基于dsPIC20F單片機(jī)在智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳駿

摘要：針對(duì)現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將dsPIC20F芯片單片機(jī)作為核心，設(shè)計(jì)了智能家居控制系統(tǒng)。首先，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析;之后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件平臺(tái)，主要包括主機(jī)通訊程序、E2PROM操作、關(guān)主電機(jī)、開關(guān)電機(jī)、軟件控制程序等設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)能夠提高電機(jī)控制效率，對(duì)整體控制體系進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)比傳統(tǒng)方法，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，并且使用方便。

關(guān)鍵詞：嵌入式單片機(jī)智能家居控制系統(tǒng)

目前智能家居中廣泛使用控制系統(tǒng)，所以此方面?zhèn)涫軐I(yè)人士的重視。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制是利用模擬器實(shí)現(xiàn)的，雖然結(jié)構(gòu)比較簡單，但是具有較強(qiáng)的造作性，成本也比較低。但是其控制工作可靠程度比較低，并且對(duì)完善及升級(jí)都是非常不利的。以此，人們就開始通過數(shù)字化代替?zhèn)鹘y(tǒng)方式，并且改進(jìn)控制系統(tǒng)。利用嵌入式單片機(jī)控制電機(jī)，是通過目前數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作控制的簡單化操作，并且還能夠使系統(tǒng)性能得到提高。因此，本文就基于dsPIC20F單片機(jī)在智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的使用進(jìn)行分析。

1控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了能夠有效完善控制系統(tǒng)的功能，就要利用單片機(jī)控制功能實(shí)現(xiàn)，本文利用dsPIC20F芯片實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，此芯片能夠通過單片機(jī)結(jié)合DSP技術(shù)，具有較高的性能，為十六位數(shù)字信號(hào)控制器。利用此技術(shù)芯片外圍設(shè)備豐富的功能，對(duì)于信息中斷情況的反應(yīng)比較快，并且使用高性能計(jì)算能力處理器。

圖l為使用dsPIC20F芯片單片機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析電機(jī)控制系統(tǒng)，工作流程主要包括：利用系統(tǒng)中感應(yīng)器感應(yīng)電子轉(zhuǎn)子的位置，并且利用控制芯片進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算的結(jié)果傳輸?shù)较鄳?yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊中。因?yàn)榭刂菩酒袑?shí)現(xiàn)控制指令的設(shè)定，其能夠?qū)⒅付ㄐ盘?hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在完成此工作之后，還要以不同的工作環(huán)境對(duì)轉(zhuǎn)換角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此過程就是控制芯片通過感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子信號(hào)的傳遞，通過和設(shè)置速度進(jìn)行對(duì)比，能夠得出兩者轉(zhuǎn)速的差，使其朝著相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，傳遞到控制芯片?？刂菩酒ㄟ^接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制指令的發(fā)送并且轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)信號(hào)對(duì)控制芯片進(jìn)行傳遞，控制芯片以接收的信號(hào)發(fā)送控制指令，對(duì)電機(jī)進(jìn)行反饋，以此有效實(shí)現(xiàn)完整控制過程。

霍爾元件的安裝為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的基礎(chǔ)，此電路的實(shí)現(xiàn)是通過位置傳感器進(jìn)行的。傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行測(cè)定，工作的流程為：通過靜止及轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分構(gòu)成傳感器，固定電機(jī)座的部分屬于靜止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)子中為轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，和轉(zhuǎn)子的頻率相同。利用遮光盤變化能夠使感應(yīng)器出現(xiàn)高低不同的信號(hào)，以此具備轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的信息，通過感應(yīng)器傳輸信號(hào)的不同精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極定位。使用霍爾傳感器能夠檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制并且調(diào)整，使電機(jī)控制系統(tǒng)精準(zhǔn)性及工作可靠性進(jìn)行保證。

