低成本嵌入式技术实现传统家电的数字控制

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引言

今天，家电生产商在产品中集成了比以往任何时候更为丰富的用户可选功能、更好的用户界面以及更高的安全性。同时，家电生产商也在寻求通过在线校准等方法来提高产品的可制造性。而目前在线校准仍然采用非常耗费时间的机械调整方法。当今的嵌入式控制器能够为设计人员提供更为灵活的解决方案，帮助他们满足这些不断增加的要求。

因此，对于嵌入式半导体企业来说，家电市场正在飞速增长。此外，最近嵌入式微控制器(单片机)在系统级集成方面取得很大进展，从而使嵌入式微控制器解决方案的总体系统成本降到了能够与机械或简单模拟电路设计可比，甚至更为经济的程度。

传统家电设计

传统上家电行业是机械控制方式的天下。例如，洗衣机中的循环定时器或者基本家电控制系统中的基本简单模拟电路是整个系统的核心。

此类传统机械和简单模拟设计存在的问题是每个设计只针对一种应用，限制了硬件设计的可重用性。此外，此类传统系统的功能通常很有限，用户界面比较原始，经常是使用不方便。再加上生产线上烦琐费时的机械校准要求，保证家电可靠性以及精度的总体成本变得很高。当今的家电设计工程师不仅要平衡易用性、总体系统成本、安全性和耐用性，同时还必须保证设计出的产品能够在激烈的竞争中脱颖而出。特别是，现在的消费者对于家电的要求是功能丰富，并且节能。结合多年的机械和模拟电路设计经验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，设计工程师可以满足所有这些要求。

本文主要探讨了一些基于最新嵌入式微控制器的数字解决方案，为家电设计工程师的产品设计提供更多选择。首先，我们简要讨论一下什么是嵌入式控制以及嵌入式控制行业的发展趋势。接着，我们讨论嵌入式微控制器技术能够为家电带来的新功能。这些新功能包括改进基本的家电控制功能，更高的灵活性以及更友好的用户界面。最后，本文还将讨论如何在家电设计中将电子控制和机械部分完美结合起来，同时还将讨论与新的环境因素相关的挑战，以及家电设计的最新热点一网络和连接。

嵌入式控制技术

嵌入式控制是指利用嵌入在设备中的计算机(控制器)实现对洗衣机、热水器、烤箱或其它家电设备的控制。嵌入式微控制器与桌面计算机系统中的微处理器类似，是嵌入式系统中的主要计算部件。不同之处是其拥有更多的输入和输出，可以用来“感知”外部世界的信息并做出“响应”。

目前存在多种类型的嵌入式微控制器，从最基本的4位器件直到增强型64位器件。而其中一些8位混合信号微控制器的内建外设和成本优势使其非常适用于众多嵌入式控制系统和新的家电设计。

嵌入式控制发展趋势

嵌入式控制器市场中的一个持续趋势是为工程师提供综合嵌入式设计解决方案，帮助他们降低总体系统成本并改善可制造性。对于目前的众多家电设计来说，功能丰富的8位嵌入式微控制器具有很高的成本效率。混合信号微控制器设计总体系统成本的降低以及功能的进步使得许多传统的外部简单模拟器件已经被整合到嵌入式微控制器中。这种集成使系统设计师可更好地组合利用数字控制器功能，以及模拟或机械器件。

这些新的综合混合信号嵌入式控制器是传统纯数字处理器的进步发展。此类新器件中集成的板上模拟外设包括比较器、运算放大器、模拟数字转换器、参考电压源、脉宽调制器以及众多通信外设。而所有这些都置于软件的控制之下。

基本控制

通常，当提起微控制器中，首先想到的都是系统级控制、定时、数学计算器、数据存储以及通信接口。微控制器的所有这些功能为家电设计人员提供了几乎无限的新工具资源，从而可以改善家电产品的易用性和灵活性，同时还可以增强基本功能并满足日益苛刻的安全要求。

这些嵌入式控制器支持增加定时事件，如当电费最低的时候打开洗碗机，或者利用先进的马达驱动控制算法对家电的电动马达进行动态电源管理。因此，许多家电的基本控制也已经达到一个新的水平。

用户界面

嵌入式控制器可帮助设计工程师为家电消费者设计出更先进更易用的界面。现在的家电设计工程师需要面对大量的用户输入和反馈器件，它们提供实时的状态更新，传递复杂的用户选项或者为用户提供危险警告。发光二极管(LED)已经被用于众多家电设计中，但现在设计工程师走得更远了一步，可以利用液晶显示屏或七段LED显示来显示用户友好的数码和字母文本。

这些显示技术，配合数字键盘甚至触摸屏等输入设备使用户界面更直观，更易于使用，同时还可以支持更复杂的任务。嵌入式微控制器甚至还可以利用警报音来获得用户有安全问题或输入不正确，或者利用语音命令来完成输入。

