基于環(huán)境溫度傳感的吹風機溫度控制系統(tǒng)設計

岳俊豪，許 言

（貴州師范大學，貴州 貴陽 550025）

引言

吹風機作為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵罚陂L時間使用下或功率過大都會導致吹風機溫度升高，當累積到一定程度時引發(fā)吹風機故障，甚至會造成安全性問題。因此，吹風機溫度控制是吹風機設計中的重要內(nèi)容，主要通過吹風機溫度控制系統(tǒng)將吹風機溫度控制在安全范圍內(nèi)，保證吹風機的穩(wěn)定、安全運行。在以往，針對吹風機溫度控制系統(tǒng)的設計中，對于吹風機溫度的控制只能在特定范圍中進行，存在控制效率低的問題，無法滿足吹風機溫度控制實時性的要求。而環(huán)境溫度傳感能夠精準測量環(huán)境溫度，并與系統(tǒng)服務器相連，通過以太網(wǎng)的信號傳輸環(huán)境溫度，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制操作?；诃h(huán)境溫度傳感具備高精度以及高效率的特點，已經(jīng)廣泛應用在各個領域中。提高吹風機溫度控制系統(tǒng)的控制效率一直是系統(tǒng)優(yōu)化設計的首要方向，但截止目前，對于吹風機溫度控制系統(tǒng)設計中的環(huán)境溫度傳感應用研究十分罕見[1]。為解決傳統(tǒng)吹風機溫度控制系統(tǒng)控制效率低的問題，本文基于環(huán)境溫度傳感設計吹風機溫度控制系統(tǒng)，致力于提高吹風機溫度控制效率。并通過實例分析的方式，證明設計系統(tǒng)在實際應用中的有效性。

1 吹風機溫度控制系統(tǒng)硬件設計

綜合吹風機的實際應用環(huán)境，在系統(tǒng)硬件部分設計堅持以高效性為首要前提，設計了以太網(wǎng)、環(huán)境溫度傳感器、微型控制器以及溫控開關。此外，配備了一些基本硬件，但這些基本硬件不作為此次硬件設計重點，以下將對上文提出的四個核心硬件進行詳細描述。

1.1 以太網(wǎng)

本文在系統(tǒng)硬件部分設計以太網(wǎng)，為吹風機溫度控制的數(shù)據(jù)傳輸提供硬件載體環(huán)境，使吹風機溫度控制數(shù)據(jù)的遠距離傳輸成為可能。采用雙絞線將吹風機與交換機的連接，通過級聯(lián)的方式擴展網(wǎng)絡規(guī)模。采用光纖以點到點鏈路的方式，連接所有硬件電纜，形成星型結構，設計TRW2055900 以太網(wǎng)串口轉換模塊將數(shù)據(jù)信號轉化為吹風機溫度控制信號，構造成完整的系統(tǒng)硬件載體環(huán)境。

1.2 環(huán)境溫度傳感器

結合實際吹風機溫度控制的需要，本文通過設計型號為RS-WS-ETH-7 的環(huán)境溫度傳感器，實現(xiàn)環(huán)境溫度傳感。環(huán)境溫度傳感器內(nèi)置MPU-90120 芯片，MPU-90120 芯片作為一個封裝的復合型芯片，能夠有效提高吹風機溫度監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳感精度。RS-WS-ETH-7 環(huán)境溫度傳感器參數(shù)指標如下：最大測量限1500ppm、響應時間≤60S、通信接口RJ45、供電10V-30VDC、溫度精度±0.5℃。RS-WS-ETH-7 環(huán)境溫度傳感器能夠測量吹風機運行溫度參數(shù)，多種維度監(jiān)測吹風機運行中的溫度參數(shù)指標，滿足吹風機溫度控制的要求。

