單片機(jī)在家電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

 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)。 從用戶使用方面來講，有下列輸入源和輸出源。 輸入源： ·6個(gè)鍵盤：關(guān)機(jī)、開機(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)輸入的紅外碼來判斷輸入的按鍵。6個(gè)鍵盤輸入共用國(guó)個(gè)鍵盤輸入端口。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。 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(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，6個(gè)鍵盤的另一端相連并與單片機(jī)的公共鍵盤輸入端口相連。這樣LED和鍵盤僅需要9個(gè)端口。 由于電路上的需要，LED和鍵盤檢測(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，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(biāo)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(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/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(guān)閉

111110                        C0h OFF

SPEED

MODE

TIMER

SWING

COOL 1-關(guān)機(jī) 0-開機(jī)

11-低 10-中 01-高

11-正常 10-自然 01-睡眠

1111-無(wú) 1110-0.5小時(shí)…

0000-7.5小時(shí)

1-無(wú) 0-導(dǎo)風(fēng)

1-無(wú) 0-冷風(fēng) 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)變量來決定。 當(dāng)系統(tǒng)處于開機(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 掃描序號(hào) 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(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)采樣的過程，判斷碼字是一個(gè)數(shù)據(jù)匹配的過程。 2.3 軟件設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題 （1）時(shí)間匹配 在主程序處理紅外碼流的檢測(cè)過程時(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)行掃描過程，因此會(huì)產(chǎn)生部分應(yīng)該點(diǎn)亮的指示燈沒有點(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，本文中的軟件開發(fā)模塊易于推廣成家電控制器的通用軟件模塊。