基于STM32的智能溫控器設(shè)計(jì)

齊婷婷 王圣濤

摘要：隨著我國社會的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的日益提升，人們進(jìn)入智能時代。在這種潮流中，設(shè)計(jì)了一款超高性價比的智能溫控器：集觸摸輸入、顯示輸出、無線Wi-Fi于一體。利用溫控器對環(huán)境溫濕度實(shí)時監(jiān)測，并受系統(tǒng)控制，調(diào)整輸出溫度和調(diào)整風(fēng)機(jī)速度，控制中心通過485總線與溫控器實(shí)現(xiàn)連接。溫控器通過Wi-Fi連接至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)云端在線操控。

1 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代化建筑中，其能源消耗巨大，約占40%-60%。目前，市面上廣泛應(yīng)用的中央空調(diào)都是統(tǒng)一控制，不具備人工智能和監(jiān)管能力，缺少自動關(guān)機(jī)、網(wǎng)絡(luò)互連、智能調(diào)節(jié)風(fēng)速等功能。為了消除上述普遍存在的缺陷，提升用戶體驗(yàn)的滿意度，采用STM32為主控芯片、借助于Wi-Fi技術(shù)設(shè)計(jì)一種中央末端溫控器，集16：9寬屏顯示、顯示區(qū)域觸摸交互、人體接近感應(yīng)、智能風(fēng)速調(diào)節(jié)、環(huán)境狀態(tài)指數(shù)檢測、云端在線操控、自動亮度調(diào)節(jié)等功能于一身。該控制系統(tǒng)即插即用，方便快捷，通過無線通信對房間展開自動化檢測和控制，溫度控制裝置根據(jù)使用者設(shè)置的溫度智能地調(diào)節(jié)開關(guān)、風(fēng)速、模式。此產(chǎn)品不僅適用于中央空調(diào)節(jié)點(diǎn)控制器，還可應(yīng)用于地暖控制器、新風(fēng)控制器、空氣質(zhì)量檢測器等場景。

2 智能云溫控器設(shè)計(jì)原理

2.1 智能云溫控器概念

智能云溫控器是一種通過電腦終端或手機(jī)終端訪問服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程中央空調(diào)溫度或者其他電器的控制的智能型產(chǎn)品。手機(jī)打開APP，通過Wi-Fi遠(yuǎn)程監(jiān)控房間的溫濕度，空調(diào)、地暖的工作狀態(tài)，并通過控制空調(diào)、地暖、換氣扇等家電實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作房間溫濕度。不論是在下班路上還是酒店住宿，都能提前預(yù)備好舒適的房間環(huán)境;當(dāng)住戶離開房間卻忘記關(guān)閉家電時，可以通過APP自動關(guān)閉，節(jié)約用電。

智能云溫控器有溫度設(shè)置功能。設(shè)定一個理想的溫度，在夏季若房間溫度高于設(shè)定溫度3℃以上，此時空調(diào)打開高速檔風(fēng)機(jī)閥門;若房間溫度高于設(shè)定溫度2-3℃，此時空調(diào)打開中速檔風(fēng)機(jī)閥門;若房間溫度高于設(shè)定溫度1℃，此時空調(diào)打開低速檔風(fēng)機(jī)閥門;當(dāng)房間溫度小于或等于設(shè)定溫度時，此時打開自然通風(fēng)模式。風(fēng)機(jī)檔速的智能切換，不僅能夠提升房間的舒適度，也能夠節(jié)能省電。

2.2 智能云溫控器設(shè)計(jì)方案

云溫控器系統(tǒng)總體上分為人機(jī)交互和下位機(jī)控制兩個模塊。其中，下位機(jī)控制模塊分為供電模塊和控制模塊兩部分。供電模塊為控制模塊提供電源，一系列傳感器采集數(shù)據(jù)，操作電容按鍵進(jìn)行配置，液晶顯示屏實(shí)時顯示參數(shù)。當(dāng)設(shè)置溫度與檢測到的溫度有差異時，智能地打開空調(diào)開關(guān)并進(jìn)行風(fēng)速檔的切換。

溫控器云端在線操作的工作過程如下：進(jìn)行控制的PC機(jī)、手機(jī)聯(lián)網(wǎng)后，打開專用的APP自動設(shè)置各個參數(shù)，將數(shù)據(jù)與命令上傳至服務(wù)器。溫控器通過Wi-Fi自動從云端下載溫濕度等數(shù)據(jù)與操作指令存儲起來，與實(shí)時采集到的房間溫濕度進(jìn)行對比，操作相應(yīng)繼電器工作，完成風(fēng)機(jī)檔速的智能切換。無遠(yuǎn)程操控時，更加便捷，直接在溫控器顯示屏設(shè)置界面中設(shè)置理想的溫度。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與分析

整個硬件分為電源板和控制板。電源轉(zhuǎn)換板主要包括220V電壓轉(zhuǎn)換為5V、3.3V電路、繼電器電路。控制電路板是核心部分，主要包括測距傳感器電路、溫濕度傳感器電路、PM2.5傳感器電路、Wi-Fi遠(yuǎn)程控制電路、液晶顯示屏電路等。整體系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示：