1.3 微型控制器

采用二級板兩層模式設計微型控制器，以微型控制器為系統(tǒng)的核心硬件，內(nèi)置STM32F7 云端固件[2]。微型控制器的主要組成包括：STM32F7 云端固件、CPU、傳感器、網(wǎng)線以及顯卡等。利用STM32F7 最大集成度的框架結構優(yōu)勢，可以使微型控制器更適應惡劣的環(huán)境。RS-YS-0588625 核心控制板可以使吹風機溫度控制系統(tǒng)硬件的各項性能達到最佳，并且在一定程度上節(jié)省系統(tǒng)匯總硬件的運行時間，提高系統(tǒng)硬件運行效率[3]。并且利用更高性能的接口技術，可以進一步快速轉換和傳輸數(shù)據(jù)參數(shù)，降低連接系統(tǒng)的功耗，支持功能更加強大的處理器連接。RS-YS-0588625 核心控制板以其LQFP100 設計理念，能夠在保證最小硬件變化的前提下滿足其功能需求。因此，有理由相信基于微型控制器能夠提高系統(tǒng)的硬件功能。微型控制器主要控制吹風機中多個電路的通斷，因此具有更高的控制效率。微型控制器主要用于為吹風機溫度控制提供驅動，將RS-YS-0588625 核心控制板中發(fā)出的控制信號與電路相連，將吹風機溫度控制信號轉換為控制當量，自動控制吹風機溫度。

1.4 溫控開關

在微型控制器的基礎上，設計溫控開關?？紤]到吹風機開關一般是由雙金屬溫度控制器來進行控制的，雙金屬溫度控制器主要是由雙金屬片和觸點開關構成的，當吹風機溫度升高，達到雙金屬片的感應溫度后雙金屬片變形，觸點會斷開，達到溫控的作用[4]。當吹風機處于關機狀態(tài)時雙金屬溫度控制器ST 的兩個觸點為導通狀態(tài)，當電吹風機通電后升至高溫擋，電吹風機正常工作，當?shù)竭_一個溫度時雙金屬溫度控制器的兩個觸點分離為斷路狀態(tài)，電吹飛機將停止加熱進入保溫狀態(tài)，當其溫度下降到一定溫度后，雙金屬溫度控制器的金屬彈片重新成為導通狀態(tài)，又可以繼續(xù)加熱[5]。

圖1 基于環(huán)境溫度傳感的吹風機溫度控制流程圖

2 吹風機溫度控制系統(tǒng)軟件設計

在基于環(huán)境溫度傳感的吹風機溫度控制系統(tǒng)軟件部分，設計基于環(huán)境溫度傳感的吹風機溫度控制流程圖，如圖1 所示。

結合圖1 所示，針對圖中四步主要流程的具體研究內(nèi)容，如下文所述。

2.1 采集吹風機溫度控制數(shù)據(jù)

本次采用吹風機的3 條生產(chǎn)線作為I/0 點的信號分類，采集吹風機溫度控制數(shù)據(jù)。線路1 指的是吹風機的主線路，將其通信地址設置為0010；線路2 指的是吹風機的副線路，將其通信地址設置為010101；線路3 指的是吹風機的附屬線，將其通信地址設置為10010100。采集設備端口數(shù)據(jù)，利用FSDE/SWFV 指令分別讀取3 條線路的端口的I/0 點數(shù)分布信息，并進行控制，再寫入端口數(shù)據(jù)中，將吹風機的接線點設為I/0 點，可以利用環(huán)境溫度傳感將吹風機溫度控制視為自動化控制，通過采集數(shù)據(jù)促進控制數(shù)據(jù)傳輸工作的逐步優(yōu)化。

2.2 建立吹風機溫度控制數(shù)據(jù)高級通信協(xié)議

本文通過環(huán)境溫度傳感建立吹風機溫度控制數(shù)據(jù)高級通信協(xié)議，統(tǒng)一溫度控制數(shù)據(jù)的傳輸機制，允許網(wǎng)絡設備建立一個吹風機與通信設備之間的邏輯連接[6]。由于在建立控制數(shù)據(jù)高級通信協(xié)議時都會受到連接個數(shù)的限制，考慮到吹風機溫度控制數(shù)據(jù)實時傳輸過程中，所需交換的信息量不大，通過高級通信協(xié)議只需要將主站采集的控制數(shù)據(jù)作為主令信號，將高級通信協(xié)議發(fā)送和采集的控制數(shù)據(jù)字節(jié)均控制在2 個以下即可。本文通過將環(huán)境溫度傳感應用在控制數(shù)據(jù)傳輸過程中，實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄芑{(diào)頻功能。利用環(huán)境溫度傳感，將實時采集的吹風機溫度控制數(shù)據(jù)發(fā)送至前端顯示區(qū)域。這樣一來，既能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還能夠通過高級通信協(xié)議中的調(diào)頻通信模塊對吹風機溫度進行有效控制。測試吹風機運行中的電流、電壓，根據(jù)電流、電壓的具體變化情況，判斷吹風機溫度實時數(shù)據(jù)采集信號是否出現(xiàn)波動，采集數(shù)據(jù)信號中出現(xiàn)的波動幅度，調(diào)整變頻參數(shù)，在線控制吹風機溫度。一旦出現(xiàn)波動較大的情況，必須在高級通信協(xié)議中引進虛擬局域網(wǎng)VLAN，根據(jù)系統(tǒng)的通訊路徑，控制吹風機溫度數(shù)據(jù)采集信號。在此基礎上，獲取標簽信息，保障吹風機溫度控制數(shù)據(jù)傳輸中的高效性。根據(jù)建立的控制數(shù)據(jù)高級通信協(xié)議，不斷調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速度確保系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)傳輸功能的穩(wěn)定運行。

