单片机在现代电器上的应用研究

李建华 王清辉 陈晶晶

(龙岩学院 物理与机电工程学院，福建 龙岩 364000)

0 前言

目前我国现代化的建设已经取得了初步的成绩，人们的生活水平提高了，随之而来的是人们对电器产品的要求增加了。以往的陈旧功能难以满足人们的生活需要，必要的创新和发展是电器发展的必然方向。为了满足变化的市场需求，使用单片机这种体积较小，而且性能又十分优越的部件替换那些陈旧的，没有创新前途的部件是一种非常可行的办法。因此，单片机技术在现代电器中得到了广泛的应用。现在智能的控制设备备受人们的亲睐，一切电器走向智能化是电气发展的必然趋势。

1 单片机概述

单片机的全称叫做单片微控制器，它不仅仅是一个小型的部件，而是一台计算机系统浓缩后的集成部件，拥有计算机系统的完整功能，因此它能够被用于电器的智能控制中。在单片机的研究领域中因特尔公司作为老牌计算机公司，有着领军的实力。在20世纪70年代由因特尔公司的工程师霍夫成功制作出世界上第一台微处理器，在计算机领域取得了重大的突破，开创了微处理器时代。随后一些实力雄厚的电子技术公司开始深入研究单片机的智能控制技术。单片机嵌入技术发展并开始逐渐应用于自动控制设备[2]。直到20世纪80年代单片机技术才开始流入国内，从这时开始国内的单片机技术才逐渐发展起来。由于我国对于单片机领域研究时间落后于世界强国，技术上难以和世界先进技术相比，因此我国的单片机技术还处于缓慢的发展期[3]。到目前为止，我国的单片机技术已经取得了一些成就，但更多的是需要这方面的人才来参与加强单片机技术的研究与创新，追赶世界的脚步。我国目前的单片机使用量已经呈现逐年飞速增长的趋势，但是相对于世界单片机使用量来说却仅仅占了1%，可想而知在单片机的应用领域国内有着较大的可开发空间，这也从侧面反应我国的单片机技术发展比较落后。因此未来我国单片机的发展前景十分广阔，培养新型人才，加强单片机的创新研究和应用研究是我国单片机发展的必然趋势[4]。

2 单片机的分类和结构

单片机是计算机技术发展后的必然产物，根据目前单片机应用的角度不同，单片机主要可以分为以下几种不同的类型：首先是通用型和专用型，顾名思义就是能够在电器中通用的单片机和专门为某一种产品而研制的单片机，当然前者的应用更为广泛，而后者的功能更具有针对性；其次就是总线型和非总线型单片机，这主要是根据单片机是否提供并行的总线来进行分类，有的单片机串口较多，需要扩展外围的部件，因此被归为总线型单片机[5]。另外一些非总线型单片机已经通过集成将必要的线路聚合成一个整体模块，无需再对总线进行扩展，也更加简洁和方便；最后一类就是控制型和家电型单片机，这一类单片机主要是根据其应用的范围来划分的。控制型单片机一般性能强劲，运算能力突出，造价也比较高，而家用型单片机则多为体积十分小巧，接口集成度比较高，对于某种电器专用性比较强的单片机。

单片机的结构与计算机相似，主要包括运算器、控制器和主要寄存器。其中运算器是单片机的核心部件，主要通过累加器和数据寄存器获取数据后进行各种常规运算和逻辑性运算。而控制器顾名思义就是单片机发布命令的中央部件，通过接受运算器数据有做出相应的调整和发出操作命令，保证单片机正常运行[6]。主要寄存器也是单片机的一个重要组成部分，它包括寄存数据和操作命令的所有寄存部件，无论是在运算还是控制系统的正常运行中，都需要主要寄存器的配合。单片机的结构看似简单，其中包含的各个小部件却精密无比，通过小巧的单片机我们能够实现计算机系统的功能，十分方便和实用。

