基于MSP-430的藍牙音箱及空氣調節器一體化設計

楊浩森，楊智元

（西安航空學院電子工程學院，陜西西安，710000）

0 引言

近年來，隨著空氣質量逐漸下降，冬季霧霾嚴重，空氣干燥寒冷，容易引發多種呼吸疾病及皮膚問題，極大程度影響到人們的身體健康。當空氣濕度達到40%～60%時，人體處于良好狀態，與此同時大多公共場所人口密集程度較大，缺少通風，容易出現健康問題。如今市面上產品大多為功能單一產品，如凈化器多為過濾式除塵，須定時清理濾芯[1]；加熱器易出現加熱時間過長引發安全隱患等問題；加濕器則多為水箱和底座直接連接，移動過程中易出現撒漏不便于攜帶，還存在著“漏電”問題。基于以上問題本文提出了一種多功能凈化器設計思路，為避免頻繁更換濾芯的麻煩，采用負離子降塵的方式，并提高了工作效率[2]；過熱保護強行制冷，解決了在取暖過程中由于加熱時間長引發的安全問題；同時為防止漏電現象采用水電分離的設計思路，解決了在使用過程中的安全隱患問題。

考慮到使用主體多為教室等公共場合，增加藍牙音箱，使用者可通過設備連接藍牙播放音樂，如瑜伽教室，健身教室可連接藍牙音箱播放背景音樂。

1 設計原則

■1.1 安全性原則

使用過程中容易出現兩種安全問題，第一由于電阻加熱時間過長，會因為自身熱量過高燙傷使用者，甚至會出現失火現象，保證使用過程安全穩定，在溫度過高時需進行降溫處理，防止加熱電路產生熱量影響其他電路出現短路，熔斷等現象。第二機體下方底座蓄水存在漏電現象為防止觸電需做好水電分離防護處理。

■1.2 方便性原則

當下方便使用，操作簡單尤為重要，產品設計時應確保產品便于移動，能使用多種環境及角度。加濕水箱應和機體保證整體性，防止在移動過程中出現漏水；加熱、加濕、空氣凈化、音箱等功能可各自工作，又能同時作用，提供多種選擇，根據需求個性化處理各種場景。

2 控制電路

如圖1所示的系統結構圖，由電源穩定供電支撐其他模塊工作，調節器采用MSP430系列芯片作為主控核心，MSP430單片機為16位的單片機，工作溫度為–40~+85℃采用了精簡指令集（RISC）結構；擁有大量的寄存器及片內數據存儲器可支撐多種運算。

圖1 系統結構圖

調節器功能包括加熱，加濕凈化，藍牙音箱，基本工作邏輯為：當接通電源后，單片機初始化，等候命令輸入，若無信號輸入，430單片機進入低功耗休眠狀態，調節器進入待機，當有信號輸入時，單片機啟動分辨指令信號，當輸入為單一信號，則對應模塊進行工作，特別的當加濕凈化電路工作時首先檢測水位，當水位高于最低水位則驅動對應電路工作，若低于最低水位則發出報警。使用藍牙音箱時，第一次先長按藍牙按鈕進行配對，配對成功后可播放音樂。第二次及以后使用只需啟動藍牙就可以自動連接已配對設備。當輸入信號為多指令時，則多個電路同時工作。當輸入關機指令后，系統關機，切斷電源。

3 功能實現

■3.1 加熱功能

3.1.1 加熱硬件設計

使用DS18B20溫度傳感器作為主要溫控器件[3]、PTC發熱片作為主要加熱器件，熱阻小，換熱效率高，加熱不“發紅”安全省電。用MSP430連接多個繼電器來分別控制PTC加熱器[4]。加熱器四面鑲嵌加熱管道使用雙“V”字形結構，出風口皆傾斜向上，可通過旋鈕調節風頁調整出風角度，箱體頂為換氣進風通道，也可臨時用來放置物品；在烘干衣物時可有效防止水滴落入暖風系統。工作時輸入開機指令，通過溫控傳感器確定加熱檔位，布置在四周的PTC加熱器開始加熱，由內部風扇將熱風經風道送出達到暖風加熱效果。

