聲控式多功能風暖的設(shè)計與實現(xiàn)

沈周鋒

(漳州職業(yè)技術(shù)學院 電子工程學院，福建 漳州 363000)

隨著智能家用電器廣泛應(yīng)用到人們的生活中，各種傳統(tǒng)電器紛紛被加入智能控制技術(shù)。家電的不斷升級使得家電購買需求旺盛，家電行業(yè)成為我國重要的經(jīng)濟增長點之一。洗手間作為各家各戶必備場所，正在引入越來越多的家電。熱水器、浴霸等電器陸續(xù)成為洗手間必備品。

老式的取暖設(shè)備采用燈暖浴霸，利用高功率燈泡的熱輻射來提高溫度。其缺點在于：一是燈泡輻射區(qū)域較小，導致溫度不均勻；二是功能單一，只能用于冬季取暖；三是亮度過高，損傷兒童視力。由于燈暖的缺點眾多，逐漸被風暖所取代。提出了一種具有語音識別功能的風暖，使其具有風暖、換氣、送風、照明等功能，引入多項閉環(huán)控制技術(shù)，保證整機穩(wěn)定運行。

1 基本原理

風暖的原理類似于空調(diào)和暖風機，利用加熱片加熱空氣，利用電機帶動葉片制造室內(nèi)空氣流動。冷風進入風道，加熱成暖風從出風口送出，使整個衛(wèi)生間溫度升高。取暖效果比較均勻。合理控制加熱片的加熱功率，可以改變出風的溫度，達到吹熱風和冷風的效果。利用擋板改變風道形狀，又可以達到換氣和送風的效果。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。整機具有一個進風口和兩個出風口，擋板在步進電機的帶動下，停留在A位置或B位置，切換不同的出風口。風暖模式下，步進電機控制擋板停留在A位置。風輪轉(zhuǎn)動，帶動空氣從進風口進入風道。到達擋板時，大部分空氣轉(zhuǎn)彎流經(jīng)加熱片，從出風口2流出，在加熱片加熱下，吹出暖風。一小部分空氣從擋板和風道的間隙，從出風口1流出。出風口1連接洗手間排氣管，小部分空氣從排氣管排出，使得洗手間呈負壓狀態(tài)，避免空氣通過洗手間門進入其他房間造成污染。此模式下關(guān)閉加熱片，冷風經(jīng)過出風口2吹在用戶身上，實現(xiàn)風扇功能。換氣模式下，加熱功能關(guān)閉，擋板停留在B位置，空氣在風輪帶動下沿著路徑1，從排氣管排出，達到換氣的效果。照明模式下，線路板打開照明燈開關(guān)即可使燈發(fā)亮。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

電路原理框圖如圖2所示。電源電路將AC市電轉(zhuǎn)化為12 V和3.3 V直流電源，為單片機和各個驅(qū)動電路供電。整機以單片機作為控制核心。LD3320電路單元通過SPI接口與單片機通信，從麥克風采集音頻信號，語音識別出用戶口令，傳送給單片機。單片機將數(shù)字的音頻碼流下發(fā)到LD3320芯片，通過喇叭播放出來，作為應(yīng)答。風輪驅(qū)動電路在單片機控制下負責驅(qū)動交流電機轉(zhuǎn)動，帶動空氣流動。出風口擋板采用圓弧面設(shè)計，步進電機安裝于圓形位置。步進電機轉(zhuǎn)動時，擋板繞著步進電機轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動一定角度。擋板兩端分別裝有不同極性的磁鐵，出風口1右側(cè)裝有霍爾傳感器，擋板在A位置和B位置，傳感器輸出不同的電壓值。單片機通過AD轉(zhuǎn)換電壓值，檢測擋板位置。步進電機和霍爾傳感器形成對擋板的閉環(huán)控制，控制擋板精確地在A/B位置間切換。溫度探頭安裝于出風口2位置，檢測出風溫度。單片機根據(jù)出風溫度，適當增大或者減小加熱片功率即可實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。照明燈驅(qū)動電路采用繼電器控制電流環(huán)路的通斷。

圖2 電路原理框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 風輪驅(qū)動和照明燈驅(qū)動電路

風輪電機和照明燈均采用220 V供電，受單片機控制，具有開啟和關(guān)閉兩種工作狀態(tài)。直接用3.3 V供電的單片機控制交流器件，工作狀態(tài)切換瞬間，容易產(chǎn)生浪涌干擾。該干擾從驅(qū)動電路進入單片機IO口，容易引起單片機程序跑飛、復位等風險。因此采用光電耦合芯片EL817[1]，將弱電和強電隔離開，如圖3所示。當PA2節(jié)點為高電平時，U1導通，Q1的基極電壓被拉低，三極管截止，繼電器K1斷開；反之，當PA2為低電平時，U1截止，Q1進入飽和態(tài)，繼電器K1線圈通電觸點吸合，負載RL通入交流市電。照明燈和風輪電機采用圖3電路控制通斷。