3 单片机在现代电器中的应用

在以前的电子技术领域，人们采用将复杂的电路压缩进电器中，来保证电器的正常运行和工作，但是这样生产的电器体积大，携带不方便，成本也高，生产过程中需要注意的工艺也比较难以掌握，而且在使用过程中随着部件的逐渐老化，电器中控制系统开始逐渐失灵。单片机的出现解决了这些问题，由于单片机本身就是一个微型电脑，体积也比较小，因此我们只需要将单片机嵌入电器的控制部件中就能够智能的对电器功能进行控制，十分方便，而且不需要复杂且体积庞大的电路做基础[7]。只需要几条基础的电路和编写完全的程序就能够完成电器的制作。这样不仅成本大大降低，制作技术要求也降低了，使用寿命也增加了。总的来说，单片机系统结构较为简单，一般为集成的模块，使用时方便快捷，运算速度和处理速度快，工作时间长，使用寿命也比较长，消耗电能相对较少，有很强的适应性这都是它的突出优势。目前我国的单片机技术主要应用于电脑、通讯产品、家用电器、车辆制造等现代电器制造方面，适用范围正在逐年扩大，使用量也不断增加。单片机的使用不仅促进了我国电器制造行业的发展，也方便了我们的生活，大量单片机技术的应用已经让我们尝到了智能控制的甜头，在生活节奏逐渐加快的城市中，智能控制的电器是人们解决生活问题的首要选[8]择。

我国的单片机技术虽然落后于世界的发达国家，但是近几年来也取得了很大的进步，发展速度很快，到目前为止我国的单片机技术已经逐渐应用到社会生活与生产的各个方面中。无论是交通工具的仪表控制还是通讯工具的数据传送以及工业生产的控制系统都有单片机的身影出现。总的来说单片机应用的领域主要可以归为一下几类：（1）仪器仪表类，单片机在仪器仪表中的使用减小了仪器仪表的体积，而单片机适应各种环境的能力也为仪器仪表正常工作提供了保障。使用单片机之后的仪器和仪表不仅能够正常的显示待测的数据还能够智能调整和提示并进行分析，实用效果十分良好[9]。（2）工业控制系统类，工业生产过程中需要控制复杂而精密的生产设备，单片机以其体积小巧，运算功能强大使得设备的实时精准控制得以实现。使用单片机之后，工厂的流水生产线能够通过单片机的智能调控进行自主生产，出现状况时也会得到智能报警并停止运行。这样大大节省了工厂的生产成本，增加了流水线的生产质量。当然这也需要我们预先设定好相关的程序，然后才能够实现预想的效果。（3）

家用电器类，这一类是我们所熟知的，无论是智能控温的电饭锅、冷冻保鲜的电冰箱、全自动洗衣机以及家庭影院等等，单片机应用于我们生活电器的方方面面[10]。没有它的智能控制，一不注意米饭会糊掉，衣服会洗破，肉类蔬菜保鲜难等等这些都会影响我们正常的生活。（4）网络和通信类，互联网已经走进了千家万户，手机、电话是每个人的必备通讯手段，单片机的应用方便我们的沟通，方便了信息的流通。如果突然没有了这些手段，那生活将是无法想象的灾难。（5）汽车电子类，汽车使我们出行的必备工具之一，汽车内定许多元件都需要单片机的智能控制，简单如GPS导航系统，复杂如自动检测系统都是单片机应用的实例。一辆汽车的正常运行需要多种且多个单片机相互协调运作，可见单片机的重要性[11]。

4 单片机应用设计实例分析

人们生活水平提高了，物质要求也就增加了，无论是在炎热的夏季还是在寒冷的冬季人们都需要一个舒适的生活环境，这都少不了空调的身影。作为一件能够自动调控室内温度的家用电器，空调控制也是单片机应用的一个实例。

自动智能控温空调的工作原理是比较简单的，它主要的单片机控制包括控制室内温度的单片机系统和测量室外温度的单片机控制系统。我们主要以室内为例，一般是先由使用者设置合适的温度，空调的传感器能够感应室内温度，然后将温度数据传递到室内控制部分微电脑，微电脑中的单片机通过与设定温度比较和运算后下达制冷或制热的命令，同时将温度显示到显示器上。压缩机得到命令后执行加热或制冷的操作，达到制冷或制热的效果。其中制冷过程主要是通过压缩机将处于低压状态的制冷机内空气压缩后成为高压制冷蒸汽，然后将其通过冷凝器产生大量低温，然后通过风扇将低温气体吹入室内，同时将带走的热量流出室外，然后通过制冷机形态变化将热量排出。如此进行循环的空气热量移动达到降温的目的。制热则与制冷相反，将整个过程反转就能达到目的。至于室外的温控系统则与室内相似，主要是多了温度交换器，吸气、排气口温度传感器等几个硬件设备，工作原理不变，起到主要控制作用的仍是单片机控制系统。

