引言

今天，家電生產(chǎn)商在產(chǎn)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(chǎn)商也在尋求通過在線校準(zhǔn)等方法來提高產(chǎn)品的可制造性。而目前在線校準(zhǔn)仍然采用非常耗費(fèi)時間的機(jī)械調(diào)整方法。當(dāng)今的嵌入式控制器能夠為設(shè)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(dǎo)體企業(yè)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(jī))在系統(tǒng)級集成方面取得很大進(jìn)展，從而使嵌入式微控制器解決方案的總體系統(tǒng)成本降到了能夠與機(jī)械或簡單模擬電路設(shè)計可比，甚至更為經(jīng)濟(jì)的程度。

傳統(tǒng)家電設(shè)計

傳統(tǒng)上家電行業(yè)是機(jī)械控制方式的天下。例如，洗衣機(jī)中的循環(huán)定時器或者基本家電控制系統(tǒng)中的基本簡單模擬電路是整個系統(tǒng)的核心。

此類傳統(tǒng)機(jī)械和簡單模擬設(shè)計存在的問題是每個設(shè)計只針對一種應(yīng)用，限制了硬件設(shè)計的可重用性。此外，此類傳統(tǒng)系統(tǒng)的功能通常很有限，用戶界面比較原始，經(jīng)常是使用不方便。再加上生產(chǎn)線上煩瑣費(fèi)時的機(jī)械校準(zhǔn)要求，保證家電可靠性以及精度的總體成本變得很高。當(dāng)今的家電設(shè)計工程師不僅要平衡易用性、總體系統(tǒng)成本、安全性和耐用性，同時還必須保證設(shè)計出的產(chǎn)品能夠在激烈的競爭中脫穎而出。特別是，現(xiàn)在的消費(fèi)者對于家電的要求是功能豐富，并且節(jié)能。結(jié)合多年的機(jī)械和模擬電路設(shè)計經(jīng)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(shè)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(shù)字解決方案，為家電設(shè)計工程師的產(chǎn)品設(shè)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(yè)的發(fā)展趨勢。接著，我們討論嵌入式微控制器技術(shù)能夠為家電帶來的新功能。這些新功能包括改進(jìn)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(shè)計中將電子控制和機(jī)械部分完美結(jié)合起來，同時還將討論與新的環(huán)境因素相關(guān)的挑戰(zhàn)，以及家電設(shè)計的最新熱點(diǎn)一網(wǎng)絡(luò)和連接。

嵌入式控制技術(shù)

嵌入式控制是指利用嵌入在設(shè)備中的計算機(jī)(控制器)實現(xiàn)對洗衣機(jī)、熱水器、烤箱或其它家電設(shè)備的控制。嵌入式微控制器與桌面計算機(jī)系統(tǒng)中的微處理器類似，是嵌入式系統(tǒng)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(yīng)”。

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(qiáng)型64位器件。而其中一些8位混合信號微控制器的內(nèi)建外設(shè)和成本優(yōu)勢使其非常適用于眾多嵌入式控制系統(tǒng)和新的家電設(shè)計。

嵌入式控制發(fā)展趨勢

嵌入式控制器市場中的一個持續(xù)趨勢是為工程師提供綜合嵌入式設(shè)計解決方案，幫助他們降低總體系統(tǒng)成本并改善可制造性。對于目前的眾多家電設(shè)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?；旌闲盘栁⒖刂破髟O(shè)計總體系統(tǒng)成本的降低以及功能的進(jìn)步使得許多傳統(tǒng)的外部簡單模擬器件已經(jīng)被整合到嵌入式微控制器中。這種集成使系統(tǒng)設(shè)計師可更好地組合利用數(shù)字控制器功能，以及模擬或機(jī)械器件。

這些新的綜合混合信號嵌入式控制器是傳統(tǒng)純數(shù)字處理器的進(jìn)步發(fā)展。此類新器件中集成的板上模擬外設(shè)包括比較器、運(yùn)算放大器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、參考電壓源、脈寬調(diào)制器以及眾多通信外設(shè)。而所有這些都置于軟件的控制之下。

基本控制

通常，當(dāng)提起微控制器中，首先想到的都是系統(tǒng)級控制、定時、數(shù)學(xué)計算器、數(shù)據(jù)存儲以及通信接口。微控制器的所有這些功能為家電設(shè)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(chǎn)品的易用性和靈活性，同時還可以增強(qiáng)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(dāng)電費(fèi)最低的時候打開洗碗機(jī)，或者利用先進(jìn)的馬達(dá)驅(qū)動控制算法對家電的電動馬達(dá)進(jìn)行動態(tài)電源管理。因此，許多家電的基本控制也已經(jīng)達(dá)到一個新的水平。

用戶界面

嵌入式控制器可幫助設(shè)計工程師為家電消費(fèi)者設(shè)計出更先進(jìn)更易用的界面?，F(xiàn)在的家電設(shè)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(tài)更新，傳遞復(fù)雜的用戶選項或者為用戶提供危險警告。發(fā)光二極管(LED)已經(jīng)被用于眾多家電設(shè)計中，但現(xiàn)在設(shè)計工程師走得更遠(yuǎn)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(shù)碼和字母文本。