机械电子技术

机械电子技术是传统机械和新出现的嵌入式微控制器数字控制技术的融合。通过将传统的机械子系统转换为基于数字和模拟的系统，机械电子技术为设计带来了电子智能。与传统机械或简单模拟设计相比，机械电子系统可以更精确的进行控制和监测。

同时，管理部门的要求和消费者的期望推动了在电子技术在白色家电和厨房设备中的应用。电子学技术能够以比机械方式高得多的精度和准确度测量和控制水温、时间、浑浊度以及压力。嵌入式微控制器输出激励控制继电器、读取开关值、激励电路并监控系统故障，完成这些功能所需要的组件重量远远低于机械方式。

结合传统机械系统的优点以及嵌入式微控制器的控制能力，设计人员可以满足要求苛刻的家电行业的需求，同时还可以增强产品功能和性能，使设计出的产品能够从竞争产品中脱颖而出。

环境因素

除了消费者需要功能更丰富的家电以外，政府管理要求、环境以及节约成本等因素也推动家电向更为节能的方向发展。这些要求有望使未来的家电更安全、更安静、更节能和节水。

嵌入式微控制器可以监控家电设备的能源使用情况、噪声水平、耗水情况以及其它影响环境的因素。现在，通过低成本嵌入式微控制器，家电设计工程师也可以分享到数字信号调理以及基于数学算法的控制系统(如功率因数校正和变频算法)的进步。低成本嵌入式微控制器可以提供更可靠的设计和更智能的故障恢复性能，因此工程师可以设计出更安全的家电设备(如烤箱或烤炉)。

连接功能

连接功能是指家电设备的远程通信能力，可以是接收故障排除诊断信息、改变家电设备设置，或者是集中控制能源使用情况。

计算机的存在提供了两大主要优点：通信和数据存储。通过提供多种通信能力，嵌入式控制技术为家电设计人员提供了这两大特性。例如电力线 控制(PLC)、红外(IR)通信、因特网协议访问(如TCP／IP)，甚至利用射频(RF)技术的无线控制。结合这些功能以及嵌入式微控制器在非易失性存储器中存储信息的能力，设计工程师可以方便地实现系统诊断和校准、用户使用跟踪、系统级监控以及集中能源控制等系统的设计。

如果洗衣机能够从生产商的服务中心下载诊断信息，甚至能够远程修正他们，不需要消费者在家里等上好多个小时等服务人员上门来检查，那么该有多么棒啊。

嵌入式控制器提供的另一种形式的设备内连接是家电设备内不同模块间的通信，不需要布成本高并且经常不可靠的线缆。例如，在用户显示板和洗衣机的马达控制单元之间的连接。利用这种连接能力，设计人员还可以创建可在多个平台上重利用的更为模块化的设计。在现场维修时，维修人员也可以更容易地更换这些模块。

这些潜在的功能增强有望将今天的家电设计提升到一个新的水平。家电以及家电产品子模块之间互相通信实现节能，通过在线服务保证家电存放，以及通过与远程维修服务中心的连接来保证可靠运转。未来，消费者将会把这些功能做为基本的要求，就象今天消费者对于家庭或工作场所必须拥有宽带或高速连接的要求一样。

嵌入式控制器应用举例

下面，我们来看一下利用嵌入式微处理器实现增强功能的一些非常基本的家电设计实例。首先，我们看一下传统家用机械式温度控制装置以及嵌入式微控制器如何为此类家用电器的设计带来革命。然后，我们再看一下小型低成本嵌入式微控制器如何为温控电炉等设备增加基本的安全功能以及额外的控制精度。

机械式温度控制

图1是一个目前许多家庭中常见的典型机械式温度控制装置。完全机械式单元，没有任何主动式电子器件。

图2显示的是该机械式温度控制装置的基本框图，以及所有内部器件。通过左右滑动机械控制杆，用户可以设置所需要的温度。室温反馈机制就是一个简单的指钍指示器，连接到一个机械温度传感器来显示温度。一个类似的指示机构用来显示用户设定的温度。随着温度升降，温度控制装置断开或连接加热单元的有线连接触点，从而实现温度控制。具体是利用一个双金属弹簧随着室温的变化而产生形变来实现的。在这一单元中，连接到弹簧的机械式温度指针臂是给用户的反馈。刻度盘用来显示所设定的温度，而触点开关则是到加热单元的输出。

要将机械式设计转换为基于嵌入式微控制器的解决方案，所有这些构建单元都必须利用电子器件来代替。

图3就是一个嵌入式控制系统。用户反馈通过LCD显示屏，用户输入则采用上／下按钮以及滑动开关，温度测量利用低成本温度传感器实现，加热单元控制则利用金属氧化物半导体场效应三极管(MOSFET)开关实现。新的设计中，利用低成本嵌入式微控制器实现集中控制。

