在洗衣機(jī)、空調(diào)、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(jī)控制、模擬傳感器測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制以及TRIAC(三端雙向可控硅)/LED/LCD驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。MCU控制并管理著電器的所有功能和特性。當(dāng)用戶按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，輸入信號(hào)會(huì)從前端面板鍵盤傳輸?shù)轿⒖刂破?，然?a target="_blank">微處理器(MPU)會(huì)啟動(dòng)三相無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)/永磁同步電機(jī)(PMSM)。電機(jī)的速度將根據(jù)用戶從前端面板鍵盤輸入的指令進(jìn)行變化和控制。

MCU使用內(nèi)部或外部串行EEPROM(基于I2C/SPI接口)來(lái)存儲(chǔ)舊數(shù)據(jù)。它使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)來(lái)顯示準(zhǔn)確的時(shí)間信息。溫度測(cè)量通過(guò)板載的電阻溫度檢測(cè)器(RTD)、熱敏電阻或熱電偶等溫度傳感設(shè)備來(lái)完成。MCU使用外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和放大器來(lái)接收來(lái)自傳感器、溫度和電池的模擬輸入。它使用外部信號(hào)調(diào)理電路、比較器和柵極驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制三相

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

洗衣機(jī)中的MCU

洗衣機(jī)中的MCU包含以下模塊：

在洗衣機(jī)中，MCU通過(guò)外部ADC接收模擬輸入(水位傳感器、水質(zhì)硬度傳感器、濕度傳感器、門開(kāi)傳感器、衣物負(fù)載傳感器、光學(xué)傳感器、洗滌劑濃度傳感器、負(fù)載不平衡傳感器和容量傳感器)。溫度感應(yīng)由板載RTD完成，并使用外部EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如自定義洗滌程序、記憶備份、童鎖和收藏設(shè)置。微控制器使洗衣機(jī)能夠自動(dòng)調(diào)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(hù)和門蓋打開(kāi)檢測(cè)。時(shí)鐘和定時(shí)器用于實(shí)現(xiàn)睡眠模式以及在操作中添加延遲(延遲啟動(dòng)條件)。蜂鳴器(基于PWM)可產(chǎn)生不同頻率的音調(diào)，并在過(guò)載情況下提供警報(bào)音。MCU還會(huì)在洗滌完成后自動(dòng)關(guān)閉機(jī)器，從而節(jié)省電力。

空調(diào)中的MCU

空調(diào)中的MCU包含以下模塊：

在空調(diào)中，MCU通過(guò)外部ADC接收模擬輸入(傳感器輸入)。溫度感應(yīng)由板載RTD和熱敏電阻完成，并使用外部EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(設(shè)定溫度值)。MCU使用PWM和比較器控制外部BLDC電機(jī)和風(fēng)扇。它接收各種過(guò)濾器輸入，用于空氣凈化。

MCU根據(jù)用戶設(shè)定的溫度控制電機(jī)和壓縮機(jī)。MCU還使用繼電器驅(qū)動(dòng)器和TRIAC驅(qū)動(dòng)電路來(lái)切斷系統(tǒng)的交流電源輸入。它使用時(shí)鐘和定時(shí)器來(lái)設(shè)置睡眠模式、自動(dòng)關(guān)機(jī)功能和24小時(shí)開(kāi)/關(guān)定時(shí)器功能。它使用基于PWM的蜂鳴器產(chǎn)生各種頻率的音調(diào)。MCU還控制自診斷功能，包括自動(dòng)重啟和過(guò)流保護(hù)。在斷電期間，它會(huì)自動(dòng)將空調(diào)恢復(fù)到之前的設(shè)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(guò)外部ADC接收來(lái)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(yīng)由板載RTD和熱敏電阻完成，并使用外部EEPROM存儲(chǔ)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(dòng)重啟、自動(dòng)除味、自動(dòng)保護(hù)和溢水保護(hù)。在斷電期間，它會(huì)自動(dòng)將微波爐恢復(fù)到之前的設(shè)置。

MCU使用時(shí)鐘和定時(shí)器來(lái)實(shí)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(chǎn)生不同頻率的音調(diào)。它還會(huì)在操作完成時(shí)自動(dòng)關(guān)閉微波爐，或在未使用/未設(shè)置時(shí)(由用戶)進(jìn)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(qū)動(dòng)和控制三相電機(jī)(BLDC/PMSM)，以根據(jù)用戶輸入控制風(fēng)扇。它通過(guò)外部ADC接收來(lái)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(kāi)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(cè)和水/冰分配器。溫度感應(yīng)由內(nèi)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(chǔ)舊數(shù)據(jù)，例如自定義程序、記憶備份、童鎖和收藏設(shè)置。MCU使冰箱能夠自動(dòng)適應(yīng)斷電情況。

MCU根據(jù)用戶設(shè)定的期望溫度值控制電機(jī)和壓縮機(jī)。它還通過(guò)有效改變壓縮機(jī)速度來(lái)控制和調(diào)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(dòng)重啟、童鎖、防病毒保護(hù)器、自動(dòng)平衡系統(tǒng)、溢水保護(hù)和門開(kāi)檢測(cè)。

