低成本嵌入式技術實現傳統家電的數字控制

引言

今天，家電生產商在產品中集成了比以往任何時候更為豐富的用戶可選功能、更好的用戶界面以及更高的安全性。同時，家電生產商也在尋求通過在線校準等方法來提高產品的可制造性。而目前在線校準仍然采用非常耗費時間的機械調整方法。當今的嵌入式控制器能夠為設計人員提供更為靈活的解決方案，幫助他們滿足這些不斷增加的要求。

因此，對于嵌入式半導體企業來說，家電市場正在飛速增長。此外，最近嵌入式微控制器(單片機)在系統級集成方面取得很大進展，從而使嵌入式微控制器解決方案的總體系統成本降到了能夠與機械或簡單模擬電路設計可比，甚至更為經濟的程度。

傳統家電設計

傳統上家電行業是機械控制方式的天下。例如，洗衣機中的循環定時器或者基本家電控制系統中的基本簡單模擬電路是整個系統的核心。

此類傳統機械和簡單模擬設計存在的問題是每個設計只針對一種應用，限制了硬件設計的可重用性。此外，此類傳統系統的功能通常很有限，用戶界面比較原始，經常是使用不方便。再加上生產線上煩瑣費時的機械校準要求，保證家電可靠性以及精度的總體成本變得很高。當今的家電設計工程師不僅要平衡易用性、總體系統成本、安全性和耐用性，同時還必須保證設計出的產品能夠在激烈的競爭中脫穎而出。特別是，現在的消費者對于家電的要求是功能豐富，并且節能。結合多年的機械和模擬電路設計經驗以及目前成本和功能上可行的低成本易用嵌入式微控制器，設計工程師可以滿足所有這些要求。

本文主要探討了一些基于最新嵌入式微控制器的數字解決方案，為家電設計工程師的產品設計提供更多選擇。首先，我們簡要討論一下什么是嵌入式控制以及嵌入式控制行業的發展趨勢。接著，我們討論嵌入式微控制器技術能夠為家電帶來的新功能。這些新功能包括改進基本的家電控制功能，更高的靈活性以及更友好的用戶界面。最后，本文還將討論如何在家電設計中將電子控制和機械部分完美結合起來，同時還將討論與新的環境因素相關的挑戰，以及家電設計的最新熱點一網絡和連接。

嵌入式控制技術

嵌入式控制是指利用嵌入在設備中的計算機(控制器)實現對洗衣機、熱水器、烤箱或其它家電設備的控制。嵌入式微控制器與桌面計算機系統中的微處理器類似，是嵌入式系統中的主要計算部件。不同之處是其擁有更多的輸入和輸出，可以用來“感知”外部世界的信息并做出“響應”。

目前存在多種類型的嵌入式微控制器，從最基本的4位器件直到增強型64位器件。而其中一些8位混合信號微控制器的內建外設和成本優勢使其非常適用于眾多嵌入式控制系統和新的家電設計。

嵌入式控制發展趨勢

嵌入式控制器市場中的一個持續趨勢是為工程師提供綜合嵌入式設計解決方案，幫助他們降低總體系統成本并改善可制造性。對于目前的眾多家電設計來說，功能豐富的8位嵌入式微控制器具有很高的成本效率。混合信號微控制器設計總體系統成本的降低以及功能的進步使得許多傳統的外部簡單模擬器件已經被整合到嵌入式微控制器中。這種集成使系統設計師可更好地組合利用數字控制器功能，以及模擬或機械器件。

這些新的綜合混合信號嵌入式控制器是傳統純數字處理器的進步發展。此類新器件中集成的板上模擬外設包括比較器、運算放大器、模擬數字轉換器、參考電壓源、脈寬調制器以及眾多通信外設。而所有這些都置于軟件的控制之下。

基本控制

通常，當提起微控制器中，首先想到的都是系統級控制、定時、數學計算器、數據存儲以及通信接口。微控制器的所有這些功能為家電設計人員提供了幾乎無限的新工具資源，從而可以改善家電產品的易用性和靈活性，同時還可以增強基本功能并滿足日益苛刻的安全要求。

這些嵌入式控制器支持增加定時事件，如當電費最低的時候打開洗碗機，或者利用先進的馬達驅動控制算法對家電的電動馬達進行動態電源管理。因此，許多家電的基本控制也已經達到一個新的水平。

用戶界面

嵌入式控制器可幫助設計工程師為家電消費者設計出更先進更易用的界面。現在的家電設計工程師需要面對大量的用戶輸入和反饋器件，它們提供實時的狀態更新，傳遞復雜的用戶選項或者為用戶提供危險警告。發光二極管(LED)已經被用于眾多家電設計中，但現在設計工程師走得更遠了一步，可以利用液晶顯示屏或七段LED顯示來顯示用戶友好的數碼和字母文本。

這些顯示技術，配合數字鍵盤甚至觸摸屏等輸入設備使用戶界面更直觀，更易于使用，同時還可以支持更復雜的任務。嵌入式微控制器甚至還可以利用警報音來獲得用戶有安全問題或輸入不正確，或者利用語音命令來完成輸入。