驅(qū)動(dòng)電路中的核心構(gòu)件主要包括控制器、功率變換器及電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過伺服電機(jī)、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。永磁直流電機(jī)的使用較為廣泛，不僅能夠?qū)⒅绷麟娫磳?shí)現(xiàn)，還具有良好的性能，控制較為簡單。本文使用數(shù)字集成芯片LMD18200直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路，其中集成了CMOS和DMOS功率器，其指的是專門在直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件，此芯片在正常工作的時(shí)候電流為3A，瞬間驅(qū)動(dòng)電流為6A，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。另外，此芯片內(nèi)部電路還能夠?qū)崿F(xiàn)過流保護(hù)，在給定電壓以后對(duì)輸出端電壓進(jìn)行對(duì)比。如果輸出端電壓要高于給定電壓，那么就會(huì)具備降壓措施，以此能夠進(jìn)行過流保護(hù)。

2控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1軟件功能劃分

在平常操作的過程中大部分都是使用系統(tǒng)uClinux實(shí)現(xiàn)操作，此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，因?yàn)槠渚邆洳僮鞫嗳蝿?wù)程序，系統(tǒng)任務(wù)終端和其實(shí)時(shí)性具有密切的關(guān)系對(duì)pClinux任務(wù)調(diào)度函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，用戶就能夠從準(zhǔn)備任務(wù)中實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)度，尋找最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)切換操作。和電機(jī)實(shí)際控制具體需求進(jìn)行結(jié)合，根據(jù)基本任務(wù)規(guī)劃原則，使應(yīng)用軟件劃分成為以下：

其一，人機(jī)交互功能。實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及溫度顯示器的顯示;

其二，具備超前預(yù)防性。保護(hù)電機(jī)，如果出現(xiàn)故障就會(huì)報(bào)警;

其三，具有較強(qiáng)的測(cè)控性。在數(shù)據(jù)測(cè)控中的可靠性較強(qiáng)，具有較高的實(shí)時(shí)操作性，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2軟件控制程序的設(shè)計(jì)

對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)任務(wù)來說，收集本地?cái)?shù)據(jù)程序能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)。以不同的實(shí)際任務(wù)劃分本地?cái)?shù)據(jù)收集程序，比如：數(shù)據(jù)保存模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、LED模塊、數(shù)據(jù)收集模塊等，根據(jù)用戶設(shè)置的不同控制參數(shù)，通過數(shù)據(jù)收集模塊能夠?qū)崿F(xiàn)直接操作，比如A/D通道、采集頻率等，實(shí)時(shí)收集外部信號(hào)，通過上述兩種方法的實(shí)施，對(duì)收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊中。對(duì)實(shí)際收集的數(shù)據(jù)就能夠通過數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波操作，在此系統(tǒng)中利用相鄰十個(gè)數(shù)據(jù)平均值濾波的方法，以此得到更加精準(zhǔn)的結(jié)果，數(shù)據(jù)處理模塊能夠使濾波之后的數(shù)據(jù)到公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中存儲(chǔ)，從而提供LCD模塊顯示。LCD模塊主要目的就是根據(jù)用戶實(shí)際需求展現(xiàn)公共緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。根據(jù)一定格式保存收集的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)保存模塊到Flash中保存。其次，在LCD模塊之外配置鍵盤模塊，方便用戶實(shí)際操作，還能夠便于用戶快捷獲得需要的收集參數(shù)。圖2為任務(wù)調(diào)度的流程。

2.3開關(guān)電機(jī)

主電機(jī)開關(guān)是通過接觸器進(jìn)行控制的，主電機(jī)開關(guān)都需要數(shù)字量輸出，此數(shù)字量利用74HC273鎖存，通過驅(qū)動(dòng)之后控制繼電器。此繼電器在主電機(jī)控制回路中串接，圖3為主電機(jī)開關(guān)控制回路的結(jié)構(gòu)。

圖3中的SB1值的是受程序控制主電機(jī)開繼電器，SB2指的是主電機(jī)關(guān)繼電器，JK2指的是機(jī)械主電機(jī)關(guān)按鈕，JK3指的是機(jī)械主電機(jī)開按鈕，KM指的是接觸器自保持繼電器。在SB1閉合的時(shí)候，主電機(jī)得電，KM閉合。這個(gè)時(shí)候的SB1斷開，假如SB1還是閉合，那么在常閉觸點(diǎn)JK2動(dòng)作的時(shí)候，主回路就斷開，然后JK2就會(huì)恢復(fù)到常閉的狀態(tài)，主電機(jī)回路有電運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，就會(huì)出現(xiàn)主電機(jī)無法

