基于Cortex—M4的空調(diào)控制器設(shè)計與實現(xiàn)

徐詠

摘 要 根據(jù)國內(nèi)對空調(diào)控制器性能的需求，設(shè)計了一款基于Cortex-M4的空調(diào)控制器。它以NUC472為主控核心，采用電參數(shù)監(jiān)測傳感器、可燃性氣體傳感器、離子式煙霧傳感器、人體熱釋電紅外線傳感器、溫度傳感器和溫濕度傳感器實時采集空調(diào)工作電參數(shù)、所處環(huán)境的安防現(xiàn)狀、人員流動性、溫濕度和空調(diào)狀態(tài)等信息，通過Wi-Fi實現(xiàn)控制器與PC機服務(wù)器之間的信息通信和整體控制。經(jīng)過現(xiàn)場測試使用后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、人機交互便捷、通信可靠及協(xié)調(diào)預測整體控制穩(wěn)定，實現(xiàn)了空調(diào)舒適、節(jié)能控制，特別是在最經(jīng)濟的溫度控制模式下，與未改造前對比系統(tǒng)節(jié)能30.6%，可用于民用和工業(yè)智能空調(diào)場合。

【關(guān)鍵詞】空調(diào)控制器 Cortex-M4 多傳感器 物聯(lián)網(wǎng)

20世紀80年代空調(diào)進入我國，到如今的21世紀，空調(diào)已成為人們?nèi)粘Ｉ畹某Ｓ眉译姰a(chǎn)品。據(jù)最新發(fā)布的《2016上半年中國空調(diào)產(chǎn)品市場研究報告》顯示，變頻空調(diào)的消費者關(guān)注度為60.1%，成為最受關(guān)注的空調(diào)產(chǎn)品。隨著科學技術(shù)的進步和社會生活水平的提高，人們對空調(diào)控制器的需求日益增加、對其性能要求也越來越高。目前，國內(nèi)的空調(diào)控制器是由低端單片機搭建，其性價比較低、功耗大，而國外的空調(diào)產(chǎn)品性能較高、功耗低、功能較齊全，但價格也昂貴。結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展狀況，空調(diào)控制器將向著性價比高、多功能、網(wǎng)絡(luò)化、低功耗、智能化和操作簡單的趨勢發(fā)展。根據(jù)空調(diào)的發(fā)展趨勢，改善傳統(tǒng)空調(diào)僅能現(xiàn)場控制或預約定時控制的局限性，本設(shè)計采用多傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一款多功能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和整體控制的空調(diào)控制器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)的空調(diào)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)控制部分、溫度采集部分、鍵盤控制部分、顯示板部分、壓縮機部分、室內(nèi)外風機裝置部分和通信電路等。經(jīng)過近年的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)從傳統(tǒng)的定頻、定風量空調(diào)，發(fā)展到現(xiàn)在的變頻、變風量空調(diào)。本設(shè)計主要實現(xiàn)多種傳感器的信號采集和處理，結(jié)合傳統(tǒng)的空調(diào)控制器的設(shè)計方法，根據(jù)采集的各種傳感信息和用戶的控制策略，由PC機服務(wù)器軟件生成最優(yōu)控制方案，進而監(jiān)測和控制整個空調(diào)控制器系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

如圖1，本空調(diào)控制器結(jié)構(gòu)由Cortex-M4 NUC472、JSY-MK-163電參數(shù)監(jiān)測傳感器、TGS2611可燃性氣體傳感器、NIS-07離子式煙霧傳感器、HC-SR501人體熱釋電紅外線傳感器、TMP275溫度傳感器、HTU21D溫濕度傳感器、觸摸顯示模塊、Wi-Fi無線模塊、隔離驅(qū)動電路、IPM智能功率控制模塊和變頻空調(diào)各部分控制功能模塊等組成。其中，高精度溫度傳感器TMP275實時采集冷凝器的溫度，HTU21D溫濕度傳感器采集所處環(huán)境溫度和濕度，Wi-Fi模塊負責空調(diào)控制器與PC機服務(wù)器之間的無線通信，觸摸顯示模塊進行人機交互，隔離驅(qū)動電路主要負責控制空調(diào)的左右掃風控制、上下掃風控制和風速控制等執(zhí)行機構(gòu)，IPM智能功率控制模塊主要實現(xiàn)空調(diào)壓縮機的變頻控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

Nuvoton新唐公司的NUC472系列是基于32位ARM Cortex-M4內(nèi)核的高性能芯片，采用低成本、低功耗、高性能的含有浮點運算單元和DSP的ARM Cortex-M4內(nèi)核，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、變頻器、智能家居和安防系統(tǒng)等各個領(lǐng)域。因此，本系統(tǒng)選用LQFP100封裝的NUC472VG8AE芯片作為系統(tǒng)主控芯片。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 溫度傳感器

本設(shè)計的冷凝器溫度檢測部分采用TI（美國德州儀器）公司生產(chǎn)的高精度的溫度傳感器TMP275，其測溫范圍為-40℃至+125℃，測溫誤差最大值僅±0.5℃，適用于環(huán)境、消費類、工業(yè)和儀器儀表等領(lǐng)域的高精度溫度檢測。如圖2所示是TMP275測溫電路原理圖。

