在洗衣機、空調、微波爐、吸塵器和冰箱等許多家用電器中，微控制器(MCU)被用于電機控制、模擬傳感器測量、前面板按鍵控制以及LED/LCD顯示。

家電行業(yè)使用基于8位、16位和32位微控制器的電路來實現(xiàn)電機控制以及TRIAC(三端雙向可控硅)/LED/LCD驅動應用。MCU控制并管理著電器的所有功能和特性。當用戶按下啟動按鈕時，輸入信號會從前端面板鍵盤傳輸?shù)轿⒖刂破鳎缓?a target="_blank">微處理器(MPU)會啟動三相無刷直流(BLDC)電機/永磁同步電機(PMSM)。電機的速度將根據(jù)用戶從前端面板鍵盤輸入的指令進行變化和控制。

MCU使用內部或外部串行EEPROM(基于I2C/SPI接口)來存儲舊數(shù)據(jù)。它使用實時時鐘(RTC)來顯示準確的時間信息。溫度測量通過板載的電阻溫度檢測器(RTD)、熱敏電阻或熱電偶等溫度傳感設備來完成。MCU使用外部模數(shù)轉換器(ADC)和放大器來接收來自傳感器、溫度和電池的模擬輸入。它使用外部信號調理電路、比較器和柵極驅動電路來驅動和控制三相

BLDC/PMSM電機。微控制器還可以通過紅外接收器(工作在38kHz)接收遙控輸入。驅動7段LED/LCD/圖形顯示器需要外部緩沖驅動電路。通常使用帶背光的7段LED/LCD/圖形顯示器來顯示溫度、電池輸入、速度值以及錯誤/警告信息。微控制器還與板載外設(如I2C/SPI)以及外部外設(如UART/USB通信)進行接口。

洗衣機中的MCU

洗衣機中的MCU包含以下模塊：

在洗衣機中，MCU通過外部ADC接收模擬輸入(水位傳感器、水質硬度傳感器、濕度傳感器、門開傳感器、衣物負載傳感器、光學傳感器、洗滌劑濃度傳感器、負載不平衡傳感器和容量傳感器)。溫度感應由板載RTD完成，并使用外部EEPROM存儲數(shù)據(jù)，例如自定義洗滌程序、記憶備份、童鎖和收藏設置。微控制器使洗衣機能夠自動調節(jié)水量并切斷電源。

MCU還控制自診斷功能，包括供水故障、甩干故障、排水故障、童鎖、溢水保護和門蓋打開檢測。時鐘和定時器用于實現(xiàn)睡眠模式以及在操作中添加延遲(延遲啟動條件)。蜂鳴器(基于PWM)可產生不同頻率的音調，并在過載情況下提供警報音。MCU還會在洗滌完成后自動關閉機器，從而節(jié)省電力。

空調中的MCU

空調中的MCU包含以下模塊：

在空調中，MCU通過外部ADC接收模擬輸入(傳感器輸入)。溫度感應由板載RTD和熱敏電阻完成，并使用外部EEPROM存儲數(shù)據(jù)(設定溫度值)。MCU使用PWM和比較器控制外部BLDC電機和風扇。它接收各種過濾器輸入，用于空氣凈化。

MCU根據(jù)用戶設定的溫度控制電機和壓縮機。MCU還使用繼電器驅動器和TRIAC驅動電路來切斷系統(tǒng)的交流電源輸入。它使用時鐘和定時器來設置睡眠模式、自動關機功能和24小時開/關定時器功能。它使用基于PWM的蜂鳴器產生各種頻率的音調。MCU還控制自診斷功能，包括自動重啟和過流保護。在斷電期間，它會自動將空調恢復到之前的設置。

微波爐中的MCU

微波爐中的MCU包含以下模塊：

在微波爐中，MCU通過外部ADC接收來自重量傳感器、濕度傳感器、容量傳感器、CT(電流互感器)電流傳感器的模擬輸入。溫度感應由板載RTD和熱敏電阻完成，并使用外部EEPROM存儲數(shù)據(jù)，例如童鎖和可重新編程的烹飪數(shù)據(jù)。

MCU控制自診斷功能，包括自動重啟、自動除味、自動保護和溢水保護。在斷電期間，它會自動將微波爐恢復到之前的設置。

MCU使用時鐘和定時器來實現(xiàn)睡眠模式并在操作中添加延遲。它使用基于PWM的蜂鳴器產生不同頻率的音調。它還會在操作完成時自動關閉微波爐，或在未使用/未設置時(由用戶)進入睡眠模式，從而節(jié)省整體功耗。

冰箱中的MCU

冰箱中的MCU包含以下模塊：

在冰箱中，MCU使用PWM和比較器驅動和控制三相電機(BLDC/PMSM)，以根據(jù)用戶輸入控制風扇。它通過外部ADC接收來自水位傳感器、濕度傳感器、制冷傳感器、冷藏區(qū)選擇傳感器、門開傳感器和CT電流傳感器的模擬輸入。它還接收其他輸入，如霜凍/濕氣檢測和水/冰分配器。溫度感應由內部和外部溫度傳感器(基于RTD和熱敏電阻)完成，并使用外部EEPROM存儲舊數(shù)據(jù)，例如自定義程序、記憶備份、童鎖和收藏設置。MCU使冰箱能夠自動適應斷電情況。

MCU根據(jù)用戶設定的期望溫度值控制電機和壓縮機。它還通過有效改變壓縮機速度來控制和調節(jié)熱流。自診斷功能包括供水故障、制冷故障、帶記憶備份的自動重啟、童鎖、防病毒保護器、自動平衡系統(tǒng)、溢水保護和門開檢測。

