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摘  要：本文介紹了采用凌陽科技的SPCE061A芯片作為控制器核心的語音電冰箱。它能控制電冰箱的工作過程，并能用語音將電冰箱的工作狀態、應用常識播報給用戶，使控制過程更人性化。
關鍵詞：語音 控制

1 引言
    隨著家用電冰箱的普及，人們對電冰箱的控制功能要求越來越高，這對電冰箱控制器提出了更高的要求，多功能、智能化是其發展方向之一，傳統的機械控制、簡單的電子控制已經難以滿足發展的要求。本文介紹了采用凌陽科技公司的新秀——SPCE061A作為控制器核心，對電冰箱的工作過程進行控制，并用語音將電冰箱的一些工作狀態、使用常識播報出來，使控制過程更人性化。

2 芯片特性簡介
    SPCE061A 是凌陽科技開發的采用μ’nSP™內核的16位結構的微控制器，SPCE061A里內嵌32K字的閃存FLASH ROM。較高的處理速度使μ’nSP™能夠非常容易地、快速地處理復雜的數字信號。因此，以μ’nSP™為核心的SPCE061A微控制器也適用在數字語音識別應用領域。
    SPCE061A在2.6V~3.6V工作電壓范圍內的工作速度范圍為0.32MHz~49.152MHz，較高的工作速度使其應用領域更加拓寬。2K字SRAM和32K字閃存ROM僅占一頁存儲空間，32位可編程的多功能I/O端口；兩個16位定時器/計數器；32768Hz實時時鐘；低電壓復位/監測功能；8通道10位模-數轉換輸入功能并具有內置自動增益控制功能的麥克風輸入方式；雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能……。SPCE061A是數字聲音和語音識別產品的一種最經濟的應用。
特性：
·16位μ’nSP™微處理器；
·工作電壓：內核工作電壓VDD為2.6~3.6V(CPU)，IO口工作電壓VDDH為VDD~5.5V(I/O)；
·CPU時鐘：0.32MHz~49.152MHz ；
·內置2K字SRAM；
·內置32K閃存ROM；
·可編程音頻處理；
·晶體振蕩器；
·系統處于備用狀態下(時鐘處于停止狀態)，耗電小于2μA@3.6V；
·2個16位可編程定時器/計數器(可自動預置初始計數值)；
·2個10位DAC(數-模轉換)輸出通道；
·32位通用可編程輸入/輸出端口；
·14個中斷源可來自定時器A / B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；
·具備觸鍵喚醒的功能；
·使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容納210秒的語音數據；
·鎖相環PLL振蕩器提供系統時鐘信號；
·32768Hz實時時鐘；
·7通道10位電壓模-數轉換器(ADC)和單通道聲音模-數轉換器
·聲音模-數轉換器輸入通道內置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)功能；
·具備串行設備接口；
·低電壓復位(LVR)功能和低電壓監測(LVD)功能；
·內置在線仿真板(ICE，In- Circuit Emulator)接口。

3 系統組成
    液體由液態變為氣態時，會吸收很多熱量，簡稱為“液體汽化吸熱”，電冰箱就是利用了液體汽化的過程中需要吸熱的原理來制冷的。
    圖3.1為蒸氣壓縮式電冰箱制冷系統原理圖。它由壓縮機、冷凝器、干燥過濾器、毛細管、蒸發器等部件組成，其動力均來自壓縮機，干燥過濾器用來過濾贓物和干燥水分，毛細管用來節流降壓，熱交換器為冷凝器和蒸發器。

圖 3.1

    制冷壓縮機吸入來自蒸發器的低溫低壓的氣體制冷劑，經壓縮后成為高溫高壓的過熱蒸氣，排入冷凝器中向周圍的空氣散熱成高壓過冷液體。高壓過冷液體經干燥過濾器流入毛細管節流降壓，成為低溫低壓的液體，進入蒸發器中汽化，吸收周圍被冷卻物品的熱量，使溫度降低到所需值，汽化后的氣體制冷劑又被壓縮機吸入，至此，完成一個循環。壓縮機冷循環周而復始的運行，保證了制冷過程的連續性。
    系統組成如圖3.2，主要由電源板、 單片機、傳感器組、壓縮機控制電路、電磁閥控制電路、顯示電路、化霜控制電路、電加熱絲控制電路、語音輸出電路、風機控制電路等部分組成。