图1 空调制冷制热工作原理示意图

空调的单片机智能控制技术已经逐渐成熟，并取得一些成就，但是在太阳能热水器上单片机的应用还不够完善。目前，国内生产的太阳能热水器大部分缺少自动控制温度的功能，使用时需要我们自己再进行加热或增加凉水来调整温度，十分不方便。如果将单片机应用到太阳能热水器中，研究一款可以自动调控温度的控制器，可以为人们的生活带来便利，也会增加太阳能热水器的市场[12]。

图2 太阳能热水器智能温控系统设计图

从硬件上来看我们需要的输入设备主要包括数据采集器、输入键盘、显示器、单片机处理器、加热器、加水阀控制器以及报警系统等等（如图2所示）。其中单片机处理器我们采用89c51单片机，89c51单片机是目前比较常用的一种即是通用型又是总线型的单片机，它采用超大规模集成电路技术，内部具有中央处理器、随机存储器、只读存储器以及多种I/O口和中断系统还拥有定时器/计时器等功能，在工控领域应用十分广泛。

图3 温度显示系统及水位指示系统电路设计

图4 水位选择、键盘及各接口电路的设计

温度显示系统及水位指示系统电路设计则如图3、图4所示进行设计，显示电路通过2个共阳型LED数码液晶管动态显示水温数值，其中使用到的两个三极管均为PNP型，7个I/O端口均用作输出段码，其中2个I/O端口输出显示温度设定值和实际温度测量值。使用用六个发光二极管作为10%、30%、50%、70%、90%、100%六个水位档的指示灯，由89C51 单片机驱动。单片机通过水位采集系统提供的水位数据，在水位低于10 %时，报警系统启动，同时加热系统停止运行；反之，当水位高于 90%时，报警系统启动，同时加水电磁阀关闭，停止加水。加水量可以根据手动设定加水至任何一个档位，也可以自动加水至100%。当水温低于3 ℃时，为了防止硬件系统冻伤可以实施防护性自动电加热，加热至20-25 ℃，如果进行手动设置则加热至设定的温度，设定温度的数值范围为25℃至65℃。两个LED能够实时显示水位和温度以及设定水位及设定温度。

从软件上来说，程序编辑过程全部程序采用89C51汇编语言编写，由主程序、键盘服务程序、水温水位采样计算程序、水位调节程序、显示程序、报警程序等模块组成。程序中应考虑加入了防死机及抗干扰措施。水温水位采样计算程序可以在RAM中开辟出水温水位各10个数据的暂存区，采用分别连续10次采样后进行去极值平均滤波的数字滤波算法，增加计算的准确性[14]。

智能温控系统的具体工作流程是：首先使用者需要将温度数值（如45℃）和水位数值（如90%）通过输入键盘输入到单片机控制系统中，再由数据采集器实时采集水温和水位数据，将水温显示在显示器上，同时通过单片机控制系统与设定的数值进行比较后发布加热或者加水的命令，控制加热器或加水阀控制器工作，同时在显示器上显示水位和水温[13]。通过水温采集器对温度进行实时监控，单片机可以随时处理温度信息做出快速判断，从而使太阳能热水器的温度达到使用者设定的温度。当然，这也仅仅是我个人的一点小的设想，具体细节也没有所说的如此简单，有待以后深入研究。

从上面两个实例我们可以看出单片机对我们生活已经产生了重要的影响，它的智能控制和小巧体积使我们在应用时得到了很大的便利，为我们的生产生活提供了便利。我们必须学会使用它，学会编写单片机的计算机程序，才能够为我国单片机研究的发展做出贡献[15]。

5 结束语

随着国内经济的不断发展，我国国民生活水品逐年提高，家用电器普遍进入普通家庭，人们对于电器功能的要求也逐渐开始变得多种多样，智能型的控制系统是人们所追捧的对象，电器产品的智能化也是电器行业发展的必然。使用单片机进行智能控制已经是必不可少的电器技术。而如今人们已经开始对单片机有了更多要求，促使国内单片机技术开始飞速发展。目前国内单片机市场前景十分可观，单片机技术的应用潜力还需要继续挖掘，当然我国的单片机技术还不够成熟，需要向世界靠拢，培养新的综合型单片机技术人才，创新现有的单片机技术，促进我国单片机技术的稳步发展是我国单片机技术发展的未来方向。

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