MCU使用時鐘和定時器來設置定時器和日歷、實現(xiàn)睡眠模式并在操作中添加延遲。它使用基于PWM的蜂鳴器產生不同頻率的音調，并在門打開時間超過指定時長時發(fā)出警報。

當門關閉時，MCU會自動關閉某些功能，從而節(jié)省整體功耗。即使在斷電(睡眠模式)時，它也能通過供應冷氣來延遲溫度上升。用戶可以將冰箱設置為假日模式，這樣MCU(在睡眠模式下)以最低能耗模式運行。MCU為冰箱提供不同的內部和外部接口，包括FM收音機、MP3播放器、均衡器、通過USB、UART等的手機充電器。

在家電中使用基于MCU的可編程硬件SoC

目前的家電都是使用基于MCU的架構實現(xiàn)的。當今的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)架構結合了MCU和ASIC(專用集成電路)的能力，既提高了家電的易用性，又降低了產品開發(fā)和制造成本。

可編程SoC器件在傳統(tǒng)MCU的軟件可編程性基礎上進行了補充和擴展，它集成了一個MCU、硬件可編程邏輯、高性能模數(shù)轉換以及常用的固定功能外設。這使得開發(fā)人員能夠將更多功能和組件集成到MCU中，從而減少元件數(shù)量、縮小PCB(印刷電路板)尺寸、降低系統(tǒng)成本并提高能效。SoC器件還集成了閃存(Flash)、靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)和EEPROM。

多種數(shù)字和模擬組件可用于支持各種家電功能。當內部集成RTC時，就不再需要外部時鐘/振蕩器電路。類似地，集成接口(如USB和SecureDigital(SD)卡接口)允許SoC無需外部控制器即可進行通信。集成的DAC(數(shù)模轉換器)、ADC、PWM和比較器資源進一步整合了系統(tǒng)，使得單個SoC就能提供家電所需的功能。

有傳感器與無傳感器電機控制

無傳感器電機控制方法不需要霍爾傳感器;相反，它使用反電動勢(BackEMF)過零檢測技術來控制電機運動。當電機旋轉時，每個繞組都會產生一個電壓(反電動勢)，該電壓與供給繞組的電源電壓方向相反。反電動勢的極性與用于繞組激磁的電壓方向相反，并且與電機轉速成正比。

在圖11中，來自三相的反電動勢信號被終止，直流母線電壓經過縮放并路由到可編程SoC。SoC將使用多路復用器(MUX)將終止輸入切換到比較器，然后將其與直流母線電壓進行比較。級聯(lián)數(shù)字邏輯將濾除PWM信號以獲得真實的過零信號。MCU將根據(jù)此信息決定換相。

可選的電流控制將應用于PWM輸出控制，以調節(jié)電機電流。這個內環(huán)基于比較器;反饋總線電流將與由12位DAC提供的參考電流值進行比較。改變DAC輸出將修改輸出電流值。相比之下，基于傳感器的無刷電機控制使用霍爾傳感器輸入來檢測轉子位置，從而控制電機運動。它向MCU提供霍爾傳感器輸入，并作為一個閉環(huán)系統(tǒng)工作。

基于觸控的家電設計

在電容傳感技術取代機械按鈕、采用基于觸摸的鍵盤的應用中，PSoC也具有優(yōu)勢。這減少了因機械按鈕導致的故障，并提供了更好的產品可靠性。

許多SoC提供生產就緒的庫和設計工具，可自動調整按鈕和滑塊的靈敏度，從而在設計周期中省去手動調整。在家電解決方案中，基于電容的接口還需要防水。它們支持前面板的接近感應功能;當用戶將手靠近前面板時，前面板將被激活。

在前端面板上實現(xiàn)基于觸摸屏的設計(而非LCD顯示器和鍵盤)將提供更好的用戶界面和靈活性。

在iPod/iPhone等外部設備中，SoC可以通過UART和USB協(xié)議與iPod/iPhone通信。用戶可以控制iPod/iPhone設備并在家電中為其充電。

由于其軟件和硬件可編程的特性，SoC器件必須支持家電的代碼安全性。它們還可能包含個人局域網(wǎng)技術(如藍牙)，以便用戶可以創(chuàng)建一個自動化家電網(wǎng)絡。

像微波爐這樣的家電中的語音引導技術，能在烹飪過程的每一步為用戶提供幫助。要瀏覽自動調整的菜單，用戶只需按一次按鈕，語音就會引導完成各個步驟。這也可以通過SoC來實現(xiàn)。

家電設計挑戰(zhàn)

使用上述任一種方法的家電系統(tǒng)設計師面臨的設計挑戰(zhàn)包括：

·電壓波動保護

·防水及耐水特性

·實現(xiàn)通用電源

此外，驅動三相汽車電機需要選擇具有低導通電阻(LowRon)和低柵電容的功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)。同時，使用大功率MOSFET驅動電路的電路板必須設計成能夠處理來自電源的高板載電流。

在涉及機電結構的電器中，有必要設計一種緊湊且經濟高效的機電解決方案，以滿足安全性的EMI/EMC(電磁干擾/電磁兼容)標準認證。

家電應用需要故障檢測和恢復機制。還需要設計具有電池保護、過流保護、過熱保護和啟動失敗保護的電源。實現(xiàn)自診斷是另一個設計挑戰(zhàn)。家電及相關設備需要24/7全天候持續(xù)工作。選擇可靠的組件對系統(tǒng)開發(fā)人員來說也是一個設計挑戰(zhàn)。

故障分析與退貨材料分析（RMA）

增加板上的內部和外部接口數(shù)量，會增加入侵者對系統(tǒng)造成破壞的途徑。這是家電嵌入式系統(tǒng)最大的單一限制之一，而單芯片解決方案可以解決這個問題。

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