2.2.2 溫濕度傳感器

本設(shè)計通過法國Humirel公司的HTU21D溫濕度傳感器實現(xiàn)對空調(diào)控制器所處環(huán)境的溫度和濕度的測量，其應(yīng)用電路如圖3所示。HTU21D芯片采用標準的IIC協(xié)議和3*3mm雙列扁平無引腳DFN封裝，測溫最大誤差±0.4℃，測濕最大誤差±5%。

2.2.3 電參數(shù)監(jiān)測傳感器

本設(shè)計選用380V電壓量程和50A電流量程的電參數(shù)監(jiān)測傳感器JSY-MK-163，其完全高低壓隔離，體積小，方便嵌入到空調(diào)設(shè)備中，采用標準MODBUS-RTU協(xié)議，其一條線路上可以同時連接多達255個設(shè)備，其應(yīng)用電路圖如圖4所示。本設(shè)計使用常規(guī)的無校驗位、8個數(shù)據(jù)位的4800bps波特率的RS485通訊參數(shù)。

2.2.4 可燃性氣體傳感器

TGS2611傳感器是FIGARO公司的新型絲網(wǎng)印刷厚膜金屬氧化物半導體2600系列傳感器中的一種，能檢測甲烷等可燃性氣體，檢測范圍為：500～10000 ppm，靈敏度為：0.60±0.06，采用標準的TO-5的金屬封裝。如圖5所示，是本設(shè)計的可燃性氣體檢測電路圖。其中，RH是TGS2611傳感器加熱裝置，Rs是不同濃度氣體中的傳感器電阻值。由電阻分壓原理可得，只要測量到ADC0和ADC1端的電壓值，即可算出不同濃度氣體中的傳感器電阻值Rs，根據(jù)TGS2611傳感器的電阻比Rs/Ro，查表即可得到可燃性氣體的濃度。

2.2.5 離子式煙霧傳感器

本設(shè)計選用NIS-07離子式煙霧傳感器，其內(nèi)部有一個電離室，正常狀態(tài)下處于電場的平衡狀態(tài)，當有煙塵進入時，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，導致電流、電壓有所改變，由此來確定空氣中的煙霧狀況。如圖6是NIS-07離子式煙霧傳感器的煙霧檢測電路圖，通過MC14468的2腳報警級聯(lián)輸出功能，驅(qū)動2SC1623三極管Q1，通過三極管Q1的集電極輸出OUT1連接到主控芯片，進而達到告警上報功能。

2.2.6 人體熱釋電紅外線傳感器endprint

本設(shè)計采用LHI778探頭的HC-SR501模塊，其最大感應(yīng)半徑為7米，最大感應(yīng)角度100度，具有靈敏度高等特點。當有人進入傳感器感應(yīng)范圍時則輸出有效電平，當人離開傳感器感應(yīng)范圍時傳感器自動延時一段時間再恢復初始狀態(tài)，其延時時間可設(shè)置，默認2.5秒。

2.3 Wi-Fi模塊

本設(shè)計使用支持802.11b/g/n無線標準的超低功耗的ESP8266串口Wi-Fi無線模塊ESP-12E，其采用體積小的電路板天線。本設(shè)計Wi-Fi配置為STA+AP模式，實現(xiàn)空調(diào)控制器與PC機服務(wù)器之間的連接，使用“9600bps，8，1，無校驗，無流控”的串口通訊參數(shù)，其應(yīng)用電路如圖7所示。

2.4 觸摸顯示模塊

本設(shè)計使用ALIENTEK推出的一款高性能ATK-4.3 TFTLCD顯示模塊，其支持800*480高分辨率，采用16bit 8080接口通信控制，集成IIC通信的5點觸摸電容觸摸屏。

2.5 IPM智能功率控制電路

本設(shè)計選用三菱電機的第六代DIPIPM智能功率芯片PSS30S92F6-AG，其內(nèi)部集成功率硅片、柵極驅(qū)動電路、短路保護和欠壓 保護等功能于一體，適用于交流100～240V級小容量電機的變頻控制。如圖8所示是本系統(tǒng)使用的IPM智能功率控制電路圖。

其中，P1和P2是220V市電接線座子，P3是保護地接線座子，220V市電經(jīng)過流過壓保護電路、共模濾波電路、單相橋式不可控整流電路和大電容濾波電路后，變成平穩(wěn)的310V直流電，供智能功率芯片PSS30S92F6-AG的高壓側(cè)供電。P5、P6和P7是高壓側(cè)的U、V、W輸出端。

