基于單片機的智能恒溫器設計

周家奇

(湖南科技學院 智能制造學院,湖南 永州 425199)

0 引言

隨著社會生產生活的需要,恒溫器成為人們必不可少的部分。恒溫器,也就是溫控器,是根據工作環境的溫度變化,在開關內部發生物理形變,從而產生某些特殊效應,產生導通或者斷開動作的一系列自動控制元件,也叫溫控開關、溫度保護器、溫度控制器,簡稱溫控器[1-2],或是通過溫度保護器將溫度傳到溫度控制器,溫度控制器發出開關命令,從而控制設備的運行以達到理想的溫度及節能效果。在歐洲絕大多情況下溫控器是壁掛爐必配件,兩者是一配一同時交付用戶的,而且配備的溫控器大多是智能型溫控器。在國內,已安裝在運行和正在安裝調試準備投入使用的壁掛爐近95%是沒有先行配備任何形式的簡易或智能型的溫控器[3]。而房間采暖系統中配備溫控器尤其是智能溫控器,是節能采暖綜合體系中一個極為突出的環節。智能溫控器在國內還是一個增長潛力巨大的市場,國外靠溫控器起家的Nest,2014年被科技巨頭谷歌以 32 億美金天價收購[4]。

1 需求分析

恒溫器是家庭或樓宇自動化應用,其自動調節溫度,或當溫度達到某一點時激活設備。隨著物聯網(IoT)和網絡連接設備的出現,智能恒溫器的全新市場開啟。智能恒溫器不僅通過移動應用或網絡瀏覽器實現遠程管理和編程,而且還了解并適應用戶的日常生活,并向用戶提供能耗數據,以查看使用模式并進行調整,以顯著節省能源費用。筆者選擇了智能恒溫器終端應用程序,因為它涉及不同級別的細節和復雜性,同時仍處理基本的MCU特性和功能。智能恒溫器應用的基本構件包括傳感、處理、用戶界面和無線連接,并且設計這些組件需要多個MCU功能之間的交互。

2 設計與實現

2.1 硬件實現

首先選擇BME BME280,輸出信號數字信號。電源為3.3~5.5 V DC,U1電源HLK-PM01。D1整流二極管型整流器,包Melf DO-213 AB 〔SMD〕部分#1N4001。D2整流二極管型整流器,包Melf DO-213 AB 〔SMD〕部分#1N4001。Q1 PNP-晶體管型PNP,封裝SOT-23 〔SMD〕部分#2N2222。Q2 PNP-晶體管型PNP;封裝SOT-23 〔SMD〕部件號#2N2222。R11.2 kΩ電阻公差±5%,包1206 〔SMD〕,電阻1.2 kΩ,R21.2 kΩ電阻公差±5%,包1206 〔SMD〕,電阻1.2 kΩ,J1 RaspberryPi零點或零點W任何版本。

其次,PCB準備。所需工具為:3 mm鉆頭、鉗子、剪線器、機械準備。為了節省空間,需要通過移除黑色凸出相機連接器的塑料鎖力。首先用手拉一邊,然后用另一個拉出。為了便于用提供的螺釘和螺母裝配殼體,建議使用3 mm的鉆頭清理4 RaspberryPi上的孔。

最后,焊接訂單。如果您的RaspberryPi帶有預先焊接的標題,則需要刪除最后的4(2和2)位置。在底部添加一些焊料并輕輕推入,無須完全取下銷釘。只需確保它不會突出并平放在HestiaPi PCB上。使用面向GPIO引腳的按鈕向上焊接RaspberryPi上RUN引腳中的復位按鈕。它可能觸摸兩個GPIO引腳,但這不會影響任何東西。它有2.5 mm的間距,而RUN的引腳是2.54 mm,所以可能有點緊。小心不要彎曲腿。從左側的RaspberryPi引腳1開始焊接公2×18引腳接頭,在右側留下4針空間,以便按下復位按鈕。特別注意正確的焊接溫度,以便在引腳上留下最少的焊料。底部的引腳也需要通過PCB進入,所以如果使用過多的焊料,它們就不適合。從引腳1開始對準PCB和RaspberryPi,并且已經焊接了公頭。確保PCB的4個固定孔與RaspberryPi的4個固定孔對齊。緊緊按住它們直到在左端焊接4個引腳并在右邊焊接4個引腳。然后焊接其余部分。最好按此順序焊接接線端子,電源和繼電器。如果設計的外殼并且空間充足,請在PCB(標有BME)和BME傳感器上焊接2個1×4母接頭。否則,將杜邦1×4導線直接彎曲并焊接到PCB和BME傳感器上。VIN至+,GND至 - ,SCL至SCL和SDA至SDA。六角形外殼底部有一個緊密的傳感器隔間,有些人因意外停止溫度讀數而將連接器拉開。如果無法控制主電源,即在安裝過程中將其關閉,筆者建議是將SD卡和LCD關閉,連接所有4根電線(空至N,線對L,水對W和加熱到H ),部分(未完全)插入SD并完成外殼安裝,并將LCD連接到蓋子上。完成所有操作后,從機箱外部首先將SD推入(它沒有鎖定到位),然后插入非金屬工具并按下重置按鈕。HestiaPi將啟動并在大約10~15秒內LCD將顯示一些啟動消息。

2.2 軟件實現

為了方便新用戶,HestiaPi為SD卡提供了可立即刻錄的圖像文件。準備新的SD卡。使用圖像寫入工具將其安裝到SD卡上。不能簡單地復制粘貼它。如果下載了ZIP版本,請在下一步之前先解壓縮.img文件。

首次啟首先將HestiaPi的案例修復到墻上。如果只想在提交之前測試HestiaPi,請先連接LCD,然后將Micro USB線插入Pi端口。將MicroSD卡插回Raspberry Pi 。只需將其推入即可。它不會點擊。它沒有鎖定到位。在施加電源電壓之前采取一切必要的預防措施,以便立即切斷電源。連接加熱、冷卻、風扇和熱水(取決于型號)接線盒頂部觸點上的控制線。連接底部觸點上的電源線,標記為L和N。將傳感器放在蓋子的底部隔室并安裝4垂直切口中的電線。如果不能切斷電纜的電源,就有可能在液晶顯示器之前啟動HestiaPi已連接。筆者建議在施加電源電壓之前將SD卡取出,并在即將關閉外殼之前,插入但不要重新啟動。它不應該啟動。使用長的東西像螺絲刀但不導電并按下復位按鈕。在某些型號中,它位于LCD連接器的右側朝上。使用別針或回形針一次推動每一面,但要輕柔。只需要2~3 mm的推力即可釋放它們。這是一個3D打印的外殼,而不是超級靈活的ABS。很快就會看到HestiaPi啟動順序和最后的加載屏幕倒計時。

2.3 系統測試部分

按照上述硬件和軟件設計實現以后,智能控制模塊將測量的溫度值進行處理后,通過網絡接口將數據發布到LON總線上,交上位機進行處理和監控,同時根據程序預先編制的控制算法得出控制量,經D/A轉換后變成0~5 V電壓信號或4~20 mA電流信號輸出至可控硅調功器,驅動執行機構對測溫點進行溫度調節控制。結果證明,該智能恒溫器能按照預期設計實現全部功能。

3 結語

本文設計實現了一個智能恒溫器。雖然在設計電路的過程中遇到了許多阻礙,但是本課題組通過查閱大量的資料,不斷進行改進智能恒溫器,最終實現了設計的目標。