3.1 主控芯片簡介

控制板的主控芯片選取的是低功耗的STM32F103RB，它是一款基于Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率是72MHz，集成了256kB Flash存儲器、64kB SRAM存儲器的低功耗、高性價比的芯片。

3.2 電源轉(zhuǎn)換電路

通常家電兩端電壓是220V，利用AC-DC電源模塊將220V轉(zhuǎn)換成5V電壓，在前端輸入電路中加入慢熔斷保險管和壓敏電阻，來抑制浪涌電流和保護(hù)電路;使用安規(guī)電容和差模電感來抑制差模干擾;使用安規(guī)電容和共模電感來抑制共模干擾。經(jīng)過AC-DC模塊的輸出電路中使用濾波電解電容、陶瓷電容和瞬態(tài)抑制二極管來抑制高頻噪聲，保護(hù)后級電路。

然后利用LM1117將5V轉(zhuǎn)換成3.3V為STM32芯片提供電能。電路原理圖如3-2所示：

3.3 繼電器電路

電源板也包含繼電器控制電路：單片機(jī)的I/O口接三極管的基極，當(dāng)有信號輸入時繼電器兩端線圈使繼電器吸合，打開對應(yīng)的風(fēng)機(jī)開關(guān)，使用3個繼電器控制三檔風(fēng)機(jī)的檔位。繼電器控制電路原理圖如圖3-3所示：

3.4 傳感器電路

本系統(tǒng)用到溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、距離傳感器以及光感傳感器，用來實(shí)時監(jiān)測房間中溫度、濕度、距離、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量等參數(shù)。其中，溫濕度傳感器選取的是含已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的復(fù)合型傳感器DHT11，其專用的數(shù)字采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)保障了極高的可靠性與長期的穩(wěn)定性;測距傳感器選用的是VL53L0X，它是新一代激光測距模塊，提供與傳統(tǒng)技術(shù)不同的目標(biāo)反射率的精確距離測量;數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器選用的是PMS5003S，這是一款可以同時檢測空氣中顆粒物濃度和甲醛濃度的二合一傳感器。其中，顆粒物濃度的檢測基于激光散射原理，可連續(xù)采集并計(jì)算單位體積內(nèi)空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個數(shù)，即顆粒物濃度分布，進(jìn)而換算成質(zhì)量濃度。甲醛濃度的檢測基于電化學(xué)原理，具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。顆粒物濃度數(shù)值與甲醛濃度數(shù)值合并以通用數(shù)字接口形式輸出。硬件連接如圖3-4所示：

3.5 Wi-Fi模塊

使用集成了ESP-8266核心處理器的Wi-Fi模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11協(xié)議，完整的TCP/IP協(xié)議線。該模塊支持串口通信，可以為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。原理圖如圖3-5所示：

3.6 液晶顯示模塊

選用TFT晶體管和電容觸摸屏實(shí)現(xiàn)顯示效果。TFT式顯示器具有高響應(yīng)度、高亮度、高對比度等優(yōu)點(diǎn)，其分辨率為480*272，進(jìn)行65K真彩顯示。而電容觸摸屏技術(shù)是根據(jù)人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作的，可以達(dá)到99%的精確度，具備小于3ms的響應(yīng)速度。

4 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)的軟件主要分為按鍵處理、界面顯示、各傳感器數(shù)據(jù)解析和Wi-Fi通信模塊的編寫。單片機(jī)和各傳感器之間通過I2C進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)和Wi-Fi之間利用USART串口進(jìn)行通訊。

4.1 主控芯片軟件設(shè)計(jì)

用戶通過觸摸按鍵或者Wi-Fi來實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和信息交互。當(dāng)芯片上電初始化之后，首先從STM32F103RB內(nèi)部的EEPROM讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，當(dāng)接收到按鍵請求、各個傳感器傳輸進(jìn)來數(shù)據(jù)和Wi-Fi數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生判斷語句，看和主芯片的EEPROM存儲的數(shù)據(jù)是否有更新，若是數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，則控制電路做出相應(yīng)應(yīng)答并進(jìn)行顯示。

軟件流程如圖4-1所示：

4.2 Wi-Fi通信模塊設(shè)計(jì)

無線控制模塊主要實(shí)現(xiàn)控制器與無線模塊的數(shù)據(jù)通信。設(shè)備上電后，對Wi-Fi協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)初始化，檢測控制器與網(wǎng)絡(luò)是否實(shí)現(xiàn)信息交互。當(dāng)控制器接入無線網(wǎng)絡(luò)時，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并解析數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)的控制。無線通信模塊設(shè)計(jì)流程如圖4-2所示：

5 結(jié)語

根據(jù)實(shí)際生活中中央空調(diào)的使用特性，結(jié)合無線通信模塊，設(shè)計(jì)了一款智能控制風(fēng)速的液晶顯示溫控器，能夠廣泛地應(yīng)用到酒店、商場、寫字樓、別墅、居民小區(qū)等場所?？梢詫?shí)現(xiàn)對溫度等的智能調(diào)節(jié)，營造更加舒適的室內(nèi)環(huán)境?？梢酝ㄟ^手動調(diào)節(jié)液晶顯示屏或者手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度的智能控制。