摘  要： 針對目前的中央空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤管部分，設(shè)計了一個基于超低功耗微控制器MSP430的溫控器，其中包括液晶顯示觸摸模塊和風(fēng)機(jī)盤管控制模塊兩部分。操作者可以通過觀察液晶上的數(shù)字，操作液晶上面的觸摸按鍵來控制風(fēng)機(jī)盤管控制模塊，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)盤管實現(xiàn)控制空氣溫度的目的。在之前的溫控器的基礎(chǔ)上，首先采用超低功耗的微控制器作為主芯片設(shè)計低功耗的溫控器；其次，在該設(shè)計中風(fēng)機(jī)盤管控制模塊是個雙串口通信模塊，既可以通過液晶模塊控制風(fēng)機(jī)盤管，也可以通過上位機(jī)遠(yuǎn)程操作控制風(fēng)機(jī)盤管。
關(guān)鍵詞： 風(fēng)機(jī)盤管；超低功耗；MSP430；溫控器；液晶顯示觸摸模塊；風(fēng)機(jī)盤管控制模塊

　針對目前中央空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管溫控器[1]并沒有充分考慮節(jié)能以及沒有很好的人機(jī)交互界面的現(xiàn)狀，本文在設(shè)計性能可靠的風(fēng)機(jī)盤管溫控器的基礎(chǔ)上，充分考慮了節(jié)能和良好的人機(jī)交互界面。
　目前，國內(nèi)外市場上存在很多類型的風(fēng)機(jī)盤管溫控器。其基本都是以可靠地實現(xiàn)溫度控制為唯一目的，所以，市場上現(xiàn)存的很多溫控器依然存在高功耗的問題。而且在人機(jī)交互方面依然以古老的顯示界面和機(jī)械式按鍵為主。
　本文設(shè)計的基于超低功耗微控制器MSP430的風(fēng)機(jī)盤管溫控器在性能可靠的基礎(chǔ)上，不僅充分考慮了節(jié)能問題，而且設(shè)計了觸摸式的液晶顯示屏，以達(dá)到良好的人機(jī)交互。
1 系統(tǒng)分析與設(shè)計
　該溫控器[1]系統(tǒng)總體上可分為液晶顯示和風(fēng)機(jī)盤管[2]控制兩大模塊。其中，液晶顯示模塊的作用的是：不僅可以通過其直觀地觀察到溫度、時間等參數(shù)，還可以通過相應(yīng)的操作來控制風(fēng)機(jī)盤管控制模塊，進(jìn)而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)盤管的作用，最終營造一個舒適的溫度環(huán)境。風(fēng)機(jī)盤管控制模塊的主要作用是：一方面采集周圍的溫度、目前的時間等參數(shù)實時地傳給液晶顯示模塊；另一方面實時接收來自液晶顯示模塊的指令來控制，對指令進(jìn)行一些判斷后直接控制風(fēng)機(jī)盤管，進(jìn)而達(dá)到對室內(nèi)進(jìn)行制冷、制熱、通風(fēng)等操作，最后使風(fēng)機(jī)盤管所處的環(huán)境盡可能達(dá)到要求。
　因為該系統(tǒng)涉及人機(jī)交互以及風(fēng)機(jī)盤管控制兩個方面，所以整個系統(tǒng)分為液晶顯示模塊和風(fēng)機(jī)盤管兩大模塊進(jìn)行設(shè)計。整個系統(tǒng)的框圖如圖1所示。系統(tǒng)充分利用了超低功耗微控制器MSP430[3]自身的資源，具有可編程、功耗低等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　根據(jù)系統(tǒng)的分析與設(shè)計將系統(tǒng)的硬件分為液晶顯示模塊和風(fēng)機(jī)盤管控制模塊兩大模塊進(jìn)行設(shè)計，兩個模塊之間通過RS-485進(jìn)行通信。液晶顯示模塊主要集成了液晶顯示、按鍵輸入、蜂鳴器、串口通信、JTAG接口、電源、復(fù)位以及晶振8個功能模塊；風(fēng)機(jī)盤管控制模塊主要集成了溫度采集、實時時鐘、繼電器組、串口通信、JTAG接口、電源、復(fù)位以及晶振8個功能模塊。
2.1 液晶顯示模塊設(shè)計
　液晶顯示模塊以超低功耗微控制器MSP430G2553[4]為核心，主要配有液晶顯示、按鍵輸入、蜂鳴器、串口通信、JTAG接口、電源、復(fù)位以及晶振8個模塊電路。液晶顯示采用大小為68 mm×72 mm的段式HTN/NEGTIVE LCD液晶顯示屏，用芯片HT1621B進(jìn)行驅(qū)動；按鍵輸入采用觸摸按鍵的方式，將顯示與按鍵一體化；蜂鳴器電路是配合按鍵使用的，當(dāng)按鍵按下時，蜂鳴器會發(fā)出短暫的鳴笛，使操作者知道按鍵已經(jīng)成功按下；串口通信采用RS-485接口與風(fēng)機(jī)盤管控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和命令的傳輸，芯片采用DS76176B；JTAG接口電路主要實現(xiàn)程序的下載，并進(jìn)行在線調(diào)試；電源電路根據(jù)電路的需求，提供5 V和3.3 V兩種電源；復(fù)位電路采用可靠性比較高的芯片復(fù)位電路，復(fù)位芯片為MAX809STR；晶振電路采用MSP430G2553芯片的內(nèi)部晶振，節(jié)約設(shè)計成本，而且經(jīng)測試穩(wěn)定性很高。液晶顯示模塊的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

