1、本栏目责任编辑: 唐一东人工智能及识别技术新型单片机芯片实现家居智能控制的单元设计古鹏, 温武, 陈耀华( 广州大学 计算机科学与教育软件学院, 广东 广州5 1 0 0 0 6)摘要: 通过当前家居智能控制进行较深入的研究, 可以看出今后家居智能控制是基于计算机智能控制, 而计算机由不同的类型, 作用大小不一, 基于物尽其用的原则, 笔者提出新型单片机芯片实现家居智能控制的单元设计的思想,并通过设计举例进行了阐述与分析, 实践证明: 新型单片机芯片功能强大, 外围电路简单, 完全可以作为家电智能控制的单元。同时笔者也提出对居智能控制的一些建议, 这些研究相信对研究家居智能控制的技术提供一些借
2、鉴。关键词: 智能控制; 单元设计; 单片机; 接口; 检测中图分类号:T P 3 1 1文献标识码:A文章编号:1 0 0 9 - 3 0 4 4 ( 2 0 0 8 ) 1 3 - 2 0 7 1 3 - 0 4N e wS i n g l e - c h i pMi c r o c o mp u t e r f o r S ma r t H o me C o n t r o l C h i pMo d u l D e s i g nG UP e n g , WE NWu , C H E NY a o - h u a( S c h o o l o f C o m p u t e r S c
3、 i e n c e a n dS o f t w a r e o f E d u c a t i o n , G u a n g z h o uU n i v e r s i t y , G u a n g z h o u5 1 0 0 0 6 , C h i n a )A b s t r a c : T h e a r t i c l e t h r o u g ht h e c u r r e n t d o m e s t i c s i t u a t i o no f S m a r t H o m e c o n t r o l f o r a m o r e i n - d e
4、 p t hs t u d yo f t h e v a r i o u s c o n t r o l t e c h -n o l o g y , w e c a ns e e t h a t t h e f u t u r e i s b a s e do nS m a r t H o m e c o n t r o l o f c o m p u t e r f r o md i f f e r e n t t y p e s , s i z e s r o l e , b a s e do nt h e b e s t u s e o f t h ep r i n c i p l e
5、 s , t h e a u t h o r p r o p o s e s a n e ws i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r f o r S m a r t H o m ec o n t r o l c h i pm o d u l ed e s i g ni d e a s , a n dt h r o u g ht h ed e -s i g n , a n de x p l a i n s w i t ha ne x a m p l e o f P r a c t i c e h a s p r o v e nt h a t :
6、 T h e n e wc h i pm i c r o c o n t r o l l e r p o w e r f u l , t h e e x t e r n a l c i r c u i t i s s i m p l e , s m a r ta p p l i a n c e s c a nb ec o m p l e t e l yc o n t r o l l e du n i t . A t t h es a m et i m et h ea u t h o r a l s op r o p o s e dS m a r t H o m ec o n t r o l s
7、 o m eo f t h er e c o m m e n d a -t i o n s o f t h e s e s t u d i e s b e l i e v e t h a t t h e h o m e o f t h e s t u d y o f S m a r t H o m e c o n t r o l t e c h n o l o g y t op r o v i d e s o m e r e f e r e n c e .K e yw o r d s : S m a r t H o m e c o n t r o l ; m o d u l e d e s i
8、 g n ; s i n g l e c h i pc o m p u t e r ; I n t e r f a c e T e c h n o l o g y ; d e t e c t i v e1问题的提出目前, 家用电器的控制主要是实现对电器的功能控制, 但对于家用电器的智能、 系统的控制却缺乏系统认识, 就家居智能化而言, 智能控制有三大作用: 其一、 实现安全、 智能化、 人性化的近程及远程控制; 其二、 实现家用电器节能; 其三、 实现信息共享。要实现家庭智能化,以计算机为控制的平台是今后家电控制的方向,家庭智能化要求诸多家电和网络能够彼此相容, 总线协议是其精髓所在, 只有接
