單片機在家電控制系統(tǒng)中的應用

 1 系統(tǒng)構成和核心接口電路的工作原理 設計家電控制器的核心是成本、功耗的控制?，F(xiàn)在市場上的同類產品中需要的硬件資源比較多，包括國個MCU和個三-八譯碼器，其中三-八譯碼器用于擴展I/O端口。實際上，在國般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 用戶端的輸入信號源和輸出信號源 冷風扇除了具有普通電風扇的基本功能外，還有國個最重要的功能——冷風功能，用于選擇是否冷風輸出?？刂乒δ苄枰獌蓚€水位信號源——缺水（L）、水滿（H），輸出信號國個。 從用戶使用方面來講，有下列輸入源和輸出源。 輸入源： ·6個鍵盤：關機、開機/風速、風類、導風、定時和冷風； ·6個紅外遙控功能鍵：與鍵盤相對應； ·2個水位信號。 輸出源： ·12個LED指示燈； ·5個控制信號：高風HF、中風MF、低風LF、導風SWI和冷風輸出控制； ·蜂鳴信號。 1.2 系統(tǒng)構成框圖 本設計中采用單片機SST868542R。該單片機有20個I/O端口，352字節(jié)片上SRAM，16KB Flash EEPROM,以及兩個可充當計數(shù)器的模塊Core Timer和Carrier Modulator Transmitter。采用6805精簡指令集。 6個紅外輸入共有國個紅外輸入端口，根據輸入的紅外碼來判斷輸入的按鍵。6個鍵盤輸入共用國個鍵盤輸入端口。12個LED指示燈與單片機的接口有8個，分別為6個掃描端口和2個控制端口。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 1.3 LED和鍵盤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LED排列成一個6行×2列的矩陣，如圖2所示。每列有6個LED，其陽極相連并通過一個反相器連接到單片機的I/O口，稱為控制端口。每行有2個LED，其陰極相連并與單片機I/O口相連，稱為掃描端口。每一行的掃描端口后串聯(lián)一個二極管和一個脈沖式鍵盤，6個鍵盤的另一端相連并與單片機的公共鍵盤輸入端口相連。這樣LED和鍵盤僅需要9個端口。 由于電路上的需要，LED和鍵盤檢測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。如果此時按下被掃描行的鍵盤，那么公共鍵盤輸入端口為低電平，否則為高電平。為了讓指標燈持續(xù)發(fā)亮沒有閃爍感，掃描頻率要求75Hz以上。每周期掃描6行，因此掃描時間間隔應小于2.2ms。 2 軟件模塊的設計 系統(tǒng)軟件分為主程序和實時中斷兩個模塊。 主程序包括系統(tǒng)參數(shù)初始傾向循環(huán)工作過程。系統(tǒng)參數(shù)初始化包括單片機狀態(tài)參量和程序自定義的狀態(tài)變量的初始化。循環(huán)工作過程循環(huán)執(zhí)行水位檢測、紅外碼流檢測、輸入狀態(tài)字變化檢測、輸出端口賦值和定時器檢查等任務。 實時中斷服務程序是本設計中的關鍵，主要處理與時間有關的任務，包括掃描端口和控制端口的賦值、鍵盤檢測、定時器的處理、蜂鳴波形的產生和紅外信號的捕獲等。 2.1 鍵盤和LED的掃描編碼 指示燈用于指示系統(tǒng)的當前狀態(tài)，而系統(tǒng)的狀態(tài)由用戶輸入的信號來改變。根據6種不同的輸入源，定義6個輸入狀態(tài)變量，每一次按鍵，相應的狀態(tài)字將產生變化，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，輸入鍵盤和掃描端口的值是相互對應的，如‘關閉鍵’對應0111，狀態(tài)變量設為OFF，只有兩個狀態(tài)，開/關，因此用一個比特就能表示。同理可以得到其它5個狀態(tài)變量的定義和編碼。編碼應盡量簡單，狀態(tài)的變經如能采用自編碼應盡量簡單，狀態(tài)的變化如能采用自減一或自加一則最好。詳細見表1。