圖3 弱電驅(qū)動強電電路

2.2 風暖溫度閉環(huán)控制電路

空氣在風道中流動，經(jīng)過加熱片時，空氣的溫度會升高。加熱片的設(shè)計需要注意幾個方面：一是保證熱量充分散發(fā)到空氣中；二是必須保證空氣流動順暢，風阻不得過大；三是溫度上升時，電阻值盡量不要發(fā)生變化，使加熱功率一定程度上保持穩(wěn)定。鎳鉻合金金屬片具有較小的溫度系數(shù)，且價格便宜，非常適合用于制造加熱片。[2]如圖1所示，將寬度一定的長條形金屬片彎曲為類似百葉窗形狀，可以保證金屬片與空氣充分接觸，且風阻較小。由于不借助助焊劑的情況下，焊錫無法附著于鎳鉻合金表面，采用鉚釘將銅制絕緣線固定在金屬片兩端，作為加熱片的兩極。電路連接如圖4所示。采用熱敏電阻R9與普通電阻R10串聯(lián)，探測出風溫度。當溫度變化時，熱敏電阻阻值發(fā)生變化，Ad1節(jié)點電壓發(fā)生變化，送入單片機中做AD轉(zhuǎn)換，即可檢測出風溫度。C2和C3電容采用納法級別，用于進一步提升Ad1電壓的穩(wěn)定性，提高溫度探測精度。

圖4 加熱片驅(qū)動和溫度檢測電路

根據(jù)出風溫度，溫度過高時降低加熱功率甚至關(guān)閉，溫度過低時加大加熱功率，形成閉環(huán)控制環(huán)路，將出風溫度控制在定值。單片機采用PWM方式，快速切換開啟和關(guān)閉狀態(tài)，改變占空比即可實現(xiàn)不同的加熱功率[3-4]。相比固定功率加熱方式，變功率加熱可減小溫度波動，減少用戶“忽冷忽熱”的不舒適感。若采用繼電器，動片快速地吸合彈開，產(chǎn)生金屬噪音會影響用戶的體驗，而且繼電器的壽命大大縮短。雙向晶閘管Q2是一種無觸點開關(guān)控制器件，配合U2光耦3063，可以完美實現(xiàn)PWM功率控制。當PA1為高電平時，U2導通，Q2的控制極在整個交流電周期內(nèi)都能和主電極保持一定的電位差，Q2導通，加熱片加熱。當PA1為低電平時，U2截止，Q2在交流市電正半周期和負半周期交界處進入截止態(tài)，加熱片停止加熱。單片機在PA1節(jié)點加入一個遠小于50 Hz的PWM信號，改變占空比即可調(diào)整加熱功率。R7和C1并聯(lián)在Q2兩端，起到保護晶閘管的作用。

2.3 步進電機驅(qū)動和位置檢測電路

步進電機采用MSBPC20A04電機，帶有4組線圈和一個公共端。公共端接12 V電源，其他端子采用ULN2003A芯片驅(qū)動。[5]由于步進電機工作時各個繞組電流較大，直接用單片機引腳驅(qū)動容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)。各繞組斷電瞬間會產(chǎn)生反向電動勢，直接施加于單片機會導致?lián)p壞。ULN2003A是一種成熟的步進電機驅(qū)動芯片，OUT引腳驅(qū)動電流達到500 mA，完全能夠勝任小型步進電機的驅(qū)動需求。由圖5可知，繞組斷電瞬間， OUT引腳內(nèi)部的鉗位二極管導通，將電流導入+12 V，可以消除反向電動勢的影響。合理控制PB3至PB6 PWM信號的時序，使電機工作在四相八拍狀態(tài)，電機可以工作在停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)狀態(tài)。[6-7]

圖5 步進電機驅(qū)動和擋板位置檢測電路

采用SS49E霍爾傳感器檢測擋板位置。該傳感器用3.3 V供電且附近無磁鐵時，輸出電壓約1.6 V。當磁鐵S極正對著傳感器絲印面時，PosAd節(jié)點電壓隨著磁場強度增加而線性升高；反之，當磁鐵N極正對傳感器絲印面時，PosAd節(jié)點隨著磁場強度的增加線性降低。擋板傳感器和磁鐵安裝位置如圖6所示。SS49E安裝于出風口1位置，擋板左邊一端的磁鐵S極向上，右邊一端磁鐵的N極向上。擋板處于A位置時，N極離傳感器最近，PosAd電壓達到最低值；擋板處于B位置時，S極離傳感器最近，PosAd電壓達到最高值。

