(gè)狀態(tài),開(kāi)/關(guān),因此用一個(gè)比特就能表示。同理可以得到其它5個(gè)狀態(tài)變量的定義和編碼。編碼應(yīng)盡量簡(jiǎn)單,狀態(tài)的變經(jīng)如能采用自編碼應(yīng)盡量簡(jiǎn)單,狀態(tài)的變化如能采用自減一或自加一則最好。詳細(xì)見(jiàn)表1。

　　表1 輸入狀態(tài)變量的定義及編碼

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　　LED的掃描端口是確定的六個(gè)值,控制端口的數(shù)據(jù)由輸入狀態(tài)變量來(lái)決定。

?　　當(dāng)系統(tǒng)處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)下,掃描端口是011111時(shí),表示選中（圖2）LED矩陣的第一行,此時(shí)系統(tǒng)控制第一行兩個(gè)燈的亮滅。首先來(lái)看看這兩個(gè)燈各代表什么意思,第一個(gè)表示‘導(dǎo)風(fēng)’連接到PA0端口,第二個(gè)表示‘冷風(fēng)’連接到PA1端口。

　　從狀態(tài)字的定義來(lái)看,SWING=1,無(wú)導(dǎo)風(fēng),則燈滅,反之SWING=0,燈亮;由于MCU的PA0端口通過(guò)反相器連接到該燈的陽(yáng)極,所以PA0=1,燈滅,PA0=0,燈亮,因此PA0的值直接等于狀態(tài)變量SWING。同理,PA1=COOL。

　　在其它5個(gè)不同的掃描端口賦值下,根據(jù)控制燈和狀態(tài)字的意義,可以得出如表2的結(jié)果,表中的(0)、(1)、(2)、(3)表示該狀態(tài)字的第0、1、2、3 位的值。當(dāng)系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),所有指示燈是滅的,因此對(duì)于6個(gè)掃描端口值,控制端口PA1-PA0恒等于11,不驅(qū)動(dòng)LED。

　　表2 開(kāi)機(jī)狀態(tài)下控制端口、輸入狀態(tài)字和掃描序號(hào)的關(guān)系

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　　事實(shí)上,5個(gè)控制輸出信號(hào)也是與當(dāng)前的狀態(tài)變量密切相關(guān)的,它們的賦值計(jì)算方法與PA1、PA0相同。

　　2.2 紅外碼流檢測(cè)

　　紅外碼流檢測(cè)采用查詢方式。在實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序中,每隔2ms檢查是否有紅外按建鍵輸入,進(jìn)行引導(dǎo)碼的查詢捕獲。一旦捕獲后,執(zhí)行碼流檢測(cè)子程序,該子程序包括讀取碼字和判斷碼字兩步。讀取碼字是一個(gè)對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的過(guò)程,判斷碼字是一個(gè)數(shù)據(jù)匹配的過(guò)程。

　　2.3 軟件設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題

　　(1)時(shí)間匹配

　　在主程序處理紅外碼流的檢測(cè)過(guò)程時(shí),仍然會(huì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)中斷。如上所述,紅外碼流用采樣的辦法進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取,則采樣間隔的大小將直接影響到對(duì)紅外信號(hào)的正確接收。如果采樣間隔太大,得到的數(shù)據(jù)不夠精確,不足于分辨1/0比特;但是如果采樣間隔太小,小于中斷服務(wù)程序執(zhí)行一次的時(shí)間,則采集的數(shù)據(jù)會(huì)變小,導(dǎo)致錯(cuò)誤判斷。因此中斷服務(wù)程序應(yīng)該寫(xiě)得盡量簡(jiǎn)短。

　　(2)紅外碼流檢測(cè)方式

　　紅外碼流的檢測(cè)可以采用外中斷方式或查詢方式,在本設(shè)計(jì)中采用查詢方式。因此該單片機(jī)定義了外中斷的級(jí)別比實(shí)時(shí)中斷高,一旦產(chǎn)生外中斷,實(shí)時(shí)中斷請(qǐng)求將被忽略,不執(zhí)行掃描過(guò)程,因此會(huì)產(chǎn)生部分應(yīng)該點(diǎn)亮的指示燈沒(méi)有點(diǎn)亮的現(xiàn)象。

　　數(shù)據(jù)匹配是一個(gè)把采集后的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較的過(guò)程。預(yù)設(shè)定的數(shù)值可以從紅外波形理論計(jì)算得出,但是理論值與實(shí)際值總會(huì)存在一些差異,因此最好的解決辦法是預(yù)先寫(xiě)一段數(shù)據(jù)采集程序并記錄下這些數(shù)據(jù)代替理論值,作為預(yù)設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較。

　　SST65P54R工作電壓為2.2～3.2V,功耗小,適用于家電控制系統(tǒng)。另外,本文中的軟件開(kāi)發(fā)模塊易于推廣成家電控制器的通用軟件模塊。