带留言功能的中央空调控制器

电子设计应用2004年第9期

摘 要：本文介绍了带留言功能的中央空调控制器的设计过程。该中央空调控制器以PIC16C72A单片机为控制核心，运用数字温度传感器LM92采集环境温度；使用HT1621液晶显示模块将系统工作状态显示在LCD屏上；留言功能采用语音处理器ISD1420，以及音频放大芯片LM4991；系统使用了电源管理器LM2673-ADJ，对AC/DC变换后的电压进行管理。
关键词：电源管理；I2C总线；传感器；音频放大；电磁干扰

概述
该控制器用于室内中央空调的温度控制，根据用户设置的温度和工作模式，系统可自动调节风机的工作状态、开启方式以及打开或关闭给水阀门，同时将运行情况显示在LCD屏上。本设计增加了留言功能，便于用户查询信息。
该中央空调控制器以PIC16C72A单片机为控制核心，主要包括AC/DC变换、电源管理、液晶显示、温度检测、键盘响应、驱动控制、语音存储、语音放大、串行通信以及状态显示等电路。图1是其系统框图。

图1 带留言功能的中央空调控制器系统框图

图2 LM2673-ADJ的典型应用原理图

硬件设计
电源管理电路
系统的供电电源是交流220V/50Hz，通过AC/DC模块将交流转换到低电压的直流后，使用LM2673-ADJ电源管理芯片，为各个模块提供直流工作电压。
图2是LM2673-ADJ的典型应用原理图。其L1、D1、Cout和LM2673-ADJ构成开关稳压电路。输出电压值Vout由反馈电阻Rfb1和Rfb2确定，Rilim为限流电阻。
设计中为了减小开关电流的脉动，降低输出纹波，在体积和成本允许的情况下设计选用饱和电流比较大的电感，因为当磁芯接近饱和时损耗增大，会降低转换效率。电感的饱和电流至少应大于充电回路中的峰值电流。同时，电感的直流电阻会消耗一定的功率，在体积和成本许可的情况下应选用直流电阻尽量小的电感。另外对于低噪声应用，为降低电源的EMI，优先选用具有闭合磁芯的电感。
设计中选择滤波电容的主要依据是系统对电源纹波的要求。滤波电容的等效串联电阻(ESR)是造成输出纹波的主要因素，而且也会影响到转换效率，设计选用低ESR的电容。陶瓷电容和钽电解电容具有较低的ESR，也可选用低ESR的铝电解电容，但应尽量避免使用标准铝电解电容。容量一般在10mF~100mF，对于较重的负载设计可选取大一点的电容。较大容量的滤波电容有利于改善输出纹波和瞬态响应。
在每次开关结束时，环路中可以观察到振荡现象，造成对单片机和其它电路的干扰，尤其是对语音信号处理电路影响较大。因此，在对噪声敏感的设计中必须对其加以抑制。在回路中接入肖特基二极管D1来抑制这种EMI。具体做法是：当电感中的能量释放完毕后，通过D1使谐振电路处于临界阻尼或过阻尼状态，将剩余能量消耗在D1上，减小电磁辐射，确保单片机正常工作。同时，肖特基二极管D1的另一重要作用是吸收电感的反向电动势，以保护电源管理芯片LM2673-ADJ。
温度检测电路
系统选用集成电路温度传感器LM92检测室内环境温度。LM92是单片高精度数字温度传感器。其内部的12位温度ADC可将被感应温度的模拟量转换为0.0625℃量化间隔的数字量，常温下精度可达±0.33℃，并可与用户设置的温度点进行比较。
LM92采用I2C串行总线和数据传输协议实现同PIC16C72A的数据传输。在数据传输的过程中，LM92为从器件，通过数据输入/输出线SDA以及时钟信号线SCL与总线相连。当SCL保持高电平时，SDA从高电平到低电平的跳变作为数据传输的开始信号，随后传送LM92的地址信息和读/写控制位。地址信息的格式为：
1 0 0 1 0 A1 A0 R/W
根据A1A0的不同编码，最多可允许4片LM92挂接在同一条串行总线上。读/写控制位为1表示对LM92进行读操作，为0表示写操作。每个字节传送结束，要收到接收数据一方的应答信号(ACK)后方可开始下一步操作。最后，在SCL保持高电平的情况下，SDA从低电平到高电平的跳变作为数据传输的结束信号。
具体操作过程是：PIC16C72A首先传送开始信号，接着写入芯片地址信息和读/写控制位，之后写入要访问的片内寄存器地址，当收到LM92的应答信号后，再次传送开始信号，并写入芯片地址信息和读/写控制位，当收到LM92的应答信号后，可读/写被访问寄存器的数据，最后传送结束信号。
