摘 要： 針對目前的中央空調系統的風機盤管部分，設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機盤管控制模塊兩部分。操作者可以通過觀察液晶上的數字，操作液晶上面的觸摸按鍵來控制風機盤管控制模塊，進而控制風機盤管實現控制空氣溫度的目的。在之前的溫控器的基礎上，首先采用超低功耗的微控制器作為主芯片設計低功耗的溫控器；其次，在該設計中風機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機盤管，也可以通過上位機遠程操作控制風機盤管。
關鍵詞： 風機盤管；超低功耗；MSP430；溫控器；液晶顯示觸摸模塊；風機盤管控制模塊
針對目前中央空調系統風機盤管溫控器[1]并沒有充分考慮節能以及沒有很好的人機交互界面的現狀，本文在設計性能可靠的風機盤管溫控器的基礎上，充分考慮了節能和良好的人機交互界面。
目前，國內外市場上存在很多類型的風機盤管溫控器。其基本都是以可靠地實現溫度控制為唯一目的，所以，市場上現存的很多溫控器依然存在高功耗的問題。而且在人機交互方面依然以古老的顯示界面和機械式按鍵為主。
本文設計的基于超低功耗微控制器MSP430的風機盤管溫控器在性能可靠的基礎上，不僅充分考慮了節能問題，而且設計了觸摸式的液晶顯示屏，以達到良好的人機交互。
1 系統分析與設計
該溫控器[1]系統總體上可分為液晶顯示和風機盤管[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，還可以通過相應的操作來控制風機盤管控制模塊，進而達到控制風機盤管的作用，最終營造一個舒適的溫度環境。風機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，對指令進行一些判斷后直接控制風機盤管，進而達到對室內進行制冷、制熱、通風等操作，最后使風機盤管所處的環境盡可能達到要求。
因為該系統涉及人機交互以及風機盤管控制兩個方面，所以整個系統分為液晶顯示模塊和風機盤管兩大模塊進行設計。整個系統的框圖如圖1所示。系統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、功耗低等優點。
2 系統硬件設計
根據系統的分析與設計將系統的硬件分為液晶顯示模塊和風機盤管控制模塊兩大模塊進行設計，兩個模塊之間通過RS-485進行通信。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、復位以及晶振8個功能模塊；風機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、復位以及晶振8個功能模塊。
2.1 液晶顯示模塊設計
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進行驅動；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，當按鍵按下時，蜂鳴器會發出短暫的鳴笛，使操作者知道按鍵已經成功按下；串口通信采用RS-485接口與風機盤管控制器進行數據的交換和命令的傳輸，芯片采用DS76176B；JTAG接口電路主要實現程序的下載，并進行在線調試；電源電路根據電路的需求，提供5 V和3.3 V兩種電源；復位電路采用可靠性比較高的芯片復位電路，復位芯片為MAX809STR；晶振電路采用MSP430G2553芯片的內部晶振，節約設計成本，而且經測試穩定性很高。液晶顯示模塊的硬件設計框圖如圖2所示。
液晶顯示屏和觸摸面板是根據該設計的功能而設計定做的，其面板設計如圖3所示。
2.2 風機盤管控制模塊設計
風機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變換電路來采集當前的溫度值；實時時鐘通過芯片DS1302來設置并顯示當前的日期、星期和具體時間值；繼電器組共有5個繼電器，分別控制風機盤管風速的高、中、低擋的變化，還有冷水閥和熱水閥的開關；串口通信用兩片DS75176，一方面可以與上位機直接進行通信，另一方面與液晶顯示模塊進行通信；JTAG接口用來對程序進行下載，并進行在線調試；電源電路將220 V的市電分別變為12 V、5 V和3.3 V 3種電源；復位電路采用性能較高的芯片復位電路；晶振電路有32.768 kHz和8 MHz兩種。風機盤管模塊的硬件設計框圖如圖4所示。
