基于78E58B单片机的智能家电控制系统设计

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    Design of Intelligent Control System for Household Appliances based on SoC
摘要: 现代信息社会的发展步伐正在加快，在线即时控制成为现实生产中获得高效益的最基本手段。本文实现了一整套比较完整的基于单片机的智能家电控制系统。文中介绍了整个系统的解决方案，硬件设计、软件设计，以及与网络通讯卡之间的通信，最后又对监控数据库进行开发，实现监控中心主动访问现场的功能。
关键字: 单片机；控制系统；家电；
Abstract: As the development of the modern information society, the real-time on line control is becoming the basic method to acquire high efficiency. An intelligent control system for household appliances based on SoC is developed in this paper. The structure scheme, hardware, software, and the communication to the internet communication card of the system are designed in detail. At last, the control database is introduced, and the active visit to the control centre is implemented.
Keywords: SoC; Control System; Household Appliances
1 引言
随着科技的进步及对生活质量要求的不断提高，人们对家电的选择和使用，己经从只关心家电的单项功能转向追求家电品位和控制的便捷性。信息技术和网络化技术发展，为家用电器居家环境集中控制和远程遥控提供了可能。将信息技术与家电控制技术融合，在很大程度上实现家庭生活的信息化和自动化，满足人们舒适、快节奏的生活需要。鉴于这种数字化家庭的发展趋势，远程监控作为一种理想的有效的而且快捷方便的实现途径己被广泛采用。
2 系统硬件详细设计
本系统中，系统硬件设计主要包括两部分内容:一是单片机系统的扩展部分设计，主要是系统存储器的扩展，存储器扩展指EPROM、RAM的扩展等。二是功能模块的设计，包括通信功能模块、电机驱动模块。其硬件框图如图1所示。


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图1 系统硬件框图
2.1 单片机系统扩展
1、系统存储器扩展。本系统使用的单片机为Winbond公司的78E58B单片机。78E58是一款以8051为核心的单片机，它具有集成度高、指令功能强、运算速度快、I/O接口功能强、可靠性高等优点，包含32K字节的片内Flash电擦写程序存储器;4K字节附加ROM; 512字节片内RAM;三个16位定时器/计数器;一个串口。该芯片还包括8个中断源，2个中断优先级的中断资源。
32K字节的程序存储器对于系统来说己经足够了，所以没有扩展外部程序存储器，所以在硬件框图中不必添加外部ROM，节省了系统开销，还可以省却部分电路、连线，减少了干扰源。然而，78E58B只有512字节的片内RAM,远远不能满足系统功能的要求，故采用了8K字节的静态RAM 6264作为外部数据存储器。6264是8K×8位的静态随机存储器芯片，它由单一+5V式供电，额定功耗200mW，典型存取时间为200ns。有13根地址线，为A0"A12，有两个片选端(CS1、CS2)。
2、复位电路设计。本系统的复位电路采用了电平式开关复位与上电复位，另外复位引脚还与网络通讯卡上MCU的一个I/O口连接。使用这种复位电路，当该MCU中的程序在运行过程中出现问题的时候，就可以通过网络通讯卡上的MCU使之复位，重新恢复正常工作。虽然这种复位电路干扰易串入复位端，但是一般不会造成单片机的错误复位。复位电路如图2所示，但要注意的是这种复位电路要与手动的开关复位电路隔离，以免复位功能失效，甚至短路。


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图2 复位电路
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2.2 接口实现
1、RS232异步串行通信单元。本系统采用RS232最简单的全双工通信方式，只用了三根线，即串行接收RXD,串行发送TXD和接地线GND。将“串行发送”和“串行接收”交叉连接，地线直接相连，其余信号线都不用。用软件来实现通信“握手”、空闲检测等功能。
2、与网络通讯卡的连接。在系统的并口通信上，我们使用了8255A。8255A具有3个带锁存或缓冲的8位并行数据端口，可与外设并行进行数据交换，是一种通用的可编程并行I/O接口芯片，是专门为Intel公司的微处理器而设计的，也可以用于其它系列的微处理机系统中。它可用程序来改变功能，通用性强，使用灵活。
在我们的系统中，8255A是由网络通讯卡的MCU控制，它的3个带锁存或缓冲的数据端口A口、B口和C口分别用作输出、输入和联络(输入/输出)的用途。网络通讯卡和现场控制卡的连线图如图3所示。8255A的8位数据总线与网络通讯卡MCU的8位数据总线相连，8255A的使能信号由单片机地址线A4、A5、A6、A14和A15通过3-8译码器产生，端口则由单片机的A0和A1决定。