智能功率芯片PSS30S92F6-AG的輸入控制端分別是UP、UN、VP、VN、WP、WN，本設(shè)計在主控芯片NUC472程序里建立三個相差120度、0.8調(diào)制度、180個點的正弦波存儲表，由主控芯的Enhanced PWM Generator （EPWM）增強PWM發(fā)生器產(chǎn)生三相120度相移正弦波。其中UP和UN、VP和VN及WP和WN是互補差分輸出管腳，通過改變EPWM的調(diào)制頻率，即可改變U、V、W輸出端的變頻頻率，進而實現(xiàn)壓縮機的變頻控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計是在uC/OS-II操作系統(tǒng)上的開發(fā)，其進一步方便和簡化了系統(tǒng)程序各個功能任務(wù)的調(diào)度和管理。系統(tǒng)主程序設(shè)計主要負責接收和發(fā)送與服務(wù)器通信的數(shù)據(jù)、溫濕度等各個傳感器模塊的信息采集、執(zhí)行模糊PID控制算法控制空調(diào)相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動觸摸屏顯示等任務(wù)，其主程序流程圖如圖9所示。

系統(tǒng)開始運行后，將執(zhí)行系統(tǒng)及其各個功能模塊（如：Wi-Fi模塊、電參數(shù)監(jiān)測傳感器、溫濕度傳感器等各種傳感器、觸摸顯示模塊和隔離驅(qū)動電路）的初始化。初始化完成后，進行uC/OS-II系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，分別進行Wi-Fi發(fā)送與接收的通信處理，對采集到的空調(diào)工作電參數(shù)、所處環(huán)境的安防現(xiàn)狀、人員流動性、空調(diào)狀態(tài)、冷凝器溫度、環(huán)境溫度和濕度等各個傳感器的數(shù)據(jù)進行判斷和處理，根據(jù)采集的傳感器信息執(zhí)行模糊PID控制算法控制系統(tǒng)和隔離驅(qū)動電路的輸出，電容觸摸采集和處理，根據(jù)前面處理的數(shù)據(jù)信息在觸摸屏顯示各種狀態(tài)。

4 測試與分析

在搭建好的硬件和軟件平臺基礎(chǔ)上完成了終端加入網(wǎng)絡(luò)測試、各種控制指令測試和傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸測試。最后在珠海某生產(chǎn)公司的同意下，將本控制器應(yīng)用于該公司的空調(diào)系統(tǒng)中。本系統(tǒng)的測試環(huán)境在一個面積大約146平米生產(chǎn)車間，該生產(chǎn)車間已經(jīng)裝有4臺美的3P立柜式直流變頻冷暖空調(diào)，具體型號為KFR-72LW/BP2DN1Y-PA401，車間的內(nèi)部布局已經(jīng)固定不能大改，生產(chǎn)車間內(nèi)部已經(jīng)覆蓋Wi-Fi信號。本設(shè)計的測試方案是將控制器移植到美的空調(diào)中，使用該車間原有的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，在搭配一臺裝有服務(wù)器軟件的電腦即可實現(xiàn)本系統(tǒng)的測試。

為了對比控制效果，僅對環(huán)境溫度的變化數(shù)據(jù)做統(tǒng)計分析，且將未改造前和自定義模式下的溫度設(shè)為常規(guī)的27攝氏度。本系統(tǒng)溫濕度測量儀器選用美國福祿克FLUKE F971溫濕度測量儀，在空調(diào)設(shè)備總供電線路前端串接上海華立30A電子式單相電能表DDS738測量設(shè)備總用電量。本設(shè)計對空調(diào)控制器系統(tǒng)在未改造前、最經(jīng)濟、最快速、最舒適和自定義控制模式進行測試和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，采用一天使用一種控制模式的方式，其統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。測試結(jié)果表明，本空調(diào)控制器系統(tǒng)運行穩(wěn)定、通信可靠及協(xié)調(diào)預測整體控制效果良好，特別是在最經(jīng)濟的控制模式下，與未改造前空調(diào)設(shè)備總用電量對比系統(tǒng)節(jié)能效果最佳，節(jié)能高達30.6%。

5 結(jié)語

基于Cortex-M4的空調(diào)控制器的設(shè)計，結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)化、整體控制技術(shù)和片上系統(tǒng)技術(shù)，充分利用NUC472的資源、采用高效的數(shù)據(jù)分析和程序設(shè)計方法，實現(xiàn)了空調(diào)舒適、節(jié)能控制。通過實物測試和實際使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作簡單、功耗低、功能齊全。對比傳統(tǒng)空調(diào)，改善目前國內(nèi)外僅使用單個空調(diào)控制器的信息來源單一、運行不穩(wěn)定和控制不方便的局限性，提高空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性，進一步體現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可靠性高和功耗低等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)空調(diào)領(lǐng)域。同時，本設(shè)計可增加NB-IoT功能模塊，解決在未有Wi-Fi覆蓋地方的系統(tǒng)使用問題。此外，在應(yīng)用方面，可將系統(tǒng)接入公安部門接警網(wǎng)絡(luò)，當系統(tǒng)設(shè)備有消防、安防警報時，可實現(xiàn)第一時間報警功能。

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作者單位

1.深圳大學計算機與軟件學院 廣東省深圳市 518000

2.哈爾濱工業(yè)大學（深圳）計算機科學與技術(shù)學院 廣東省深圳市 518000

3.深圳市朗強科技有限公司 廣東省深圳市 518000endprint