這些顯示技術(shù)，配合數(shù)字鍵盤甚至觸摸屏等輸入設(shè)備使用戶界面更直觀，更易于使用，同時還可以支持更復(fù)雜的任務(wù)。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(jī)械電子技術(shù)

機(jī)械電子技術(shù)是傳統(tǒng)機(jī)械和新出現(xiàn)的嵌入式微控制器數(shù)字控制技術(shù)的融合。通過將傳統(tǒng)的機(jī)械子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為基于數(shù)字和模擬的系統(tǒng)，機(jī)械電子技術(shù)為設(shè)計帶來了電子智能。與傳統(tǒng)機(jī)械或簡單模擬設(shè)計相比，機(jī)械電子系統(tǒng)可以更精確的進(jìn)行控制和監(jiān)測。

同時，管理部門的要求和消費(fèi)者的期望推動了在電子技術(shù)在白色家電和廚房設(shè)備中的應(yīng)用。電子學(xué)技術(shù)能夠以比機(jī)械方式高得多的精度和準(zhǔn)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(guān)值、激勵電路并監(jiān)控系統(tǒng)故障，完成這些功能所需要的組件重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機(jī)械方式。

結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)以及嵌入式微控制器的控制能力，設(shè)計人員可以滿足要求苛刻的家電行業(yè)的需求，同時還可以增強(qiáng)產(chǎn)品功能和性能，使設(shè)計出的產(chǎn)品能夠從競爭產(chǎn)品中脫穎而出。

環(huán)境因素

除了消費(fèi)者需要功能更豐富的家電以外，政府管理要求、環(huán)境以及節(jié)約成本等因素也推動家電向更為節(jié)能的方向發(fā)展。這些要求有望使未來的家電更安全、更安靜、更節(jié)能和節(jié)水。

嵌入式微控制器可以監(jiān)控家電設(shè)備的能源使用情況、噪聲水平、耗水情況以及其它影響環(huán)境的因素?，F(xiàn)在，通過低成本嵌入式微控制器，家電設(shè)計工程師也可以分享到數(shù)字信號調(diào)理以及基于數(shù)學(xué)算法的控制系統(tǒng)(如功率因數(shù)校正和變頻算法)的進(jìn)步。低成本嵌入式微控制器可以提供更可靠的設(shè)計和更智能的故障恢復(fù)性能，因此工程師可以設(shè)計出更安全的家電設(shè)備(如烤箱或烤爐)。

連接功能

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

計算機(jī)的存在提供了兩大主要優(yōu)點(diǎn)：通信和數(shù)據(jù)存儲。通過提供多種通信能力，嵌入式控制技術(shù)為家電設(shè)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(wǎng)協(xié)議訪問(如TCP／IP)，甚至利用射頻(RF)技術(shù)的無線控制。結(jié)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(shè)計工程師可以方便地實現(xiàn)系統(tǒng)診斷和校準(zhǔn)、用戶使用跟蹤、系統(tǒng)級監(jiān)控以及集中能源控制等系統(tǒng)的設(shè)計。

如果洗衣機(jī)能夠從生產(chǎn)商的服務(wù)中心下載診斷信息，甚至能夠遠(yuǎn)程修正他們，不需要消費(fèi)者在家里等上好多個小時等服務(wù)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(shè)備內(nèi)連接是家電設(shè)備內(nèi)不同模塊間的通信，不需要布成本高并且經(jīng)常不可靠的線纜。例如，在用戶顯示板和洗衣機(jī)的馬達(dá)控制單元之間的連接。利用這種連接能力，設(shè)計人員還可以創(chuàng)建可在多個平臺上重利用的更為模塊化的設(shè)計。在現(xiàn)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(qiáng)有望將今天的家電設(shè)計提升到一個新的水平。家電以及家電產(chǎn)品子模塊之間互相通信實現(xiàn)節(jié)能，通過在線服務(wù)保證家電存放，以及通過與遠(yuǎn)程維修服務(wù)中心的連接來保證可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。未來，消費(fèi)者將會把這些功能做為基本的要求，就象今天消費(fèi)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(yīng)用舉例

下面，我們來看一下利用嵌入式微處理器實現(xiàn)增強(qiáng)功能的一些非?；镜募译娫O(shè)計實例。首先，我們看一下傳統(tǒng)家用機(jī)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(shè)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(shè)備增加基本的安全功能以及額外的控制精度。

機(jī)械式溫度控制

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

圖2顯示的是該機(jī)械式溫度控制裝置的基本框圖，以及所有內(nèi)部器件。通過左右滑動機(jī)械控制桿，用戶可以設(shè)置所需要的溫度。室溫反饋機(jī)制就是一個簡單的指釷指示器，連接到一個機(jī)械溫度傳感器來顯示溫度。一個類似的指示機(jī)構(gòu)用來顯示用戶設(shè)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(diǎn)，從而實現(xiàn)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(chǎn)生形變來實現(xiàn)的。在這一單元中，連接到彈簧的機(jī)械式溫度指針臂是給用戶的反饋?？潭缺P用來顯示所設(shè)定的溫度，而觸點(diǎn)開關(guān)則是到加熱單元的輸出。