　液晶顯示屏和觸摸面板是根據(jù)該設(shè)計的功能而設(shè)計定做的，其面板設(shè)計如圖3所示。

2.2 風(fēng)機(jī)盤管控制模塊設(shè)計
　風(fēng)機(jī)盤管控制模塊以超低功耗微控制器MSP430F149[5]為核心，主要配有溫度采集、實時時鐘、繼電器組、串口通信、JTAG接口、電源、復(fù)位以及晶振8個模塊電路。溫度采集電路主要通過溫敏電阻加上A/D變換電路來采集當(dāng)前的溫度值；實時時鐘通過芯片DS1302來設(shè)置并顯示當(dāng)前的日期、星期和具體時間值；繼電器組共有5個繼電器，分別控制風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)速的高、中、低擋的變化，還有冷水閥和熱水閥的開關(guān)；串口通信用兩片DS75176，一方面可以與上位機(jī)直接進(jìn)行通信，另一方面與液晶顯示模塊進(jìn)行通信；JTAG接口用來對程序進(jìn)行下載，并進(jìn)行在線調(diào)試；電源電路將220 V的市電分別變?yōu)?2 V、5 V和3.3 V 3種電源；復(fù)位電路采用性能較高的芯片復(fù)位電路；晶振電路有32.768 kHz和8 MHz兩種。風(fēng)機(jī)盤管模塊的硬件設(shè)計框圖如圖4所示。

　風(fēng)機(jī)盤管控制模塊通過5個繼電器來控制風(fēng)機(jī)盤管的運行，有效地將強(qiáng)電和弱電進(jìn)行了隔離。模塊和盤管之間是通過一些接線端子進(jìn)行連接的。接線端子如圖5所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　對于軟件的總體設(shè)計，考慮到單片機(jī)的資源以及功能需求，并沒有用到任何操作系統(tǒng)，而采用裸機(jī)架構(gòu)?？傮w軟件架構(gòu)如圖6所示。在具體的軟件設(shè)計過程中，液晶顯示模塊和風(fēng)機(jī)盤管控制模塊的程序是分兩個工程分別實現(xiàn)的。兩個模塊之間通過Modbus通信協(xié)議進(jìn)行通信。
3.1 液晶顯示模塊軟件設(shè)計
　液晶顯示模塊的軟件主要包括液晶顯示的驅(qū)動程序、按鍵程序、通信協(xié)議、液晶顯示API以及液晶應(yīng)用程序5個部分。整個軟件程序圍繞主芯片MSP430G2553[6]展開。軟件的整個流程如圖7所示。