3.1.2 加熱電路

為了提高加熱效率，本設計為三級加熱功能，由六個繼電器控制六個加熱器來實現，使用時通過按鍵在LED屏輸入預設溫度。用DBS18B20溫度傳感器測量室溫與單片機預設溫度進行數據對比。當環境溫度與預設溫度相差大于15度時單片機控制六路加熱器同時工作實現高檔位加熱，當溫差在5度和15之間時四路加熱器同時工作實現中檔位加熱，當溫差在5度以內時則兩路加熱器同時工作實現低檔位加熱。這種設計安全節能，不但不會引發火災，而且能夠根據不同的溫差需求來提供相應的加熱等級，大大降低了能量的損耗。

圖2 加熱電路

3.1.3 防過熱電路

為防止加熱電路過熱，當加熱工作達到警戒溫度后，單片機控制加熱器停止加熱，若此時溫度過高，風扇吹入冷風冷卻銅網，當熱度低于警戒溫度后，加熱電路繼續工作，即間接性加熱，使溫度一直保持在預設溫度，來防止加熱器件過熱引起不必要的災害，從而實現溫度自動控制功能。

■3.2 加濕凈化功能

3.2.1 加濕凈化原理

加濕系統采用超聲波霧化，采用超聲波高頻震蕩的原理，將水霧化為1~5μm的超微粒子，通過風機將霧化的水汽吹出殼體，從而達到加濕空氣的效果，接通電源后.開關電源輸出36V和12V，輸出兩路電壓36V和12V。其中36V供電水汽霧化模塊，12V供電風機，設置缺水指示燈和工作指示燈，當水箱尚未放到底座或儲水罐內缺水時，磁鐵遠離干簧管，干簧管彈開，缺水指示燈亮，工作指示燈滅，超聲波發生電路不起振。當水箱加入適量水后，磁鐵靠近干簧管，干簧管吸合，同時工作指示燈亮，缺水指示燈滅，電流經干簧管，并送到超聲波發生電路，超聲波發生電路起振，從而產生霧氣，由風機吹出殼體，達到室內加濕空氣的效果。

選取數字濕度傳感器DHT11測量室內濕度，通過MSP–430單片機讀取并與用戶在LCD上設置的最佳相對濕度相比較，進而控制加濕，當濕度達到最佳值后停止加濕，防止加濕過度，與負離子發生器同時使用，在加濕的同時可達到降塵的效果，而濕度的增加可加大負離子電場的擴散范圍。當環境濕度維持在50%時可極大程度降低感冒等病毒的存活率[5]，起到緩解流感，高血壓，并對神經系統，心血管系統起到一定保護作用。加濕器使用時可在水箱中加入食醋或消毒水達到殺菌的效果，也可加入消炎藥或板藍根等藥品對預防感冒、改善鼻塞等癥狀均具有效果；還可以在水中加入薰衣草，玫瑰花精油或各類香水起到增香和幫助改善皮膚，安眠的效果。

3.2.2 負離子作用及發生及凈化原理

空氣負離子有很強的捕捉漂浮微塵的能力，可使塵埃沉降，微塵直徑越小越容易被負離子沉降，如PM2.5，氣溶性微塵，細菌等都無法在具有大量負離子濃度的空氣中存在，科學研究表明當負離子促進新陳代謝，使血沉減慢，增加紅細胞含量，減少肌肉乳酸含量，促進蛋白質代謝，增強免疫力，使病毒失去攻擊能力。

由于空氣是由多種氣體構成，在無外力作用下，各類氣體分子穩定呈中性，在直流高壓電場作用下，形成高壓直流電壓，通過負高壓尖端放電，將周圍空氣電離，電離過程中正離子被吸引至負極場，而負離子受到排斥力的作用，離開負極場，形成運動的負電壓區，同時在負極上形成穩定放電的區域，在負離子場的帶動下，周圍空氣不斷涌入[6]，電離作用不斷擴散速度最高可達到0.3~0.5m/s。

負離子發生器由MSP–430單片機主導產生脈沖信號，經過兩個串聯的三極管模塊進行功率驅動，然后加到高頻升壓變壓器上，由變壓器的次級感應接近萬伏的電壓，后經高壓硅堆進行整流，在末端接上碳纖維電極，在此處進行電離產生空氣負離子。為了增加其產出率可以為其再并聯一個同樣的負離子發生器，以提高負離子凈化能力。