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图3 网络通讯卡与系统的硬件连接
2.3 驱动电机电路
系统直流电机的驱动电路采用桥式回路，如图4所示，由于流过直流电机的电流比较大，为了使直流电机工作正常，各三极管工作在饱和区，T1, T2, T3, T4组成一个桥路。T5，T6用普通三极管即可，其主要作用是提升A1, A2两点的电压，以保证T1，T2能提供接近Vc的高电压。4个二极管D1，D2，D3，D4起保护三极管的作用，以防感性元件(电机)产生的反感应电流对三极管的冲击。这一点对任何感性负载均应考虑。R1,R2是电子开关T5,T6的限流电阻，又是Tl,T2的偏置电阻。


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图4 直流电机的驱动电路
系统也使用4N25起到藕合脉冲信号和隔离单片机78E58B输出部分的作用，两部分的电流相互独立。输出部分的地线接机壳或接大地，而MCU的电源地线不与交流电源的地线相连。这样可以避免输出部分电源变化对MCU电源的影响，减少系统所受的干扰，提高系统的可靠性。4N25输入/输出端的最大隔离电压大于2500V。
3 系统软件设计
用汇编语言的最大好处，也就是使用C语言的弱点在于:执行效率。众所周知，汇编语言常常使用在程序执行速度要求比较高的地方，这样可以接近实时地完成一些对执行时间有特别要求的场合。本系统使用C51编译器进行C语言和汇编语言的混和编程，即在C语言程序中嵌入用汇编语言开发的功能模块，这样两种语一言的优点就可以兼得。
设计用到的工具是KEIL公司的MCS-51系列单片机集成开发环境。它的功能非常强大，实现从文本代码编辑到生成可用于烧到目标ROM的二进制或者HEX格式的文件的所有功能。集合了文本编辑器、C语言编译器、汇编编译器、连接定位器、目标处理器模拟仿真器以及库文件管理器等51开发工具套件。软件开发采用项目管理方式，多个模块(多个文件)放在一个项目当中，管理方便。软件的流程图如下图5所示。


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图5 软件流程图
4 监控数据库介绍
目前用于数据库开发的开发环境有很多，例如elphi, Visual Basic, PowerBuilder和SQL Server等。随着Visual C++的数据库开发功能的不断加强，它作为一种方便易用的开发工具在实际开发中被广泛应用。
系统采用的是ADO访问技术。ADO是基于数据访问对象(DAO)和远程数据访问对象(RDO)的优化的数据库连接，DAO和RDO用在传统的应用开发工具中，比如Visual C++和Visual Basic。ADO可更好地用于网络环境，通过优化技术，它尽可能地降低网络流量:ADO的另一个特性是使用简单，这不仅是因为它是一个面向高级用户的数据库接口，更因为它使用了一组简化的接口用以处理各种数据源。这两个特征使得ADO必将取代RDO和DAO，成为最终的应用层数据库接口标准。
在VC中使用ADO开发数据库应用程序，首先创建应用程序，引入ADO库文件，并初始化COM环境，这样ADO对象才可以使用。然后，建立数据库连接，打开数据库文件。接着，创建记录集，并用SQL语句查询相关数据表，获得表中数据，这样，就可以用记录集来操作数据库中的数据了。通过记录集，系统可以获得各个表中的数据，完成数据的读取、修改、添加、删除等操作。
Windows平台下常用的数据库是Microsoft Access和Microsoft SQL Server。Access是典型的小型关系数据库，适用于小型的Intranet。SQL Server是一种大型的结构化的关系数据库，其强大的处理能力使其更适用于大型的监控网络。目前系统采用的是Access数据库，但今后也可以根据实际需要换为更合适的数据库。
本文作者创新点:
本系统的特点是监控器可以通过以太网接口直接接入TCP/IP网络，监控系统组网方式灵活，即插即用，具有实用价值;监控器在现场收集各种传感器信息，能及时而有效的传给监控中心，让监控中心的用户第一时间了解到现场的信息;当现场发生异常时，处在监控中心的用户可以及时发送控制命令，尽快补救:若用户有自己需要时，可以主动访问，并发出指令实现功能等等。
参考文献
[1] 杨武刚.单片机典型模块设计实例导航[M].人民邮电出版社，2004.5
[2] 唐鸿儒,刘大年,杨鹏,裘国强.基于Internet的远程监控系统开发技术研究[J].测控技术，2003,Vol.22, 4
[3] 蒋昊,李哲英,蒋大明. 基于电话交换机的远程家电控制系统[J]. 微计算机信息, 2007, 8-2: 267-269
[4] 吕征.微型嵌入式开放式数控系统[D].西北工业大学硕士论文，2004.3
作者简介: 李建国，（1972- ），男，汉族，河北省唐山市人，讲师，研究方向：网络与信息安全和单片机控制系统。
通讯地址：河北省秦皇岛市昌黎县河北科技师范学院计算机系
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