要將機(jī)械式設(shè)計轉(zhuǎn)換為基于嵌入式微控制器的解決方案，所有這些構(gòu)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(tǒng)。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(guān)，溫度測量利用低成本溫度傳感器實現(xiàn)，加熱單元控制則利用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)三極管(MOSFET)開關(guān)實現(xiàn)。新的設(shè)計中，利用低成本嵌入式微控制器實現(xiàn)集中控制。

這一電子溫控器比機(jī)械式溫控器有以下方面的改進(jìn)。

首先，利用LCD顯示屏顯示信息，用戶可以看到有關(guān)加熱系統(tǒng)的更詳細(xì)信息。包括設(shè)定的溫度、當(dāng)前溫度、設(shè)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(zhǔn)確的溫度測量和控制功能。同時還設(shè)計工程師還可充分利用現(xiàn)在數(shù)學(xué)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(yīng)用，因此消費(fèi)者可以根據(jù)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(xiàn)更多增強(qiáng)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(xiàn)“獨(dú)立區(qū)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(guān)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(shè)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(diào)節(jié)機(jī)械式溫控單元。該單元利用可調(diào)節(jié)的機(jī)械溫控器來調(diào)節(jié)電爐的熱量輸出。機(jī)械式溫控裝置的主要缺點(diǎn)包括必須在工廠進(jìn)行機(jī)械校準(zhǔn)，性能差，精度低，并且容易磨損。

圖4中的機(jī)械式電爐溫度控制單元可以容易地轉(zhuǎn)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(jī)械式溫控開關(guān)相比，可控硅控制電路的優(yōu)點(diǎn)之一是可以實現(xiàn)更為精確的控制，因為加熱單元是以“開”和“關(guān)”的方式精確控制的，可以實現(xiàn)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(zhǔn)，因為加熱單元的開并是按照嚴(yán)格的時間周期進(jìn)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(nèi)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(shù)使TRIAC導(dǎo)通，從而使加熱單元工作。通過在每個半波的一部分時間內(nèi)使TRIAC(TRCl)導(dǎo)通，可以實現(xiàn)相位控制，與脈寬調(diào)制(PWM)類似。該方法的優(yōu)點(diǎn)是為負(fù)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(diǎn)并非必需的，但當(dāng)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(fù)載，嵌入式微控制器在交流電輸入波形的過零點(diǎn)開始使TRIAC導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)是可幫助減輕電磁干擾(EMI)以及反饋到電源線的噪聲輻射?；谇度胧轿⒖刂破鞯碾姞t還可以增加多種其它功能，而這些在采用機(jī)械式溫控開關(guān)時是不可能的。例如，對于用于煮或燉的電爐產(chǎn)品來說，沸騰點(diǎn)控制通常會滯后，但對于嵌入式設(shè)計，可以更準(zhǔn)確地控制沸騰點(diǎn)。新設(shè)計還提供了安全功能，例如，當(dāng)烹調(diào)完畢后，如果用戶忘記關(guān)閉電源，那么系統(tǒng)可以自動將其關(guān)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(zhǔn)確的溫度控制，同時利用數(shù)學(xué)算法還可以提高能源效率。

其它優(yōu)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(chǎn)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(chǎn)品，通過在家電產(chǎn)品中利用嵌入式微控制器，家電生產(chǎn)商還可以提供具有更高能源效率以及安全功能的產(chǎn)品?；谇度胧轿⒖刂破鞯男略O(shè)計還支持設(shè)計基于同樣同樣硬件設(shè)計的多種平臺產(chǎn)品，功能差異通過嵌入式微控制器軟件編碼實現(xiàn)。

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

結(jié)語

今天的家電設(shè)計人員面臨很大壓力，要開發(fā)出能耗低、功能豐富的可靠產(chǎn)品才能夠滿足不斷增長的客戶需求。半導(dǎo)體技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，特別是嵌入式微控制器市場上的進(jìn)步為設(shè)計工程師提供了設(shè)計靈活系統(tǒng)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(fā)出成本更低的系統(tǒng)，同時滿足不斷增長的客戶需求。在家電設(shè)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(chǎn)品可靠性、可制造性并且可更容易滿足政府管理要求。

當(dāng)今的混合信號嵌入式微控制器帶有廣泛的片上模擬和數(shù)字外設(shè)，可幫助降低總體系統(tǒng)成本。這些外設(shè)為家電設(shè)計人員提供了更好的途徑來獲得更大的設(shè)計靈活性，包括在家電設(shè)計中實現(xiàn)易用的界面、通信功能以及板上數(shù)據(jù)存儲。所有這些功能都有助于降低總體系統(tǒng)成本以及產(chǎn)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(shè)計項目之前，一定要花點(diǎn)時間仔細(xì)考察一下可用的嵌入式微控制器解決方案。