9、口畅通, 家电才能“ 听懂” 人发出的指令, 因此总线标准的物理层接口形式是智能家居亟待解决的重要问题之一。智能家庭控制系统是以网络为物理平台, 计算机网络控制技术为技术平台, 现场总线为应用操作平台, 构成一个完整的集家庭通信、 家庭设备自动控制、 家庭安全防范等功能的控制系统。家电的控制关键在于接口, 接口的关键在于由协议做成的控制集成电路, 我国在半导体集成电路生产的研究水平较低, 所以,抓紧对家智能控制集成电路芯片的研究与生产; 另外, 也可利用现有相关技术, 对家智能控制集成电路芯片进行开发, 目前, 有若干的集成电路芯片, 可用于家电的智能控制, 如电力载波控制的芯片,A R M技
10、术芯片, 以及目前较为常见单片机芯片。笔者认为: 单片机器件可以用于家居智能控制的单元型控制芯片。2家居智能控制分类智能家居包含三方面的内容:( 1 )信息产品的家电化, 如机顶盒、w e b游戏机、w e b电视、w e b电话, 还有P C、 掌上电脑、 手持P C、 可穿戴P C等所有能通过网络系统交互信息的消费类电子产品;( 2 )传统家电的数字化和网络化, 如电冰箱、 洗衣机、 微波炉、 太阳能热水器等植入数字网络技术, 使之工作于家庭网络环境的基础上;( 3 )基于家庭网络环境开发出的新的应用模式, 如: 家庭设备自动监控、 安全防范等。目前应用于智能家居的技术主要分为三大技术:
11、集中布线技术、 无线射频技术、 电力载波技术; 家居智能控制可以说是多样性的, 并没有较为严格的分类。一般来讲可分为继电控制、 模拟电子控制、 计算机控制, 也可分为开关控制、 顺序控制、 连续控制等等。当前, 家居智能控制不足之处缺乏系统统一的标准, 控制的各种类型家电缺乏系统的相互联系, 控制方式单一, 因此, 有必要加强对家居智能控制的系统化研究, 建立以计算机系统为平台家居智能控制系统。3单片机芯片实现家居智能控制的设计笔者认为: 单片机器件作为于家居智能控制的单元型控制芯片有以下特点: 其一、 成本低, 但功能却足够强大够用; 其二、 单片机器件技术发展很快, 功能越来越强, 其最大
12、优点是可以用C语言、 汇编语言或两者混合编程, 外围电路简便。单片机芯片实现家居智能控制的设计好坏准确, 直接影响家居智能控质量的好坏, 在设计中应根据家居智能控制实际情况合理选择控制方式, 根据家居智能系统的要求、 特点进行设计。首先, 从设计的总体考虑有以下三点必须注意:( 1 )被控制的家电各种功收稿日期:2 0 0 8 - 0 3 - 2 7作者简介: 古鹏(1 9 6 3 -) , 男, 广东梅州人, 副教授, 主要研究方向: 基于微型计算机控制技术和多媒体技术, 工作以来完成各类科研开发项目五项, 发表论文2 4篇。7 1 3电脑知识与技术人工智能及识别技术本栏目责任编辑: 唐一东
13、能多少及重要程度;( 2 )对被控制的家电的现场以及环境影响;( 3 )控制的家电的工作方式对家电成本核算的影响。而对家居智能控制则有以下技术指标:( 1 )有效性: 包括控制范围、 灵敏度、 精确度;( 2 )可靠性: 平均无故障时间、 安全性;( 3 )连续工作时间;( 4 )功耗。4设计案例用单片机芯片实现家居智能控制与单片机芯片技术发展有着密切相关, 最早的单片机只能用汇编语言进行设计, 而且外围电路较多, 因此, 对设计人员以及硬件、 接口设计都要求较高, 而且也因外围电路较多, 变得十分烦杂困难。而最近的单片机器件系列内设置C P U速度快、 内有闪存、A / D转换、P WM输出
14、、1 6位定时器、 振荡等许多功能, 其最大优点是和以往相比外围电路极少, 可以用C语言、 汇编语言或两者混合编程。例如: 单片机器件S T C 1 2 C 5 4 1 0 A D系列内设置1 T C P U、1 2 K闪存、 有A / D转换、P WM输出、1 6位定时器、 看门狗电路等许多功能, 这些都为研发智能家电控制提供方便。单片机控制控制家电能实现各种控制功能, 可以设计信息产品的家电化、 传统家电的数字化和网络化、 基于家庭网络环境开发出的新的应用模式的家电控制; 笔者以单片机器件S T C 1 2 C 5 4 1 0 A D系列设计的一种实时家庭节能系统, 以改进家庭用电情况。下
15、图为设计框图。图1单片机器件S T C 1 2 C 5 4 1 0 A D家庭节能系统框图由电工学理论, 负载的瞬时功率由以下推论:p = u i= Ums i n t Ims i n ( t - )=(Um* Imc o s - Um* Imc o s(2 t - ) )/ 2= U * I c o s - U * I c o s(2 t - )由公式推导, 瞬时功率由由两个二次项组成, 一项是与功率因数c o s 成正比的直流分量, 而别一项是与电网2 频率的交流分量。用乘法器将u、i相乘, 得负载的瞬时功率。如果设计一陷波器, 去除负载的瞬时功率的2 频率的交流分量, 那么, 电路就只剩
16、下与功率因数c o s 成正比的直流分量U * I c o s 。另外, 可用有效值检测电路检测u、i, 从而得到电压u、 电流i的有效值U、I, 用乘法器将U、I相乘, 得负载的视在功率。由公式c o s = P / U * I可知, 只要在电路加多一个除法器, 就可以正确检测出负载的功率因数c o s , 下图为检测功率因数c o s 的电路图。图2乘法器电路原理图以下单片机器件S T C 1 2 C 5 4 1 0 A D家庭节能系统部分程序:# i n c l u d e # i n c l u d e 7 1 4本栏目责任编辑: 唐一东人工智能及识别技术u n s i g n e d
