智能空調床墊控制器的研究與實現

喬有田，劉俊峰，陳 巖，萬欣萍

（揚州市職業大學，江蘇 揚州 225200）

本文介紹的智能空調床墊是電阻絲加熱和壓縮機制冷2 項技術的融合，利用熱交換產生熱水（或冷水），然后通過水泵把水循環流經毛毯上進行熱交換，保持毯面溫度的恒定。其具有水電分離、安全性高、恒溫效果比較好、使用時不會那么干燥、使用單片機控制和高度智能化等優點。

1 硬件設計

智能空調床墊控制器（下面簡稱控制器）用于控制空調床墊的整體運行，主要由單片機、數據采集、驅動電路、藍牙通信模塊和電源模塊等構成，如圖1 所示。

圖1 控制器的結構框圖

智能空調床墊的工作過程如下。移動終端設備（手機或平板）通過運行本系統的APP 程序，利用藍牙和單片機進行通信，控制單片機的動作和設定系統的參數。單片機讀取DS18B20 溫度傳感器測量的溫度后，控制電阻絲加熱裝置、壓縮機、水泵等外圍設備，使床墊的溫度保持在設定的溫度上。另外為了系統的安全，本智能空調床墊還設計了電流檢測、過載檢測等安全保護機構，使空調床墊的安全性能較傳統的電熱毯大大增加。

1.1 AVR 單片機

單片機采用的是ATMEL 公司的ATmega16。ATmega16 是基于增強的AVR RISC 結構的低功耗8 位CMOS 單片機，ATmega16 支持片內調試與編程，512 字節EEPROM，1K 字節SRAM，32 個通用I/O 口線，3 個具有比較模式的靈活的定時器/計數器（T/C），8 路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC，一個可編程串行USART。

1.2 溫度檢測DS18B20

溫度檢測采用DS18B20，DS18B20 是一款常用的高精度的單總線數字溫度測量芯片。具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強和精度高的特點。其測溫范圍是-55 ℃～+125 ℃，測量誤差為±0.4 ℃，完全滿足測溫需求。DS18B20 的供電電壓為2.5～5.5 V，這里用5 V供電。DS18B20 的接口電路原理如圖2 所示，DS18B20的I/O 引腳接AVR 單片機的I/O 口（PB2），10K 上拉電阻是必須的，這個電阻可以根據傳輸距離的遠近適當地減小，10 μF 的濾波電容穩定電源的電壓，保證DS18B20 內部采樣的可靠性。

圖2 DS18B20 的電路圖

1.3 驅動模塊

控制器驅動的負載有水泵（12 V 直流）、壓縮機（220 V 交流）、電阻絲（220 V 交流）等。這些負載單片機不能直接驅動，需要設計驅動模塊，為了設計的簡單化，設計了一種類型的驅動電路，該驅動電路可以直接驅動小功率直流負載（如水泵、風扇）的運行，對于壓縮機和電阻絲這種220 V 交流負載是通過固態繼電器進行控制，固態繼電器由驅動電路進行控制，設計的驅動電路如圖3 所示。

圖3 MOSFET 驅動模塊

從圖3 可知，驅動電路采取的MOSFET，當AVR單片機的I/O 口輸出低電平時，MOSFET 截止，回路處于斷路的狀態，當AVR 單片機的I/O 口輸出高電平時，MOSFET 飽和導通，MOSFET 的D 極電位近似為GND，負載得電導通，圖3 中的發光二極管D10 用于指示，二極管D9 起續流作用。

1.4 電流檢測模塊

電流檢測模塊用于檢測外圍設備水泵、固態繼電器、壓縮機的工作狀態。當水泵、固態繼電器、壓縮機的工作狀態發生變化時，其電流一定會反映出來。電流檢測分為直流電流檢測和交流電流的檢測，其檢測電路原理圖分別為圖4 和圖5 所示。

圖4 直流負載的電流檢測電路

圖5 交流負載的電流檢測電路

圖4 的電流經采樣電阻變換為電壓，然后通過運放的差分放大后送A/D 采樣器進行采樣，R6 和C 構成低通濾波電流，濾除電路的高頻雜波。

圖5 的交流負載的電流經交流變換器隔離降比變換后，由二極管D1 和R7 的半波整流后，經R8 和C1構成的低通濾波器濾波后送A/D 采樣器進行采樣，R8和C1 構成低通濾波電流，濾除電路的高頻雜波。

1.5 藍牙通信模塊HC-05

藍牙技術就是一種全球無線通信標準，在一定距離內連接設備。目前，藍牙技術也已應用到各個領域中，并已成為接入物聯網（IOT）的主要技術。本控制器使用藍牙模塊HC-05 與移動終端設備（手機或平板）進行無線通信。

HC-05 藍牙串口通信模塊，是基于Bluetooth Specification V2.0 帶EDR 藍牙協議的數傳模塊。無線工作頻段為2.4 GHz ISM，調制方式是GFSK。模塊最大發射功率為4 dBm，接收靈敏度-85 dBm，板載PCB天線，支持與智能終端的數據透傳，通信距離可達10 m，其供電電壓為3.6～6 V。