圖6 擋板傳感器安裝示意圖

2.4 LD3320語音識別電路

語音識別單元采用LD3320芯片，該芯片基于ASR(Auto Speech Recognition自動語音識別)技術(shù)，從麥克風采集到的聲音進行頻譜分析，提取語音特征，然后和關(guān)鍵詞列表中的關(guān)鍵詞進行匹配，找出相似度最高的關(guān)鍵詞，從數(shù)字端口輸出關(guān)鍵詞序號。單片機通過數(shù)字端口輸出音頻數(shù)字碼流，存入LD3320內(nèi)置的FIFO中，通過外置喇叭播放出來。[8-10]由于多功能風暖播放語音應(yīng)答信號較為簡短，將通信接口配置為SPI串行模式，最高支持1.5 MHz的波特率，能夠勝任通信需求的同時節(jié)約單片機IO口資源。詳細電路圖如圖7所示。X1采用22.1 MHz的晶振，為LD3320芯片提供時鐘信號。將復位引腳PIN48上拉，使其正常工作。PIN46 MD引腳上拉，PIN42 SPIS下拉，LD3320通信端口進入SPI模式，SDCK/SDO/SDI三個引腳與單片機SPI單元連接作為數(shù)據(jù)通信接口?？臻e情況下INTB引腳為高電平，當識別到關(guān)鍵詞時變?yōu)榈碗娖?，與單片機連接，用于通知單片機接收語音識別結(jié)果。芯片提供多個數(shù)字電源、模擬電源引腳，布線時兩種電源各自連接去耦電容和濾波電感，與總電源呈星型連接，最大程度地消除數(shù)字電路對模擬電路的干擾。C4～C7，R13，R14，MK1組成麥克風單元，MBS引腳為麥克風提供偏置電壓，音頻信號從MICP和MICN輸入LD3320。C8、C9、R15、R16組成喇叭音量外部控制電路。C10、C11連接VREF引腳，穩(wěn)定芯片內(nèi)部聲音信號參考電壓。喇叭LS1直接與SPOP和SPON連接，用于播放語音應(yīng)答信號。

圖7 LD3320語音識別電路

3 軟件部分設(shè)計

軟件流程圖如圖8所示。單片機上電時，首先進行內(nèi)部單元初始化，主要配置SPI接口、AD轉(zhuǎn)換單元以及外圍硬件的控制引腳。然后單片機初始化LD3320芯片，并將一級口令和二級口令按順序傳入LD3320芯片內(nèi)部，開啟語音識別功能，單片機進入死循環(huán)。當檢測到一級口令“風暖”時，單片機將“你好”的數(shù)字音頻碼流傳入LD3320芯片，并通過喇叭播放出來，同時使能二級口令應(yīng)答標志位。當檢測到二級口令時，執(zhí)行相應(yīng)的動作。比如接收到“打開風暖”的二級口令，單片機控制步進電機將擋板轉(zhuǎn)動到B位置，然后打開風輪電機和加熱功能。單片機將二級口令的應(yīng)答信號傳入LD3320，提示用戶“風暖已打開”，同時清除二級口令應(yīng)答使能標志位。15分鐘計時時間到或者接收到“關(guān)閉風暖”的二級口令時，關(guān)閉加熱和風輪，擋板復位，喇叭播放“風暖已關(guān)閉”應(yīng)答。二級口令應(yīng)答使能標志著用戶是否發(fā)出一級口令。用戶直接使用二級口令時，單片機不作任何響應(yīng)，避免了用戶的正常交談被風暖誤判斷為口令。

圖8 軟件流程圖

4 整機測試

在距離麥克風2 m的位置，進行語音口令測試，識別成功率達到100%。換氣模式下，擋板能夠順利進入B位置。風暖模式下，擋板能順利進入A位置，并在出風口1留有一定空隙，使衛(wèi)生間呈負壓狀態(tài)。在出風口位置加裝溫度計和風速計，對風暖出風溫度和出風口2的風速進行了長達2小時的連續(xù)測試。采用具有風速和溫度測量功能的儀表對出風速度和溫度進行測試。每隔5分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)曲線如圖9和圖10所示。橫軸表示時間，圖9縱軸表示出風溫度，單位℃，圖10縱軸表示風速，單位m/s。出風溫度在閉環(huán)控制下，基本在39 ℃波動，波動范圍±0.3 ℃。風速在1.5 m/s附近波動，最大值1.7 m/s，最小值1.3 m/s。

圖9 出風溫度曲線 圖10 出風風速曲線

5 結(jié)語

利用單片機和LD3320芯片，設(shè)計了一種語音聲控的多功能風暖設(shè)備。采用一級口令和二級口令結(jié)合的方式，聲控設(shè)備可以執(zhí)行各項功能。采用兩個閉環(huán)控制，較為精確地控制擋板位置和溫度。驗證試驗表明：整機能夠正確接收用戶的語音指令，執(zhí)行各項任務(wù)，出風溫度和風速穩(wěn)定，能夠滿足人們使用需求，具有一定的市場前景。