17、c h a r c h a n g _ f l a g ;u n s i g n e dc h a r u p _ d o w n _ f l a g ;u n s i g n e dc h a r A D C _ f l a g ;u n s i g n e dc h a r A D C 1 _ f l a g ;u n s i g n e di n t c o u n t 0 _ f l a g ;v o i dI n t 0 _ u p ( ) i n t e r r u p t 0I E=0 ;A D C _ f l a g =0 ;c o u n t 0 _ f l a g =0 ;
18、i f ( u p _ d o w n _ f l a g =1 4 )u p _ d o w n _ f l a g =1 5 ;e l s e i f ( u p _ d o w n _ f l a g 2 ) u p _ d o w n _ f l a g - = 2 ; f o r ( i = 0 ; i = 1 0 0 0 )A D C _ f l a g =1 ;I E=0 x A 7 ;v o i dA D C ( ) i n t e r r u p t 5图3有效值检测电路原理图7 1 5电脑知识与技术人工智能及识别技术本栏目责任编辑: 唐一东R E S E T _ B I T
19、 ( A D C _ C O N T R , A D C _ F L A G ) ;R E S E T _ B I T ( A D C _ C O N T R , A D C _ S T A R T ) ;i f ( A D C _ D A T A0 x 2 F& &A D C _ D A T A0 x 3 F& &A D C _ D A T A0 x E F& &A D C _ D A T A0 x F 4 ) u p _ d o w n _ f l a g =1 ; v o i dm a i n ( )c h a n g _ f l a g =0 ;u p _ d o w n _ f l
20、a g =0 ;A D C _ f l a g =0 ;A D C 1 _ f l a g =0 ;c o u n t 0 _ f l a g =0 ;C M O D=0 x 0 2 ;C L=0 x 0 0 ;C H=0 x 0 0 ;C C A P 0 L=0 x 0 0 ;C C A P 0 H=0 x 0 0 ;C C A P M 0=0 x 4 2 ;C C A P 1 L=0 x 0 0 ;C C A P 1 H=0 x 0 0 ;C C A P M 1=0 x 4 2 ;C R=1 ;A D C _ C O N T R=A D C _ C O N T R| 0 x 8 0 ;d
21、e l a y ( 1 ) ;P 1 M 0=P 1 M 0| 0 x 8 0 ;P 1 M 1=P 1 M 1| 0 x 8 0 ;A D C _ C O N T R=0 x E 7 ;I T 0=1 ;I T 1=1 ;S E T _ B I T ( A U X R , E A D C I ) ;I E=0 x A 7 ;i f ( A D C _ f l a g = =1 ) S E T _ B I T ( A D C _ C O N T R , A D C _ S T A R T ) ;e l s e R E S E T _ B I T ( A D C _ C O N T R , A
22、D C _ S T A R T ) ;R E S E T _ B I T ( A D C _ C O N T R , A D C _ F L A G ) ;5结束语家电控制越来越系统化、 智能化, 随着单片机芯片技术的发展, 实现控制快速高效、 信息的传输和共享是智能家居系统设计目标, 笔者本文提出用新型单片机芯片实现家居智能控制的单元设计, 实践证明: 新型单片机芯片功能强大, 外围电路简单, 完全可以作为家电智能控制的单元。这一设计方案, 实际系统通过实验, 达到了预期的要求, 相信这一设计对于从事家居智能控制设计的人员会有一些帮助。参考文献: 1 严厉平.嵌入式智能家庭网关的研究与设计
23、J .微计算机信息,2 0 0 5 , ( 2 ) : 1 4 - 1 6 . 2 宏晶科技. S T C 1 2 C 5 4 1 0 A D系列单片机手册 S , 2 0 0 6 . 3 张金家.剖析“ 智能家居集成及其平台技术研究” J .建筑及住宅社区数字化技术应用研讨会论文集社, 2 0 0 3 , ( 4 ) : 3 3 - 3 8 . 4 张章.一种新颖的高精度功率因数测量装置的设计 J .自动化与信息工程, 2 0 0 0 , 2 0 ( 3 ) . 5 电子报合订本电子爱好者手册 M .成都科技大学出版社, 1 9 9 2 : 1 1 4 - 1 2 0 . 6 古鹏.可预置功率因数补偿装置的设计 J .电子设计应用,2 0 0 7 , ( 8 ) : 1 1 4 - 1 1 6 . 7 古鹏.综述单片机控制系统的抗干扰问题 J .现代电子技术,1 9 9 9 , ( 3 ) : 4 5 - 4 7 . 8 王禹.刘利学智能节电控制器设计 J .单片机与嵌入式系统应用,2 0 0 7 (增刊) : 9 6 , 9 8 .7 1 6