圖3.2系統組成

4 系統硬件設計
    我們知道，電冰箱一般設有冷凍室和冷藏室。冷凍室用于速凍食品，在冷凍室中的食品可以存放較長的時間，食品中的水分會凝結成霜，到一定程度還要除霜，其溫度可為-16℃ ~~~ -26℃之間。冷藏室以不凍傷食品又有保鮮作用為準，其溫度可為2℃ ~~~ 10℃之間。
    具體的說，電冰箱控制器的主要任務就是控制壓縮機、電磁閥、化霜加熱絲、風扇等的運行，來保持箱內食品的最佳溫度，達到食品保鮮的目的，即保證所儲存的食品在經過冷凍或冷藏之后，保持色、味、水分、營養基本不變。LED將設定的溫度或實際溫度顯示出來，當冷凍室溫度過高或開門時間過長還會用語音提示。

5 硬件組成
    整個系統工作于3.3V電壓下，由電源板提供5V電壓，經過LF33穩壓到3.3V為系統供電。三個按鍵分別設置冷凍室溫度、冷藏室溫度和人工智能工作方式。溫度傳感器主要由冷凍室、冷藏室、冷凍室蒸發器盤管、冷藏室蒸發器盤管速凍室、環境溫度檢測等溫度傳感器組成。主控器不斷采集冷凍室、冷藏室及環境的溫度，并根據設定的值及采集值控制各部件的運行。
5.1 鍵盤掃描、鍵碼分析
按鍵包括人工智慧鍵、冷凍調節鍵、冷藏調節鍵。鍵盤輸入電路如圖5.1。當有鍵按下時，對應的IO口為拉到高電平。

圖5.1

5.2 傳感器輸入電路
    電冰箱通過采集冷凍室和冷藏室的溫度，并根據實際溫度與設置溫度相比較來控制壓縮機、電磁閥、風扇及化霜加熱絲等部件，使各室溫度保持在相應設置值。SPCE061A單片機具有7信道10位逐次逼近式AD轉換器，本方案選用其中的5個信道來采集冷藏室、冷凍室、冷藏室盤管、冷凍室盤管和環境溫度，即傳感器主要由冷凍室、冷藏室、冷凍室蒸發器盤管、冷藏室蒸發器盤管速凍室、環境溫度檢測等溫度傳感器組成。其余2個信道用于功能的擴展。溫度傳感器采用負溫度系數的熱敏電阻。其控制原理如圖5.2。
    SPCE061A的AD輸入管腳和IOA共用，通過程序進行AD轉換功能的控制。為防止電源電壓對AD的影響，SPCE061A為AD提供了專門的電源VDDIOAL、VSSIOAL。將5個熱敏電阻分別與固定電阻R41－R45串聯接于電源VDDIOAL、VSSIOAL，當溫度改變時，熱敏電阻阻值隨之改變，測量其分壓值大小則可計算出溫度值的大小。

圖5.2傳感器控制原理

5.3 顯示電路
    顯示電路由四位8段數碼管組成，用來顯示冰箱內的實際溫度、設置溫度或故障。接口電路如圖5.3，采用動態顯示方式驅動。

圖5.3 顯示電路

5.4 壓縮機、化霜電加熱絲、風機、電磁閥控制電路
    壓縮機控制電路比較簡單，如圖5.4。由IO口輸出信號，通過8050反相驅動電路來控制繼電器，再由繼電器控制壓縮機的開停。當IO口輸出高電平時，Q11飽和導通，繼電器線圈流過電流，其觸點吸合；當IO口輸出低電平時，Q11截止，繼電器線圈無電流，其觸點斷開。壓縮機的開關由相關室的溫度決定，每次開機之前必須檢測延時保護條件是否滿足，才能作出開機決策。