MCU使用時(shí)鐘和定時(shí)器來(lái)設(shè)置定時(shí)器和日歷、實(shí)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(chǎn)生不同頻率的音調(diào)，并在門打開(kāi)時(shí)間超過(guò)指定時(shí)長(zhǎng)時(shí)發(fā)出警報(bào)。

當(dāng)門關(guān)閉時(shí)，MCU會(huì)自動(dòng)關(guān)閉某些功能，從而節(jié)省整體功耗。即使在斷電(睡眠模式)時(shí)，它也能通過(guò)供應(yīng)冷氣來(lái)延遲溫度上升。用戶可以將冰箱設(shè)置為假日模式，這樣MCU(在睡眠模式下)以最低能耗模式運(yùn)行。MCU為冰箱提供不同的內(nèi)部和外部接口，包括FM收音機(jī)、MP3播放器、均衡器、通過(guò)USB、UART等的手機(jī)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(gòu)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)今的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)架構(gòu)結(jié)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(chǎn)品開(kāi)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(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)充和擴(kuò)展，它集成了一個(gè)MCU、硬件可編程邏輯、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換以及常用的固定功能外設(shè)。這使得開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)⒏喙δ芎徒M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(jī)存取存儲(chǔ)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(dāng)內(nèi)部集成RTC時(shí)，就不再需要外部時(shí)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(wú)需外部控制器即可進(jìn)行通信。集成的DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)、ADC、PWM和比較器資源進(jìn)一步整合了系統(tǒng)，使得單個(gè)SoC就能提供家電所需的功能。

有傳感器與無(wú)傳感器電機(jī)控制

無(wú)傳感器電機(jī)控制方法不需要霍爾傳感器;相反，它使用反電動(dòng)勢(shì)(BackEMF)過(guò)零檢測(cè)技術(shù)來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)繞組都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓(反電動(dòng)勢(shì))，該電壓與供給繞組的電源電壓方向相反。反電動(dòng)勢(shì)的極性與用于繞組激磁的電壓方向相反，并且與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。

在圖11中，來(lái)自三相的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)被終止，直流母線電壓經(jīng)過(guò)縮放并路由到可編程SoC。SoC將使用多路復(fù)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(jìn)行比較。級(jí)聯(lián)數(shù)字邏輯將濾除PWM信號(hào)以獲得真實(shí)的過(guò)零信號(hào)。MCU將根據(jù)此信息決定換相。

可選的電流控制將應(yīng)用于PWM輸出控制，以調(diào)節(jié)電機(jī)電流。這個(gè)內(nèi)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(jìn)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(wú)刷電機(jī)控制使用霍爾傳感器輸入來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，從而控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。它向MCU提供霍爾傳感器輸入，并作為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)工作。

基于觸控的家電設(shè)計(jì)

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

許多SoC提供生產(chǎn)就緒的庫(kù)和設(shè)計(jì)工具，可自動(dòng)調(diào)整按鈕和滑塊的靈敏度，從而在設(shè)計(jì)周期中省去手動(dòng)調(diào)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(yīng)功能;當(dāng)用戶將手靠近前面板時(shí)，前面板將被激活。

在前端面板上實(shí)現(xiàn)基于觸摸屏的設(shè)計(jì)(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(shè)備中，SoC可以通過(guò)UART和USB協(xié)議與iPod/iPhone通信。用戶可以控制iPod/iPhone設(shè)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(gè)人局域網(wǎng)技術(shù)(如藍(lán)牙)，以便用戶可以創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化家電網(wǎng)絡(luò)。

像微波爐這樣的家電中的語(yǔ)音引導(dǎo)技術(shù)，能在烹飪過(guò)程的每一步為用戶提供幫助。要瀏覽自動(dòng)調(diào)整的菜單，用戶只需按一次按鈕，語(yǔ)音就會(huì)引導(dǎo)完成各個(gè)步驟。這也可以通過(guò)SoC來(lái)實(shí)現(xiàn)。

家電設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

使用上述任一種方法的家電系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括：

·電壓波動(dòng)保護(hù)

·防水及耐水特性

·實(shí)現(xiàn)通用電源

此外，驅(qū)動(dòng)三相汽車電機(jī)需要選擇具有低導(dǎo)通電阻(LowRon)和低柵電容的功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。同時(shí)，使用大功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的電路板必須設(shè)計(jì)成能夠處理來(lái)自電源的高板載電流。

在涉及機(jī)電結(jié)構(gòu)的電器中，有必要設(shè)計(jì)一種緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的機(jī)電解決方案，以滿足安全性的EMI/EMC(電磁干擾/電磁兼容)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

家電應(yīng)用需要故障檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制。還需要設(shè)計(jì)具有電池保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和啟動(dòng)失敗保護(hù)的電源。實(shí)現(xiàn)自診斷是另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。家電及相關(guān)設(shè)備需要24/7全天候持續(xù)工作。選擇可靠的組件對(duì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)也是一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

故障分析與退貨材料分析（RMA）

增加板上的內(nèi)部和外部接口數(shù)量，會(huì)增加入侵者對(duì)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(gè)問(wèn)題。

浮思特科技深耕功率器件領(lǐng)域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及單片機(jī)(MCU)、觸摸芯片，是一家擁有核心技術(shù)的電子元器件供應(yīng)商和解決方案商。