3.2.3 水電分離

傳統加濕器，由于水電不分，在底座水槽蓄滿水后，存在漏電的安全隱患，而當施加高壓電場后危險幾率大大增加，所以需進行水電分離，加濕凈化系統同時與加熱系統隔熱處理，與水箱分離位于機體下層，底座通過控制觸片給水箱供電，制霧過程在水箱獨立完成，加入水位報警當水位過低向MSP430發送低水位信號霧化器停止工作，啟動蜂鳴器報警防止干燒。

■3.3 藍牙音箱播放功能

3.3.1 藍牙結構

模塊安置在下層水箱模塊旁邊的隔層里，外殼鑲嵌鋼板音響網罩，AU6210主控芯片連接到430芯片的串行端口，允許430芯片通過藍牙連接與其他設備通信，以HT6873為主要功放直接驅動揚聲器，整體模塊占空狹小，傳播范圍廣。HT6873是一款高保真，低EMI的，具有防削頂失真功能的單聲道免濾波D類功放，工作電壓5V。

3.3.2 藍牙音箱功能實現

AU6210主控芯片是音頻SOC芯片具有32.768kHz晶體，相較于大多為12MHz擁有更低的EMI輻射；HT6873免濾波D功放工作原理如圖3所示，使得模塊所需功耗達到最小，大大降低了脈沖信號的失真，同時HT6873內置關斷功能，可保證待機時電流最小，過流（溫）保護，和欠壓異常保護等保持了聲音的高效穩定傳輸。藍牙的連接也改善了傳統接線方式的多種不足，使得音箱可以更穩定地輸出音頻，AU6210可將其中MP3文件送至解碼器解碼，且支持多設備掉電記憶，方便快捷。

圖3 藍牙電路工作流程圖

當單片機輸入指令藍牙音箱工作，首先與設備進項配對連接，連接成功后，主控芯片AU6210工作將音頻傳輸至喇叭上，當喇叭接收到由音源設備輸出的電信號時，電流會通過喇叭上的線圈，并產生磁場反應，通過線圈的交變電流，相互吸引（排斥），線圈受到喇叭上磁鐵的吸引向后（前）運動，并發出聲音。

4 實驗

■4.1 功耗測試

在220V/50Hz的工作電壓下，加熱電路中低檔位功率800W，中檔功率1200W，高功率2000W；加濕電路功率20W，負離子凈化電路功率30W，音箱功率為5W。各系統共同工作時最大功耗約為2100W。MSP430擁有低功耗待機功能，在通電情況下，當各功能關閉其功耗，MSP430通過電流僅為0.68~0.71μA。

■4.2 負離子濃度測試

封閉環境下，在70㎡，90㎡，110㎡空間大小內，負離子濃度隨時間變化增加，如表1所示。即在通風或非封閉條件下負離子濃度會低于測量值。

表1 負離子濃度測試

■4.3 溫濕度測試

溫度測試分別在70㎡，90㎡，110㎡的空間大小內進行測試，當溫差處于不同檔位下，由不同檔位進行加熱工作，由表2、3可以看出當小空間室溫與設定溫度相差不大時，在5分鐘左右加熱片可加熱到預設溫度，并持續保溫，當大空間室溫與設定溫度相差較大時也可在15分鐘內加熱片可加熱到預設溫度。濕度測試為室溫26℃初始相對濕度為47%加濕到50%空間所需時間。

表2 溫度測試

表3 濕度測試

5 結論

出于提升空氣質量的思考，本文提出了一種基于MSP430單片機的藍牙音箱及空氣調節器一體化設計思路，利用間歇性加熱，過熱保護，水電分離等技術解決當下加熱、加濕器存在的安全隱患，利用負離子凈化方式，免除了頻繁更換濾芯及濾芯滋生細菌等問題，有利于人體健康。實驗表明：當處于70㎡，90㎡，110㎡各空間加濕加熱凈化各功能都可在預定時間內達到預期效果同時系統基于方便性將各種操作簡潔化，一鍵開啟。藍牙音箱可連接范圍約10m，為保證藍牙音箱的穩定連接，增加音質，信號連接范圍，后期將引入藍牙5.0技術[7]更新藍牙信箱設備。未來將在此基礎上進一步降低功耗，解決“低功耗，大輸出”難題，同時增加加濕凈化自動停止功能，當達到預設狀態后可自動停止加濕或負離子產生。