圖5.4 控制電路

    化霜電加熱絲控制電路、風機控制電路、電磁閥控制電路的結構相似，只是器件參數有所不同，故在一起介紹。
5.5 斷電記憶功能
    系統擴展1塊AT24C01A來記憶斷電前的工作狀態，這樣，來電后仍按斷電前的設定工作。AT24C01A為I2C總線，利用SPCE061A的IOB0、IOB1作為SCL、SDA信號，如圖5.5，其中R23、R24為上拉電阻，I2C總線的讀寫時序由軟件控制。

圖5.5 AT24C01A

5.6 語音提示、報警電路
    SPCE061A有兩信道電流輸出型DAC，每個信道的輸出能力可編程為2mA或3mA，只需外加一個負載電阻即可轉化成電壓信號，經三極管放大推動喇叭，見圖5.6。
    每次通電開機、改變工作模式、冷凍室超溫報警等，都會以甜美的聲音提示您，以保證操作正確，開機的提示語音還會向您普及一些使用電冰箱的常識。報警電路主要用于冷凍室溫度過高時，冷凍溫度會以一定的頻率顯示，并用語音提示“冷凍室超溫”。此時應檢查冰箱門是否關好（請將冰箱門關好）？是否一次性放入大量較熱的食品？冰箱工作一段時間后，冷凍室溫度降低，冷凍溫度顯示燈停止閃爍，超溫報警自動消除。

圖5.6 

6 軟件設計

    本系統軟件主要由主流程、功能子程序、中斷服務程序組成。
    子程序主要由鍵盤掃描、鍵碼分析、溫度采集、傳感器檢測、人工智慧、冷藏室溫度采集與控制、冷凍室溫度采集與控制、壓縮機保護及控制、驅動、顯示數據計算、運行參數存儲等模塊組成，LED的顯示在256Hz的中斷程序中完成，用SPCE061A播放語音的程序在《SPCE061A單片機》一書及凌陽大學計劃網站上有詳細的講解，這里不再做分析。主流程如圖6.1。

圖6.1主程序流程

6.1 初始化子程序
    初始化模塊主要完成初始化I/O口、中斷、內存單元，并讀出AT24C01A相應單元的值進行控制，程序流程如圖6.2。

圖6.2 初始化子程序

    AT24C01A的0x02單元為標志位：當讀出的值為0xFF時，表示初次使用，則自動進入人工智慧控制模式。為0x55時，表明斷過電，讀出斷電前的工作狀態。AT24C01A單元分配：
表6.1

    每次存儲時，將各參數存儲在3個不同的單元中（同一參數存儲3次），每次上電復位后，將3個單元的數據讀出且進行比較，采取三中取二的決策方式，如果3次都不同，則進入最安全的方式運行。
6.2 鍵盤掃描、鍵碼分析
    當有鍵按下時，對應的IO口為拉到高電平，CPU掃描到按鍵動作，則根據當前運行狀態和按鍵來改變運行標志位，并開始計時，如果連續5秒無按鍵，則將有效設定送入相應控制單元。
6.3 人工智慧模塊
    人工智慧模塊通過檢測環境溫度的高低，自動確定冷凍室和冷藏室的設定溫度。如果環境溫度高，則相應地將冷藏室、冷凍室的溫度設置高一些；如果環境溫度低，則相應地將冷藏室、冷凍室的溫度設置低一些，以免壓縮機長時間運行或不運行。
6.4 冷凍室（冷藏室）溫度采集與控制
    通過冷凍室（冷藏室）溫度傳感器，采集冷凍室（冷藏室）溫度，將數據致入顯示緩沖區，并將實測溫度與冷凍室（冷藏室）的設置溫度比較，如果實測溫度高于設置溫度，則置冷凍室（冷藏室）高標志，否則返回。
    熱敏電阻靈敏度高，為了防止開冰箱門時溫度傳感器采集到的溫度變化太快，引起控制部件的頻繁動作，溫度采集采用滑動平均值濾波方法，程序中數組R_tempR[15] 為冷藏室溫度采集存儲隊列單元（程序初始化時連續采集了15次溫度，存儲在數組的15個元素中），程序每循環一次，采集一次冷藏室溫度，數組元素值依次向高位移位一次，R_tempR[14]元素的值丟失，并將溫度存入R_tempR[0]，這樣在數組中始終有15個“最新”的數據，求出數組的算術平均值作為本次測量結果。R_tempKJ[15]、R_tempF[15]、R_tempHS[15]、R_tempHW[15]分別為冷藏室蒸發器盤管、冷凍室溫度傳感器、冷凍室蒸發器盤管和環境溫度傳感器溫度采集存儲單元，計算方法同上。溫度采集流程見圖6.3。