液晶显示电路
HT1621是一种具有微控制器接口，由存储器映射的32×4点阵式LCD模块。电路上电时清零复位，通过命令端进行工作状态设置，通过片选、读、写端对RAM数据进行读、写和修改等操作，按照一一对应的原则驱动LCD。该液晶显示模块可用于点阵式LCD显示驱动，通过选择SEG端和COM端，非常容易对RAM数据进行修改，所以显示点阵的内容方便、灵活，且可随用户任意制定。编程时仅需考虑向HT1621内部的RAM写入1或0，1代表显示，0代表不显示，这样HT1621按照写入RAM的内容状况，内部自行动态驱动刷新。
HT1621的系统时钟用来产生时基/WDT电路的时钟、LCD驱动时钟和蜂鸣频率。时钟可以来自片内RC振荡器(256kHz)、晶体振荡器(32.768kHz)或由S/W设置的外部256kHz输入时钟。系统初始上电后，HT1621处于SYS DIS，即系统关闭状态。
设置HT1621和传送LCD显示数据的指令共有两种模式。一种是命令模式(其操作代码ID是100)，另一种是数据模式(其操作代码ID分别为读110和写101)。命令模式出现在数据和命令传送之前，如出现连续命令，命令模式的ID可以被忽略(除第一个命令ID100外)。当系统工作在不连续命令或不连续地址数据模式下，CS引脚应设置为高电平，而先前的工作模式将被复位。当CS引脚为低电平时，用户应该首先设置新的工作模式ID。
HT1621液晶显示模块的CS引脚设置为高电平时，主控制器同HT1621之间的数据和命令的传输被禁止；数据线DATA是串行数据输入/输出线；主控制器在RD信号上升沿和随后的下降沿之间读出正确的数据；数据线上的数据、地址以及命令在WR信号上升沿被读入HT1621；主控制器通过连接HT1621的IRQ引脚执行时间基准或WDT功能。
语音处理电路
语音处理电路采用单片语音录放电路ISD1420，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器和输出放大器组成。借助于直接模拟存储技术(DAST TM)，录音内容存入永久存储单元，实现零功率信息存储。利用它，音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入EEPROM。直接模拟存储允许使用单片固体电路方法完成其原始语音的再现，不仅语音质量优良，而且还具有断电语音保护功能。
语音放大电路
ISD1420的喇叭输出(SP+，SP-)端可直接驱动8W以上的喇叭，但输出只有12.2mW/16W，因此要对输出的音频信号进行功率放大。在本设计中功率放大器采用Boomer 3W 单声道功率放大器LM4991MA。
LM4991MA的工作电压为2.2~5.5V，具有低电流关闭模式，用很少的外围元件即可完成音频信号的功率放大。
键盘响应电路
设计键盘响应电路时，使用PIC16C72A的PORTB (PB4~PB7)端口的中断功能。根据实际情况，在PIC16C72A的“INTCON中断使能寄存器”中的“RBIE位”写入相应的值，写入“1”表示中断允许，写入“0”表示不能中断。按键时，产生中断，程序进入中断服务程序，读取PORTB端口寄存器的数值即可判断是那一个键被按下。在中断允许的端口，PIC16C72A内部有上拉电阻，这样键盘响应电路的设计十分简洁，要注意的是应用软件中要增加键盘消抖动子程序，防止误操作。

软件设计
本中央空调控制器的软件设计思想是：各个功能组件实现模块化编程，软件流程采用中断工作方式。目的是使应用软件流程清晰，可读性强，易于功能调试以及产品的维护和升级。
本软件主要由初始化、中断服务、液晶显示和留言控制四个部分组成。
初始化
在程序的初始阶段应首先对PIC16C72A进行初始化操作，包括设置I/O端口的输入/输出状态，设置中断寄存器参数，设置定时器参数、增添状态标志寄存器和检测室内环境温度等等。液晶显示器件的参量设置也在初始化阶段完成。
HT1621液晶显示模块初始化步骤是：延时200ms，写入模块初始化命令，设置偏置和COM端口；定义振荡方式，内部RC或外接晶振；打开振荡器和启动LCD显示。
中断服务
中断服务程