3.1.1 液晶顯示驅(qū)動程序
　液晶顯示驅(qū)動程序是用來點亮每一個顯示界面上的符號，其主要功能是根據(jù)應(yīng)用程序的需求通過API的調(diào)用顯示特定的模塊，以給各種參數(shù)和數(shù)據(jù)一個直觀的顯示。
3.1.2 按鍵程序
　按鍵程序的作用是設(shè)計按鍵按下后實現(xiàn)的動作，在該設(shè)計中主要用來實現(xiàn)制冷、制熱、通風(fēng)3種風(fēng)機(jī)運行模式的切換、時間的設(shè)置、溫度的調(diào)節(jié)、風(fēng)速大小的調(diào)節(jié)等功能。在該設(shè)計中，一共有開關(guān)、模式、上/下鍵、風(fēng)速5個按鍵。
3.1.3 通信協(xié)議
　系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議進(jìn)行通信，液晶顯示面板在通信過程中設(shè)置為主模式，主要的作用是發(fā)送指令給從設(shè)備，獲取相應(yīng)的信息進(jìn)行顯示，并對從設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作。
3.1.4 液晶顯示API
　液晶顯示API是在應(yīng)用程序與驅(qū)動程序之間搭建的一個橋梁。如果要完成相應(yīng)的顯示，首先應(yīng)用程序會調(diào)用液晶顯示API，然后液晶顯示API會調(diào)用相應(yīng)的顯示驅(qū)動完成相應(yīng)的顯示，最后達(dá)到應(yīng)用程序要顯示的效果。
3.1.5 應(yīng)用程序
　應(yīng)用程序處在整個程序框架的最高層，是真正想要實現(xiàn)的功能或者得到的數(shù)據(jù)的體現(xiàn)。應(yīng)用程序可以調(diào)用驅(qū)動程序進(jìn)而驅(qū)動物理層實現(xiàn)一定的功能，也可以通過調(diào)用通信協(xié)議實現(xiàn)與其他設(shè)備的通信。
3.2 風(fēng)機(jī)盤管控制模塊軟件設(shè)計
　風(fēng)機(jī)盤管控制模塊的軟件主要包括溫度的采集、實時時鐘和EEPROM的驅(qū)動、Modbus通信協(xié)議、對繼電器組的控制等程序。整個程序圍繞主芯片MSP430F149[7]展開，風(fēng)機(jī)盤管控制模塊的整個軟件流程如圖8所示。

3.2.1 溫度的采集程序
　溫度的采集是通過溫敏電阻對周圍溫度進(jìn)行采集，主要作用是給觀察者提供一個溫度參考，結(jié)合當(dāng)前的溫度，來對風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行相應(yīng)的操作。
3.2.2 實時時鐘和EEPROM的驅(qū)動程序
　實時時鐘的程序?qū)φ麄€控制來說是一個附加的功能，在顯示面板上提供了時鐘、日期和星期3種顯示，可以方便觀察者查看當(dāng)前的日期，給以后比如計時和計費等功能的擴(kuò)展提供了方便。
EEPROM驅(qū)動程序的作用是使EEPROM芯片可以達(dá)到單字節(jié)操作、頁操作以及任意地址開始連續(xù)讀取多個字節(jié)的操作。EEPROM程序的作用是保存一些設(shè)置的參數(shù)，以便掉電后重新打開時可以讀取之前的設(shè)置。
3.2.3 Modbus通信協(xié)議
　風(fēng)機(jī)盤管控制模塊是一個雙串口的模塊，一方面可以與液晶顯示模塊進(jìn)行通信，另一方面可以與上位機(jī)進(jìn)行通信，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。風(fēng)機(jī)盤管控制模塊的Modbus通信協(xié)議為從模式。
4 基于MSP430的風(fēng)機(jī)盤管溫控器的實現(xiàn)
　在整體框架設(shè)計完成之后，開始實物的制作。利用PCB制作軟件AltiumDesigner[8]畫完電路板后送工廠制作。在電路板完成之后，利用集成開發(fā)環(huán)境IAR[9]進(jìn)行了軟件的設(shè)計。在軟件設(shè)計實現(xiàn)過程中參考了一些MSP430C語言程序設(shè)計[10]的書籍。在整體設(shè)計完成之后，對其進(jìn)行了整體的實現(xiàn)，并通過連接風(fēng)機(jī)盤管，可以很好地控制風(fēng)機(jī)盤管，實現(xiàn)想要的功能。基于MSP430的風(fēng)機(jī)盤管溫控器顯示面板如圖9所示。

　針對目前風(fēng)機(jī)盤管對溫控器的需求，設(shè)計了一個基于MSP430這個超低功耗芯片的溫控器。設(shè)計中合理利用了MSP430芯片的低功耗、可編程、可在線調(diào)試等優(yōu)點。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地采集風(fēng)機(jī)盤管周圍的溫度，并反饋給顯示器。觀察者可以根據(jù)當(dāng)前情況設(shè)置制冷、制熱、通風(fēng)3種模式，使風(fēng)機(jī)盤管所在的環(huán)境達(dá)到所要求的程度。該設(shè)計的缺點是通過有線的方式進(jìn)行施工，布線比較復(fù)雜，可移動性差。下一步的工作是進(jìn)行無線溫控器的設(shè)計，減少布線帶來的麻煩，增加該設(shè)計的可移動性和擴(kuò)展性。
參考文獻(xiàn)
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