圖6.3

6.5 壓縮機保護及控制模塊
    本模塊包括三部分：壓縮機保護子程序、壓縮機控制子程序、壓縮機啟動/停止子程序。
    壓縮機保護子程序主要用于啟動壓縮機，壓縮機每次啟動前，先檢查停機時間是否已經延時5分鐘。若已經延時5分鐘，壓縮機可以立即啟動；若未到5分鐘，則繼續延時到5分鐘后，壓縮機才可以啟動。見圖6.4。

圖6.4 壓縮機保護

    壓縮機控制子程序主要根據冷凍室和冷藏室的溫度檢測標志、化霜（結束）標志、壓縮機允許開機標志來決定壓縮機的啟動、停機，并置啟動/停機命令標志。
    壓縮機啟動/停止子程序根據壓縮機當前的運行狀態和啟動/停機命令標志來控制壓縮機的運行。
表6.2

6.6 驅動模塊
    驅動模塊包括壓縮機、電磁閥、風扇和化霜加熱絲，程序根據當前運行狀態和驅動標志位來確定其運行狀態。

圖6.5

6.7 語音輸出模塊
    凌陽科技提供了SACM-A2000、SACM-S480等語音壓縮算法，隨SPCE061A的開發環境一起提供給用戶。在用戶程序方面，開發環境提供了C語言和匯編語言的API（應用程序接口），使用非常方便。
    語音播放程序包括播放初始化程序、播放程序和中斷服務程序。播放初始化完成初始化A/D、定時器TimerA和音量，播放程序從ROM里取出預先壓縮好的語音數據，解壓縮后存放到播放隊列里。中斷服務程序定時地從播放序列中讀數據，送到D/A轉換驅動喇叭發音。
用SACM-S480算法播放程序：
SACM_S480_Initial(1); //初始化A/D、TimerA
SACM_S480_Volume(15); //初始化音量
SACM_S480_Play(result,3,3); //播放一條語音
while((SACM_S480_Status()&0x0001)==1)//播放狀態
{
SACM_S480_ServiceLoop();//播放服務函數
}
SACM_S480_Stop(); //停止播放
主播放函數SACM_S480_Play(int Index,Int Channel,Int Ramp_Set)有三個參數，
Index：播放索引號。
Channel：播放通道。1－通過DAC1通道播放，2－通過DAC2通道播放，3－通過DAC1和DAC2通道播放。
Ramp_Set：消除開始放音時的“啵”聲。
中斷服務程序：
_FIQ:
push R1,R4 to [SP] //寄存器入棧
R1 = [P_INT_Ctrl] //讀中斷標志位
R1 &= 0x2000 
jz FIQ_ret //不是TimerA FIQ中斷
call F_FIQ_Service_SACM_S480; //放音服務函數
FIQ_ret:
R1 = 0xa800;
[P_INT_Clear] = R1; //清中斷標志
pop R1,R4 from [SP];//寄存器出棧
reti;

7 結語
    應用SPCE061A的家用電冰箱控制器具有多種優點：
1. 設計新穎、功能強大。SPCE061A是凌陽科技公司最新的16位單片機，特點是高速、低功耗、強大的I/O口功能，以上的設計方案只占用SPCE061A的一部分資源，可以在此基礎上開發出功能更強的產品，縮短了開發周期。
2. 成本低、性價比高、運行可靠。SPCE061A有豐富的I/O口資源，外圍電路相對簡單。價格低，性能高，以上的控制方案已經通過EMC測試。

8 參考文獻
[1] 劉勝利等，新型無氟冰箱及冷藏柜原理及維修技術[M] 北京：電子工業出版社
[2] 方貴銀，新型電冰箱維修技術與實例[M] 北京：人民郵電出版社