2.3 計算吹風機溫度控制頻率

根據(jù)傳輸?shù)玫降拇碉L機溫度控制數(shù)據(jù)，計算吹風機溫度控制頻率。計算時首先給吹風機一個已知的溫度最大范圍數(shù)值，利用該數(shù)值，自動給出吹風機一個原始恒定的溫度，待吹風機運行一段時間后，通過改變這一定值，計算相關當量控制吹風機溫度的頻率。設吹風機溫度控制頻率為W，可得公式（1）：

公式（1）中，K 指的是吹風機在實際運行過程中的比例系數(shù)；x 指的是系統(tǒng)自動采樣次數(shù)，為實數(shù)；f（x）指的是當系統(tǒng)第x 次自動采樣時與實際定量之間的偏差；j 指的是控制誤差比例系數(shù)。利用上述公式計算出吹風機溫度控制頻率，為控制吹風機溫度提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 實時控制吹風機溫度

得到吹風機溫度控制頻率后，利用計算機接口控制吹風機，通過映射出兩個4 位數(shù)的8 進制數(shù)，最終獲得在每個控制點位上的控制數(shù)據(jù)。再利用特定的變量數(shù)據(jù)對吹風機溫度控制數(shù)據(jù)映射，形成區(qū)域性的映射。將吹風機溫度控制數(shù)據(jù)轉換為具體的參數(shù)控制，用戶只需事先將規(guī)定的吹風機溫度控制限制輸入到系統(tǒng)當中，通過系統(tǒng)自動檢測是否執(zhí)行控制參數(shù)的改變。再利用計算機的端口狀態(tài)存儲控制數(shù)據(jù)及控制信息，并將其輸入到相應的映射區(qū)域當中，通過在區(qū)域映射中對應的控制語義、詞義等分析得出正確的控制結果，實時控制吹風機溫度。至此，完成基于環(huán)境溫度傳感的吹風機溫度控制系統(tǒng)設計。

3 實例分析

3.1 實驗準備

構建實例分析，實驗對象選擇型號為HD03 456，BT的吹風機，功率為1600kW，支持冷風功能，電源為220V/50Hz，額定轉速控制在2500r/min，快干風嘴。

表1 控制波特率對比表

首先，以本文系統(tǒng)控制吹風機溫度，通過MATALB測試控制波特率，并記錄，將其設為實驗組；再使用傳統(tǒng)系統(tǒng)控制吹風機溫度，通過MATALB 測試控制波特率，并記錄，將其設為對照組。由此可見，本次實驗主要內(nèi)容為測試兩種系統(tǒng)的控制波特率，控制波特率數(shù)值越高證明該系統(tǒng)的控制效率越高。通過10 次對比實驗，針對實驗測得的控制波特率，記錄實驗數(shù)據(jù)。

3.2 實驗結果與分析

整理實驗數(shù)據(jù)，如表1 所示。

通過表1 可知，本文設計的控制系統(tǒng)在相同的測試時間中控制波特率明顯高于對照組，對吹風機溫度的控制效率更高。

4 結束語

通過基于環(huán)境溫度傳感的吹風機溫度控制系統(tǒng)設計研究，能夠取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)吹風機溫度控制中存在的問題。本文設計系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義，能夠指導吹風機溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應加大環(huán)境溫度傳感在吹風機溫度控制中的應用力度。截止目前，國內(nèi)外針對基于環(huán)境溫度傳感的吹風機溫度控制系統(tǒng)研究仍存在一些問題，在日后的研究中還需要進一步對吹風機的優(yōu)化設計提出深入研究，為提高吹風機綜合性能提供參考。