機械電子技術

機械電子技術是傳統機械和新出現的嵌入式微控制器數字控制技術的融合。通過將傳統的機械子系統轉換為基于數字和模擬的系統，機械電子技術為設計帶來了電子智能。與傳統機械或簡單模擬設計相比，機械電子系統可以更精確的進行控制和監測。

同時，管理部門的要求和消費者的期望推動了在電子技術在白色家電和廚房設備中的應用。電子學技術能夠以比機械方式高得多的精度和準確度測量和控制水溫、時間、渾濁度以及壓力。嵌入式微控制器輸出激勵控制繼電器、讀取開關值、激勵電路并監控系統故障，完成這些功能所需要的組件重量遠遠低于機械方式。

結合傳統機械系統的優點以及嵌入式微控制器的控制能力，設計人員可以滿足要求苛刻的家電行業的需求，同時還可以增強產品功能和性能，使設計出的產品能夠從競爭產品中脫穎而出。

環境因素

除了消費者需要功能更豐富的家電以外，政府管理要求、環境以及節約成本等因素也推動家電向更為節能的方向發展。這些要求有望使未來的家電更安全、更安靜、更節能和節水。

嵌入式微控制器可以監控家電設備的能源使用情況、噪聲水平、耗水情況以及其它影響環境的因素。現在，通過低成本嵌入式微控制器，家電設計工程師也可以分享到數字信號調理以及基于數學算法的控制系統(如功率因數校正和變頻算法)的進步。低成本嵌入式微控制器可以提供更可靠的設計和更智能的故障恢復性能，因此工程師可以設計出更安全的家電設備(如烤箱或烤爐)。

連接功能

連接功能是指家電設備的遠程通信能力，可以是接收故障排除診斷信息、改變家電設備設置，或者是集中控制能源使用情況。

計算機的存在提供了兩大主要優點：通信和數據存儲。通過提供多種通信能力，嵌入式控制技術為家電設計人員提供了這兩大特性。例如電力線控制(PLC)、紅外(IR)通信、因特網協議訪問(如TCP／IP)，甚至利用射頻(RF)技術的無線控制。結合這些功能以及嵌入式微控制器在非易失性存儲器中存儲信息的能力，設計工程師可以方便地實現系統診斷和校準、用戶使用跟蹤、系統級監控以及集中能源控制等系統的設計。

如果洗衣機能夠從生產商的服務中心下載診斷信息，甚至能夠遠程修正他們，不需要消費者在家里等上好多個小時等服務人員上門來檢查，那么該有多么棒啊。

嵌入式控制器提供的另一種形式的設備內連接是家電設備內不同模塊間的通信，不需要布成本高并且經常不可靠的線纜。例如，在用戶顯示板和洗衣機的馬達控制單元之間的連接。利用這種連接能力，設計人員還可以創建可在多個平臺上重利用的更為模塊化的設計。在現場維修時，維修人員也可以更容易地更換這些模塊。

這些潛在的功能增強有望將今天的家電設計提升到一個新的水平。家電以及家電產品子模塊之間互相通信實現節能，通過在線服務保證家電存放，以及通過與遠程維修服務中心的連接來保證可靠運轉。未來，消費者將會把這些功能做為基本的要求，就象今天消費者對于家庭或工作場所必須擁有寬帶或高速連接的要求一樣。

嵌入式控制器應用舉例

下面，我們來看一下利用嵌入式微處理器實現增強功能的一些非常基本的家電設計實例。首先，我們看一下傳統家用機械式溫度控制裝置以及嵌入式微控制器如何為此類家用電器的設計帶來革命。然后，我們再看一下小型低成本嵌入式微控制器如何為溫控電爐等設備增加基本的安全功能以及額外的控制精度。

機械式溫度控制

圖1是一個目前許多家庭中常見的典型機械式溫度控制裝置。完全機械式單元，沒有任何主動式電子器件。

圖2顯示的是該機械式溫度控制裝置的基本框圖，以及所有內部器件。通過左右滑動機械控制桿，用戶可以設置所需要的溫度。室溫反饋機制就是一個簡單的指釷指示器，連接到一個機械溫度傳感器來顯示溫度。一個類似的指示機構用來顯示用戶設定的溫度。隨著溫度升降，溫度控制裝置斷開或連接加熱單元的有線連接觸點，從而實現溫度控制。具體是利用一個雙金屬彈簧隨著室溫的變化而產生形變來實現的。在這一單元中，連接到彈簧的機械式溫度指針臂是給用戶的反饋。刻度盤用來顯示所設定的溫度，而觸點開關則是到加熱單元的輸出。

要將機械式設計轉換為基于嵌入式微控制器的解決方案，所有這些構建單元都必須利用電子器件來代替。

圖3就是一個嵌入式控制系統。用戶反饋通過LCD顯示屏，用戶輸入則采用上／下按鈕以及滑動開關，溫度測量利用低成本溫度傳感器實現，加熱單元控制則利用金屬氧化物半導體場效應三極管(MOSFET)開關實現。新的設計中，利用低成本嵌入式微控制器實現集中控制。