關(guān)掉的情況，從而導(dǎo)致SB1模擬點(diǎn)機(jī)械開關(guān)，也就是先閉合，之后延時(shí)一段時(shí)間再斷開。

2.4關(guān)主電機(jī)

關(guān)主電機(jī)操作與開主電機(jī)原理一樣，其也包括兩種方式：一種為利用鍵盤中主電機(jī)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)，其主要是通過SB2實(shí)現(xiàn)的。SB2屬于常閉觸點(diǎn)，其動(dòng)作對(duì)點(diǎn)按式按鈕進(jìn)行模擬，首先斷開，之后延長一段時(shí)間閉合。假如不閉合就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)致主電機(jī)無法開啟。另外就是利用機(jī)械按鈕JK2對(duì)主電機(jī)關(guān)閉，假如主電機(jī)運(yùn)行過程中JK2動(dòng)作，主電機(jī)回路電流消失。這個(gè)時(shí)候單片機(jī)采樣得到電流為0，但是因?yàn)锳D誤差和計(jì)算誤差等多種因素影響，實(shí)際采樣電流不一定是O，可能屬于非常小的值。所以計(jì)算電流的主電機(jī)功率比較小，在軟件中處理為：基于主電機(jī)開的背景下對(duì)主電機(jī)功率進(jìn)行檢測(cè)，在值比較小的時(shí)候，表示JK2動(dòng)作，那么利用SB2將主電機(jī)關(guān)掉。

2.5 E2PROM操作

CAT24C021中E2PROM操作指的是I2C總線時(shí)序模擬，圖4為CAT24C021內(nèi)部讀寫字節(jié)流程。

2.6主機(jī)通訊程序的設(shè)計(jì)

圖5為主機(jī)通訊程序的流程，以下為主機(jī)通訊的程序，對(duì)其進(jìn)行變異之后就能夠運(yùn)行。

class CCommunication

{

public：

∥ BOOL Connect;

∥發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)

int SendData（char *data，int len）;

∥設(shè)定消息接收者

void SetMessageReceiver（CWnd *pWnd）;

∥初始化函數(shù)

BOOL Initialize（char *device，DWORD BaudRate，intBits，int DDV，int StopBit）;

∥構(gòu)造函數(shù)

CCommunication（）;

∥析構(gòu)函數(shù)

virtual ～CCommunication（）;

∥關(guān)閉通訊接口

BOOL CloseSerialPort（）;

//CWnd是MFC窗口類的基類，提供了微軟基礎(chǔ)類庫中所有窗口類的基本功能

CWnd *msg_receiver;

//OVERLAPPED是一個(gè)包含了用于異步輸入輸出的信息的結(jié)構(gòu)體

OVERLAPPED write_os;

∥定義一個(gè)句柄

HANDLE hComPort;

privatei

};

# endif

3結(jié)束語

在現(xiàn)代科技不斷進(jìn)步的過程中，芯片性能也在進(jìn)一步的提高，以此能夠?qū)崿F(xiàn)通過簡單硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)雜控制工作。本文中的數(shù)字信號(hào)控制系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，不僅能夠簡化電路，還能夠使研發(fā)成本及時(shí)間消耗得到降低。使硬件結(jié)構(gòu)得到簡化，還能夠使系統(tǒng)工作性能及運(yùn)行速度得到提高，并且使全部連線設(shè)計(jì)在芯片控制范圍中，使系統(tǒng)工作可靠性及抗干擾性能得到提高?；谟布到y(tǒng)正常的運(yùn)行中，操作人員能夠以自身不同的需求設(shè)置軟件，從而滿足自身需求。基于電機(jī)保護(hù)、變壓器及變頻系統(tǒng)良好運(yùn)行，控制系統(tǒng)在工作中具有良好的效果。

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