風機盤管控制模塊通過5個繼電器來控制風機盤管的運行，有效地將強電和弱電進行了隔離。模塊和盤管之間是通過一些接線端子進行連接的。接線端子如圖5所示。
3 系統軟件設計
對于軟件的總體設計，考慮到單片機的資源以及功能需求，并沒有用到任何操作系統，而采用裸機架構。總體軟件架構如圖6所示。在具體的軟件設計過程中，液晶顯示模塊和風機盤管控制模塊的程序是分兩個工程分別實現的。兩個模塊之間通過Modbus通信協議進行通信。
3.1 液晶顯示模塊軟件設計
液晶顯示模塊的軟件主要包括液晶顯示的驅動程序、按鍵程序、通信協議、液晶顯示API以及液晶應用程序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 液晶顯示驅動程序
液晶顯示驅動程序是用來點亮每一個顯示界面上的符號，其主要功能是根據應用程序的需求通過API的調用顯示特定的模塊，以給各種參數和數據一個直觀的顯示。
3.1.2 按鍵程序
按鍵程序的作用是設計按鍵按下后實現的動作，在該設計中主要用來實現制冷、制熱、通風3種風機運行模式的切換、時間的設置、溫度的調節、風速大小的調節等功能。在該設計中，一共有開關、模式、上/下鍵、風速5個按鍵。
3.1.3 通信協議
系統采用標準Modbus通信協議進行通信，液晶顯示面板在通信過程中設置為主模式，主要的作用是發送指令給從設備，獲取相應的信息進行顯示，并對從設備進行相應的操作。
3.1.4 液晶顯示API
液晶顯示API是在應用程序與驅動程序之間搭建的一個橋梁。如果要完成相應的顯示，首先應用程序會調用液晶顯示API，然后液晶顯示API會調用相應的顯示驅動完成相應的顯示，最后達到應用程序要顯示的效果。
3.1.5 應用程序
應用程序處在整個程序框架的最高層，是真正想要實現的功能或者得到的數據的體現。應用程序可以調用驅動程序進而驅動物理層實現一定的功能，也可以通過調用通信協議實現與其他設備的通信。
3.2 風機盤管控制模塊軟件設計
風機盤管控制模塊的軟件主要包括溫度的采集、實時時鐘和EEPROM的驅動、Modbus通信協議、對繼電器組的控制等程序。整個程序圍繞主芯片MSP430F149[7]展開，風機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行采集，主要作用是給觀察者提供一個溫度參考，結合當前的溫度，來對風機盤管進行相應的操作。
3.2.2 實時時鐘和EEPROM的驅動程序
實時時鐘的程序對整個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前的日期，給以后比如計時和計費等功能的擴展提供了方便。
EEPROM驅動程序的作用是使EEPROM芯片可以達到單字節操作、頁操作以及任意地址開始連續讀取多個字節的操作。EEPROM程序的作用是保存一些設置的參數，以便掉電后重新打開時可以讀取之前的設置。
3.2.3 Modbus通信協議
風機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行通信，另一方面可以與上位機進行通信，以實現遠程控制。風機盤管控制模塊的Modbus通信協議為從模式。
4 基于MSP430的風機盤管溫控器的實現
在整體框架設計完成之后，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，利用集成開發環境IAR[9]進行了軟件的設計。在軟件設計實現過程中參考了一些MSP430C語言程序設計[10]的書籍。在整體設計完成之后，對其進行了整體的實現，并通過連接風機盤管，可以很好地控制風機盤管，實現想要的功能。基于MSP430的風機盤管溫控器顯示面板如圖9所示。
針對目前風機盤管對溫控器的需求，設計了一個基于MSP430這個超低功耗芯片的溫控器。設計中合理利用了MSP430芯片的低功耗、可編程、可在線調試等優點。該系統可以準確地采集風機盤管周圍的溫度，并反饋給顯示器。觀察者可以根據當前情況設置制冷、制熱、通風3種模式，使風機盤管所在的環境達到所要求的程度。該設計的缺點是通過有線的方式進行施工，布線比較復雜，可移動性差。下一步的工作是進行無線溫控器的設計，減少布線帶來的麻煩，增加該設計的可移動性和擴展性。
參考文獻
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[10] 張晞，王德銀，張晨.MSP430系列單片機使用C語言程序設計[M].北京：人民郵電出版社，2005.