本控制器選用的藍牙模塊HC-05，其對外的引腳及功能如圖6 所示，在應用時HC-05 的TXD 和RXD管腳分別接單片機的串口的RXD 和TXD 管腳，HC-05 的VCC 接5 V 的電壓，GND 接電源的負極。

圖6 HC-05 模塊的引腳功能圖

2 軟件設計

軟件的設計包含移動終端設備（上位機）APP 軟件設計和下位機軟件設計。

2.1 移動終端APP 軟件的設計

移動終端APP 軟件的軟件設計用Android Studio集成開發工具。Android Studio 是谷歌推出的一個Android 集成開發工具，基于IntelliJ IDEA 類似Eclipse ADT，Android Studio 提供了集成的Android 開發工具用于開發和調試。

2.1.1 藍牙模塊與手機APP 通信原理

帶有藍牙模塊的單片機與手機APP 的通信示意圖如圖7 所示，其通信過程如下。藍牙模塊作為從機（藍牙模塊出廠默認為從機模式），安卓手機的藍牙作為主機；手機在藍牙界面上主動去搜索藍牙設備，當搜索到設備“HC-05”時，點擊該設備名稱，此時會彈出輸入匹配密鑰，密鑰為“1234”；匹配成功后，就可以與藍牙模塊建立TCP/IP 連接（在實際操作過程中發現，可以跳過匹配的環節，直接連接藍牙，Android 系統會自動彈出匹配的對話框，輸入密鑰后就建立了一個TCP/IP 連接）。

圖7 單片機和手機的藍牙通信

Android 實現藍牙功能的有關的類和接口位于Android Bluetooth 包中，具體使用到的類和接口見表1。本模塊實現的功能有藍牙打開、藍牙搜索、設備藍牙連接與通信。

表1 Bluetooth 的類和接口

2.1.2 APP 主程序的編制

軟件設計采用了3 個線程，主線程負責APP 界面的維護，信息流的處理和分發；2 個子線程一個負責藍牙的綁定、連接、斷開等藍牙的基本動作，另一個負責管理已連接的藍牙的數據收發；2 個子線程和主線程之間通過Handler 進行消息的分發。其軟件設計流程如圖8 所示。

圖8 APP 軟件流程圖

2.2 下位機軟件設計

下位機軟件的設計用AVR 的集成開發工具WinAVR 2010 進行設計。系統上電后首先對I/O 口的工作模式、定時器、串口和AD 轉換器等進行初始化后設置，然后循環等待接收并執行移動終端的通過藍牙傳輸的指令，當系統開機后，根據系統的工作模式進行溫度控制，同時通過檢測各外設的工作電流的大小判斷設備的狀態（正常、開路、短路），并根據狀態及時地做出響應。其軟件設計流程如圖9所示。

圖9 下位機軟件設計流程

3 系統的測試

本設計的控制器和實驗測試環境如圖10 所示。

圖10 控制器和實驗測試環境

系統測試包含這些方面：邏輯功能測試、定溫功能測試、藍牙通信有效距離測試。

邏輯功能測試是指在開機情況下，測試各種模式在設定溫度的情況下，隨著毯面溫度的改變其各外圍設備的動作是否與設定的邏輯一致，在這里采取的是表格法，見表2。

表2 系統邏輯功能分析表

定溫功能測試過程為在不同的季節，測試在加熱模式和制冷模式下，消耗的功率、定溫的誤差和響應時間，測試結果表明，在夏季制冷模式時，運用壓縮機進行制冷，其動作時最大瞬態功率只有100 W 左右，穩定響應時間約需5 min，誤差小于0.5 ℃，一夜大約1 kWh；在冬季制熱模式時，運用電阻絲加熱，其動作時最大瞬態功率可達400 W 左右，穩定響應時間約需6 min，誤差小于0.3 ℃，一夜大約3 kWh。

藍牙通信有效距離測試主要測試在沒有遮擋物和有遮擋物的條件下，通信數據的有效性（通過改變溫度傳感器的溫度看手機端的數據有沒有更新，來判斷通信的有效性），測試結果表明無論無遮擋物還是有遮擋物，接收靈敏度和通信距離都成正比，通信距離低于6 m 時，幾乎不會丟包，而一般家庭臥室的長度基本小于6 m，因此，系統可以滿足家庭里遙控傳輸功能的實現。

4 結論

綜合智能空調床墊系統的應用前景，設計了控制器的軟硬件部分，系統以AVR 單片機為核心，主控模塊、溫度采集模塊、電流檢測模塊、藍牙通信模塊及電源模塊。用戶利用移動終端設備控制主控模塊的執行，并將數據傳到移動終端設備。實驗結果表明，該系統在可靠性、精確性、處理功耗、響應時間、智能化和手持化等方面均滿足設計的要求。