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(huì)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(shí)代。在這種潮流中，設(shè)計(jì)了一款超高性價(jià)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(duì)環(huán)境溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(dòng)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(cè)、云端在線操控、自動(dòng)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(duì)房間展開自動(dòng)化檢測(cè)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(cè)器等場(chǎng)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(duì)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(shí)，可以通過APP自動(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，此時(shí)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(gè)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(shí)顯示參數(shù)。當(dāng)設(shè)置溫度與檢測(cè)到的溫度有差異時(shí)，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(dòng)設(shè)置各個(gè)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(dòng)從云端下載溫濕度等數(shù)據(jù)與操作指令存儲(chǔ)起來，與實(shí)時(shí)采集到的房間溫濕度進(jìn)行對(duì)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(shí)，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(gè)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(cè)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(jiǎn)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(chǔ)器、64kB SRAM存儲(chǔ)器的低功耗、高性價(jià)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(xiǎn)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(jí)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)的I/O口接三極管的基極，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)繼電器兩端線圈使繼電器吸合，打開對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)開關(guān)，使用3個(gè)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(shí)監(jiān)測(cè)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(hào)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(zhǎng)期的穩(wěn)定性;測(cè)距傳感器選用的是VL53L0X，它是新一代激光測(cè)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(cè)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(shí)檢測(cè)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(cè)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(gè)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(cè)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(duì)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(qǐng)求、各個(gè)傳感器傳輸進(jìn)來數(shù)據(jù)和Wi-Fi數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生判斷語句，看和主芯片的EEPROM存儲(chǔ)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(duì)Wi-Fi協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)初始化，檢測(cè)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(shí)，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(chǎng)、寫字樓、別墅、居民小區(qū)等場(chǎng)所。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度等的智能調(diào)節(jié)，營造更加舒適的室內(nèi)環(huán)境。可以通過手動(dòng)調(diào)節(jié)液晶顯示屏或者手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的智能控制。