一種用旋鈕控制器的冰箱控制系統(tǒng)的設(shè)計

左秋杰

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動著人們生活水平的提高，電冰箱已成為每個家庭的必需品[1]。人們對冰箱的需求也趨向于智能化、高端化，目前冰箱顯示控制方面主要采用傳統(tǒng)LED顯示屏，價格便宜、控制簡單，但缺陷明顯，UI界面單調(diào)。而大尺寸觸摸顯示屏，UI界面美觀，可以提升智能體驗感，但價格高昂。設(shè)計開發(fā)一種低成本UI界面提升方案，提高界面視覺效果，對于提升用戶體驗感、增加產(chǎn)品差異化賣點(diǎn)具有重要的意義。

目前，帶有顯示和按鍵的旋鈕控制器已在洗衣機(jī)、烤箱等家電上批量應(yīng)用，該控制器可集成多種控制與顯示方案，可替代多個普通編碼器式的旋鈕功能；同時該旋鈕控制器為可編程邏輯控制器，可與下位機(jī)進(jìn)行通訊和參與整機(jī)邏輯控制，滿足冰箱正常工作需求。

圖1 控制系統(tǒng)組成

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

一種用旋鈕控制器的冰箱控制系統(tǒng)，包括單片機(jī)、旋鈕控制器電路、顯示驅(qū)動電路、按鍵檢測電路、通信電路和溫度采集電路等，如圖1所示。

溫度采集電路采集當(dāng)前環(huán)境溫度，按鍵檢測電路實現(xiàn)對冰箱溫度和模式的確認(rèn)，旋鈕控制器電路實現(xiàn)對溫度的設(shè)定與國內(nèi)模式的選擇，顯示驅(qū)動電路實現(xiàn)對設(shè)定溫度和功能的顯示。

該設(shè)計使用S3F8S28單片機(jī)為主控芯片，根據(jù)溫度采集電路采集到的環(huán)境溫度和下位機(jī)上傳的間室空氣溫度，運(yùn)用邏輯控制模塊計算得出當(dāng)前工況下的開關(guān)機(jī)點(diǎn)和化霜時機(jī)的確定，控制冰箱相應(yīng)負(fù)載進(jìn)行動作，實現(xiàn)制冷需求。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 旋鈕控制器電路

包括旋鈕控制器K1，旋鈕控制器K1的1腳與單片機(jī)的引腳連接；旋鈕控制器K1的2腳接地；旋鈕控制器K1的3腳與單片機(jī)的引腳連接；旋鈕控制器K1的1腳和3腳還與一電壓源連接，如圖2所示。

該設(shè)計采用R306EC編碼器，在旋鈕動作時，旋鈕控制器的引腳B～C之間和A～C之間會發(fā)生相位電壓變化，傳遞到單片機(jī)引腳，可觀察到高低電平的變化，從而判斷出旋鈕控制器K1的旋轉(zhuǎn)方向（逆時針旋轉(zhuǎn)或順時針旋轉(zhuǎn)）。

2.2 按鍵檢測電路

包括一按鍵K2，按鍵K2的1腳與單片機(jī)的引腳連接；按鍵K2的2腳接地，如圖3所示。

單片機(jī)根據(jù)引腳端口電平高低壓變化判斷按鍵K2是否觸發(fā)以及根據(jù)按鍵按下時長區(qū)分短/長按鍵。

2.3 顯示驅(qū)動電路

顯示驅(qū)動電路包括一LED驅(qū)動控制芯片TM1652，LED驅(qū)動控制芯片的GND腳接地； LED驅(qū)動控制芯片的VDD腳與GND之間加一去偶電容，增加芯片工作的穩(wěn)定性連接； LED驅(qū)動控制芯片的SDA腳與單片機(jī)的引腳連接；如圖4所示。

該LED驅(qū)動控制芯片，通訊方式采用異步串口通信（UART）協(xié)議，因芯片只接收單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，僅需要單片機(jī)的一個TX端口發(fā)送數(shù)據(jù)給芯片即可，實現(xiàn)單線通訊。

2.4 通信電路

通信電路用于實現(xiàn)顯示板與下位機(jī)控制板間的通信，接收控制板上傳的有關(guān)冰箱門開關(guān)狀態(tài)、間室溫度值等信息，同時發(fā)送控制命令到控制板，驅(qū)動控制板工作。如圖5所示。