这一电子温控器比机械式温控器有以下方面的改进。

首先，利用LCD显示屏显示信息，用户可以看到有关加热系统的更详细信息。包括设定的温度、当前温度、设备工作时的控制信息等等。

基于嵌入式微控制器的温控器单元提供了更为准确的温度测量和控制功能。同时还设计工程师还可充分利用现在数学控制算法来提高温度控制精度。该硬件单元可以很方便地改造用于不同的温控应用，因此消费者可以根据其功能和成本偏好来选择合适的单元。简单修改嵌入式微控制器软件就可以实现更多增强功能，例如七天／多天定时器(相对于简单的每天定时)，甚至可以实现“独立区域控制”。

电炉等电炊具的温度控制

电炉等电炊具的温控开关是另一个很好的例子，简单地增加一个极低成本的小型嵌入式微控制器就可以大幅提高设备的功能。

图4显示是一个目前厨房电炊具(如电炉、电煮锅以及电炸锅)中常用的典型可调节机械式温控单元。该单元利用可调节的机械温控器来调节电炉的热量输出。机械式温控装置的主要缺点包括必须在工厂进行机械校准，性能差，精度低，并且容易磨损。

图4中的机械式电炉温度控制单元可以容易地转换为简单的电子电路，如图5所示，采用一个TRIAC(三端双向可控硅)和一个电容性电源以及一个低成本微型控制器。与机械式温控开关相比，可控硅控制电路的优点之一是可以实现更为精确的控制，因为加热单元是以“开”和“关”的方式精确控制的，可以实现更好的温度控制。这也意味着温控单元不需要在工厂中校准，因为加热单元的开并是按照严格的时间周期进行的。而且，即使长时间使用，电路也不容易磨损。

让我们看一下这一电路的内部工作情况。这个基于嵌入式微控制器的电路采用相位或半波计数使TRIAC导通，从而使加热单元工作。通过在每个半波的一部分时间内使TRIAC(TRCl)导通，可以实现相位控制，与脉宽调制(PWM)类似。该方法的优点是为负载提供功率的波型频率没有变化，仍然为交流电输入频率。控制加热单元时，这一点并非必需的，但当用于灯光控制时却是绝对必需的，因为人眼能够感受到这种频率变化。

对于加热单元这样的负载，嵌入式微控制器在交流电输入波形的过零点开始使TRIAC导通整个周期。通过跳过半波周期来完成温度或热量控制。这一方法的优点是可帮助减轻电磁干扰(EMI)以及反馈到电源线的噪声辐射。基于嵌入式微控制器的电炉还可以增加多种其它功能，而这些在采用机械式温控开关时是不可能的。例如，对于用于煮或炖的电炉产品来说，沸腾点控制通常会滞后，但对于嵌入式设计，可以更准确地控制沸腾点。新设计还提供了安全功能，例如，当烹调完毕后，如果用户忘记关闭电源，那么系统可以自动将其关闭，甚至还可以提醒用户炉子仍在通电，整个电炉还是热的。增加一个简单的温度传感器就可以提供准确的温度控制，同时利用数学算法还可以提高能源效率。

其它优势

嵌入式微控制器不仅可以提高家用电器的整体性能和可靠性，而且还可帮助产品从竞争中脱颖而出。例如，不仅仅局限于提供功能有限、成本具有竞争力的电炉产品，通过在家电产品中利用嵌入式微控制器，家电生产商还可以提供具有更高能源效率以及安全功能的产品。基于嵌入式微控制器的新设计还支持设计基于同样同样硬件设计的多种平台产品，功能差异通过嵌入式微控制器软件编码实现。

基于嵌入式微控制器的智能电路还可改善家电产品的可制造性，减少了生产线上机械器件成本高昂且耗时的校正过程。同时，今天的消费者对于环境问题更为关注。再加上新的政府管制要求，对于安全和环境友好的要求也越来越高。

结语

今天的家电设计人员面临很大压力，要开发出能耗低、功能丰富的可靠产品才能够满足不断增长的客户需求。半导体技术行业的发展，特别是嵌入式微控制器市场上的进步为设计工程师提供了设计灵活系统解决方案所需要的条件。利用8位嵌入式微控制器上集成的多种功能，工程师可以开发出成本更低的系统，同时满足不断增长的客户需求。在家电设计中增加嵌入式微控制器不仅提高了控制精度、以及更多可定制选项，同时还改善了产品可靠性、可制造性并且可更容易满足政府管理要求。

当今的混合信号嵌入式微控制器带有广泛的片上模拟和数字外设，可帮助降低总体系统成本。这些外设为家电设计人员提供了更好的途径来获得更大的设计灵活性，包括在家电设计中实现易用的界面、通信功能以及板上数据存储。所有这些功能都有助于降低总体系统成本以及产品售后支持，同时还提供了与汽车类似的高级家电诊断能力。因此在开始下一个家电设计项目之前，一定要花点时间仔细考察一下可用的嵌入式微控制器解决方案。