這一電子溫控器比機械式溫控器有以下方面的改進。

首先，利用LCD顯示屏顯示信息，用戶可以看到有關加熱系統的更詳細信息。包括設定的溫度、當前溫度、設備工作時的控制信息等等。

基于嵌入式微控制器的溫控器單元提供了更為準確的溫度測量和控制功能。同時還設計工程師還可充分利用現在數學控制算法來提高溫度控制精度。該硬件單元可以很方便地改造用于不同的溫控應用，因此消費者可以根據其功能和成本偏好來選擇合適的單元。簡單修改嵌入式微控制器軟件就可以實現更多增強功能，例如七天／多天定時器(相對于簡單的每天定時)，甚至可以實現“獨立區域控制”。

電爐等電炊具的溫度控制

電爐等電炊具的溫控開關是另一個很好的例子，簡單地增加一個極低成本的小型嵌入式微控制器就可以大幅提高設備的功能。

圖4顯示是一個目前廚房電炊具(如電爐、電煮鍋以及電炸鍋)中常用的典型可調節機械式溫控單元。該單元利用可調節的機械溫控器來調節電爐的熱量輸出。機械式溫控裝置的主要缺點包括必須在工廠進行機械校準，性能差，精度低，并且容易磨損。

圖4中的機械式電爐溫度控制單元可以容易地轉換為簡單的電子電路，如圖5所示，采用一個TRIAC(三端雙向可控硅)和一個電容性電源以及一個低成本微型控制器。與機械式溫控開關相比，可控硅控制電路的優點之一是可以實現更為精確的控制，因為加熱單元是以“開”和“關”的方式精確控制的，可以實現更好的溫度控制。這也意味著溫控單元不需要在工廠中校準，因為加熱單元的開并是按照嚴格的時間周期進行的。而且，即使長時間使用，電路也不容易磨損。

讓我們看一下這一電路的內部工作情況。這個基于嵌入式微控制器的電路采用相位或半波計數使TRIAC導通，從而使加熱單元工作。通過在每個半波的一部分時間內使TRIAC(TRCl)導通，可以實現相位控制，與脈寬調制(PWM)類似。該方法的優點是為負載提供功率的波型頻率沒有變化，仍然為交流電輸入頻率。控制加熱單元時，這一點并非必需的，但當用于燈光控制時卻是絕對必需的，因為人眼能夠感受到這種頻率變化。

對于加熱單元這樣的負載，嵌入式微控制器在交流電輸入波形的過零點開始使TRIAC導通整個周期。通過跳過半波周期來完成溫度或熱量控制。這一方法的優點是可幫助減輕電磁干擾(EMI)以及反饋到電源線的噪聲輻射。基于嵌入式微控制器的電爐還可以增加多種其它功能，而這些在采用機械式溫控開關時是不可能的。例如，對于用于煮或燉的電爐產品來說，沸騰點控制通常會滯后，但對于嵌入式設計，可以更準確地控制沸騰點。新設計還提供了安全功能，例如，當烹調完畢后，如果用戶忘記關閉電源，那么系統可以自動將其關閉，甚至還可以提醒用戶爐子仍在通電，整個電爐還是熱的。增加一個簡單的溫度傳感器就可以提供準確的溫度控制，同時利用數學算法還可以提高能源效率。

其它優勢

嵌入式微控制器不僅可以提高家用電器的整體性能和可靠性，而且還可幫助產品從競爭中脫穎而出。例如，不僅僅局限于提供功能有限、成本具有競爭力的電爐產品，通過在家電產品中利用嵌入式微控制器，家電生產商還可以提供具有更高能源效率以及安全功能的產品。基于嵌入式微控制器的新設計還支持設計基于同樣同樣硬件設計的多種平臺產品，功能差異通過嵌入式微控制器軟件編碼實現。

基于嵌入式微控制器的智能電路還可改善家電產品的可制造性，減少了生產線上機械器件成本高昂且耗時的校正過程。同時，今天的消費者對于環境問題更為關注。再加上新的政府管制要求，對于安全和環境友好的要求也越來越高。

結語

今天的家電設計人員面臨很大壓力，要開發出能耗低、功能豐富的可靠產品才能夠滿足不斷增長的客戶需求。半導體技術行業的發展，特別是嵌入式微控制器市場上的進步為設計工程師提供了設計靈活系統解決方案所需要的條件。利用8位嵌入式微控制器上集成的多種功能，工程師可以開發出成本更低的系統，同時滿足不斷增長的客戶需求。在家電設計中增加嵌入式微控制器不僅提高了控制精度、以及更多可定制選項，同時還改善了產品可靠性、可制造性并且可更容易滿足政府管理要求。

當今的混合信號嵌入式微控制器帶有廣泛的片上模擬和數字外設，可幫助降低總體系統成本。這些外設為家電設計人員提供了更好的途徑來獲得更大的設計靈活性，包括在家電設計中實現易用的界面、通信功能以及板上數據存儲。所有這些功能都有助于降低總體系統成本以及產品售后支持，同時還提供了與汽車類似的高級家電診斷能力。因此在開始下一個家電設計項目之前，一定要花點時間仔細考察一下可用的嵌入式微控制器解決方案。