2.5 溫度檢測電路

溫度檢測電路通過溫度傳感器對冰箱所處環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，并傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)環(huán)境溫度匹配制冷參數(shù)，指導(dǎo)冰箱工作。溫度檢測電路如圖6所示。

圖2 旋鈕控制器電路

圖3 按鍵檢測電路

圖4 顯示驅(qū)動電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該控制系統(tǒng)采用軟件模塊化設(shè)計方法，控制程序主要由系統(tǒng)初始化、溫度值采集、按鍵檢測、顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、通信數(shù)據(jù)處理、邏輯控制、中斷服務(wù)程序等組成。

系統(tǒng)接通電源后，主程序完成內(nèi)存、系統(tǒng)配置、變量等的初始化后，液晶屏初始化為初始設(shè)定溫度和功能。此時掃描按鍵是否按下以及被按下時長，如果是則執(zhí)行相應(yīng)操作。當(dāng)旋鈕控制器感受到旋動時會產(chǎn)生信號，二者將采集到的信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將得到的信息送入邏輯控制模塊，生成控制命令，通過通信電路再發(fā)送到控制板驅(qū)動冰箱相應(yīng)負(fù)載工作。

中斷服務(wù)程序主要實現(xiàn)編碼器旋轉(zhuǎn)方向的判斷、程序基準(zhǔn)時間的產(chǎn)生。該程序由單片機(jī)控制定時器每隔1 ms產(chǎn)生一次定時器中斷。

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)按照硬件電路設(shè)計圖連接各模塊，并完成程序編寫和燒錄 ，最后完成本系統(tǒng)的實物制作。系統(tǒng)通電后，液晶屏顯示初始化為全屏點(diǎn)亮2秒，然后顯示初始設(shè)定溫區(qū)與溫度，如圖8和圖9所示。

此控制系統(tǒng)主要通過旋鈕和按鍵來進(jìn)行冰箱控制：

1）通過短按鍵實現(xiàn)菜單界面之間的切換：如間室溫度設(shè)定界面、特殊功能狀態(tài)（智能、速凍、速冷、冷藏就間室OF等）設(shè)定界面，如圖10所示。

2）若選定間室溫度設(shè)定界面，操作旋鈕控制器，單片機(jī)根據(jù)判斷到的旋轉(zhuǎn)方向相應(yīng)調(diào)高或調(diào)低間室的設(shè)定溫度，如圖11所示。

圖5 通信電路

圖6 溫度檢測電路

圖7 軟件設(shè)計流程圖

圖8 上電初始全顯界面

圖9 初始界面：冷藏間室設(shè)定5 ℃

圖10 冷凍間室設(shè)定為-19 ℃

圖11 冷凍間室設(shè)定為-22 ℃

圖12 冷藏間室設(shè)定為關(guān)閉功能

3）若選定特殊功能狀態(tài)設(shè)定界面，操作旋鈕控制器，單片機(jī)根據(jù)判斷到的旋轉(zhuǎn)方向相應(yīng)打開或關(guān)閉相應(yīng)功能，并按照當(dāng)前功能下的控制規(guī)則運(yùn)行，如圖12所示。

4）若連續(xù)一定時間內(nèi)無旋鈕動作和按鍵操作，屏幕將啟動鎖定，鎖定后，再執(zhí)行旋鈕動作和按鍵操作都將失效，即不再調(diào)整溫度設(shè)定值和設(shè)定特殊功能的狀態(tài)。

5）若屏幕鎖定后的一定時間內(nèi)，無旋鈕動作和按鍵操作，屏幕將熄滅，后旋鈕動作或按鍵操作都將點(diǎn)亮顯示屏。

6）屏幕鎖定后，長按按鍵，可解除鎖定。

5 結(jié)論

本文通過設(shè)置按鍵檢測電路和旋鈕控制器電路實現(xiàn)控制指令的輸入，單片機(jī)根據(jù)引腳端口的高低電平變化來判斷指令類型，實現(xiàn)對冰箱的控制。此系統(tǒng)通過新技術(shù)的轉(zhuǎn)化、開發(fā)和應(yīng)用，形成一套全新集成顯示和按鍵一體化設(shè)計的編碼器產(chǎn)品，操作直觀簡單、界面友好，在有限成本變化的前提下給用戶帶來最直觀的產(chǎn)品體驗提升。