表1 輸入狀態(tài)變量的定義及編碼 輸入鍵 掃描端口PA7-2 紅外碼字 狀態(tài)變量 狀態(tài)變化的編碼 關閉

111110                        C0h OFF

SPEED

MODE

TIMER

SWING

COOL 1-關機 0-開機

11-低 10-中 01-高

11-正常 10-自然 01-睡眠

1111-無 1110-0.5小時…

0000-7.5小時

1-無 0-導風

1-無 0-冷風 LED的掃描端口是確定的六個值，控制端口的數(shù)據由輸入狀態(tài)變量來決定。 當系統(tǒng)處于開機狀態(tài)下，掃描端口是011111時，表示選中（圖2）LED矩陣的第一行，此時系統(tǒng)控制第一行兩個燈的亮滅。首先來看看這兩個燈各代表什么意思，第一個表示‘導風’連接到PA0端口，第二個表示‘冷風’連接到PA1端口。 從狀態(tài)字的定義來看，SWING=1，無導風，則燈滅，反之SWING=0，燈亮；由于MCU的PA0端口通過反相器連接到該燈的陽極，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個不同的掃描端口賦值下，根據控制燈和狀態(tài)字的意義，可以得出如表2的結果，表中的（0）、（1）、（2）、（3）表示該狀態(tài)字的第0、1、2、3位的值。當系統(tǒng)處于關閉狀態(tài)時，所有指示燈是滅的，因此對于6個掃描端口值，控制端口PA1-PA0恒等于11，不驅動LED。

表2 開機狀態(tài)下控制端口、輸入狀態(tài)字和掃描序號的關系 掃描序號 PA7-PA2 PA1 PA0 5 011111 COOL（0） SWING（0） 4 101111 SPEED（0） NOT（SPEED（0） AND SPEED（1）） 3 110111 TIMER（0） SPEED（1） 2 111011 TIMER（1） NOT（MODE（0） AND MODE（1）） 1 111101 TIMER（2） MODE（0） 0 111110 TIMER（3） MODE（1） 事實上，5個控制輸出信號也是與當前的狀態(tài)變量密切相關的，它們的賦值計算方法與PA1、PA0相同。 2.2 紅外碼流檢測 紅外碼流檢測采用查詢方式。在實時中斷服務程序中，每隔2ms檢查是否有紅外按建鍵輸入，進行引導碼的查詢捕獲。一旦捕獲后，執(zhí)行碼流檢測子程序，該子程序包括讀取碼字和判斷碼字兩步。讀取碼字是一個對紅外信號進行數(shù)據采樣的過程，判斷碼字是一個數(shù)據匹配的過程。 2.3 軟件設計中的幾個問題 （1）時間匹配 在主程序處理紅外碼流的檢測過程時，仍然會產生實時中斷。如上所述，紅外碼流用采樣的辦法進行數(shù)據的讀取，則采樣間隔的大小將直接影響到對紅外信號的正確接收。如果采樣間隔太大，得到的數(shù)據不夠精確，不足于分辨1/0比特；但是如果采樣間隔太小，小于中斷服務程序執(zhí)行一次的時間，則采集的數(shù)據會變小，導致錯誤判斷。因此中斷服務程序應該寫得盡量簡短。 （2）紅外碼流檢測方式 紅外碼流的檢測可以采用外中斷方式或查詢方式，在本設計中采用查詢方式。因此該單片機定義了外中斷的級別比實時中斷高，一旦產生外中斷，實時中斷請求將被忽略，不執(zhí)行掃描過程，因此會產生部分應該點亮的指示燈沒有點亮的現(xiàn)象。 數(shù)據匹配是一個把采集后的數(shù)據與預設定的數(shù)值進行比較的過程。預設定的數(shù)值可以從紅外波形理論計算得出，但是理論值與實際值總會存在一些差異，因此最好的解決辦法是預先寫一段數(shù)據采集程序并記錄下這些數(shù)據代替理論值，作為預設定的數(shù)值進行比較。 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，本文中的軟件開發(fā)模塊易于推廣成家電控制器的通用軟件模塊。