基于射頻單片機的自動感知遙控暖箱設計

唐華

（南京曉莊學院，江蘇南京，211171）

0 引言

暖箱的出現，為南方人們的工作生活提供了便利，不過當前多數暖箱一般僅能夠依靠硬件來實現自動開關、智能恒溫，功能相對單一，無法很好地滿足人們個性化需求。對此，可以采用軟件和硬件相互結合的方式，依托物聯網技術自動完成暖箱環境內溫度的監測、數據的遠程傳輸、數據的顯示及遠程控制等工作來實現自動、感知、遙控的功能，有效的解決日常生活使用中的若干常見問題，達到溫度上限及下限要求時，能自動通斷電來控制發熱體，從而保證智能控制溫度，通信無需對準，用免費的公共信號2.4G的載波頻段；同時配有振動傳感器，能智能切換安全模式，從而保證熟睡的人的安全；配有壓力傳感器，通過感知是否有人來自動通斷暖箱發熱體，從而保證更節能；采用的發熱體也是24V供電，發熱體可輻射出波長為8-415納米，對身體有益的遠紅外，同時保障安全節能，具有一定的現實意義及實用價值。

圖1 暖箱系統框圖

1 硬件設計

1.1 總體設計

系統總體包括暖箱和遙控器，暖箱硬件部分采用了CC2530單片機、開關電源、溫度傳感器、壓力傳感器、發熱體等，如圖1所示。

暖箱遙控器硬件部分采用了CC2530單片機、OLED、按鍵等，如圖2所示。

圖2 暖箱遙控器系統框圖

1.2 模塊設計

一是單片機模塊，CC2530單片機成本低和功耗低，具備良好性能的同時，還遵循2.4G免費無線通訊頻段的無線通信技術傳遞數據和控制指令，該通訊方式是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術，適應無線傳感器的低花費、低能力、高容錯性等的要求，主要用于近距離無線連接，采用跑單任務程序，不跑系統程序，可以避免系統中由于任務輪詢機制造成的事件處理速度慢，可以自由定義通信握手信號，加快數據傳輸速度，也使AD轉換處理的速度也快；二是溫度傳感器模塊，采用DS18B20溫度傳感器,有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點,采用單總線接口，測溫范圍是-55℃～+125℃，能精確測量暖箱內溫度，配合繼電器進行恒溫控制；三是振動傳感器和壓力傳感器，振動傳感器采用SW-18010P傳感器，壓力傳感器采用應變片，能智能切換安全模式，從而保證熟睡的人的安全，同時壓力傳感器可以判斷是否有人；四是按鍵模塊，遙控器上擁有按鍵，進行控制，當遙控器找不到的時候可以通過暖箱上的按鍵進行控制；五是OLED顯示模塊，為0.96寸的12864屏，用于顯示暖箱溫度、模式等；六是變送器電路，壓力傳感器輸出的信號微弱，不利于單片機采集，需要增加變送器電路，便于識別；七是發熱體，24V供電，發熱體可輻射出波長為8-415納米，對身體有益的遠紅外[1]。

2 系統設計

2.1 主程序設計

為了確保單片機內部硬件能夠正常運作，暖箱系統的主程序運行需要延遲100ms，之后對相應功能模塊如按鍵、串口、RF、ADC、DS18B20等進行初始化操作，CC2530的IO口配置我們需要配置PxSEL、PxDIR、PxINP三個寄存器，有一些復雜功能模塊初始化操作不僅要配置IO口，還要配置其它寄存器，例如串口0還需要配置PERCFG、U0CSR、U0GCR、U0BAUD和UT0XIF五個寄存器。編寫while進入無限循環，在循環中，掃描按鍵，采集溫度、壓力、振動數據并進行處理，作出是否需要發熱體工作，需要則驅動繼電器使發熱體工作，同時通過RF通訊傳輸暖箱的狀況。

暖箱遙控器的主程序則需要對OLED液晶屏、RF和按鍵進行初始化操作，對OLED液晶屏的初始化直接移植廠家提供的范例。編寫while進入無限循環，在循環中，掃描按鍵，執行相應的功能，并且通過RF通訊接收暖箱傳遞的數據，并進行顯示。

2.2 自動開關程序設計

暖箱實現自動開關，需要獲取壓力傳感器的數據，壓力傳感器輸出微弱的模擬信號，通過變送器放大，在通過自帶的ADC模塊轉換成數字，端口0引腳可以配置為ADC輸入端，依次為AIN0~AIN7，配置ADC操作步驟如下：（1）配置APCFG寄存器:當使用ADC時，端口0的引腳必須配置為ADC模擬輸入。要配置一個端口0引腳為一個ADC輸入，APCFG寄存器中相應的位必須設置為1。這個寄存器的默認值是0，選擇端口0為非模擬輸入，即作為數字I/O端口。（2）配置ADCCON3寄存器:單通道的ADC轉換，只需將控制字寫入ADCCON3寄存器即可。（3）ADC初始化:主要對端口的功能進行選擇，設置其傳輸方向，并將端口設置為模擬輸入。（4）ADC數據采集:首先將ADCIF標志位清0，接著對ADCCON3寄存器設置，該寄存器一旦被寫入，轉換立即開啟；然后等待ADCIF置1，這時候轉換完成，讀取數據即可。

配置完后就可以通過主函數讀取壓力的數據，通過壓力來判斷是否有人，若有人，則讀取溫度傳感器采集到的溫度，根據系統的溫度范圍，判斷是否進行智能恒溫調節，如果一段時間（10分鐘）內沒有人，則停止一系列操作，保障暖箱的使用安全，時間通過定時器累計。

2.3 智能恒溫程序設計

初始化DS18B20傳感器后，主程序一直讀取溫度數據，如果溫度低于設定的下限值，則CC2530的IO口輸出低電平，控制驅動電路驅動繼電器，實現發熱體的通電，進行加熱升溫，如果溫度高于設定的上限值，則CC2530的IO口輸出高電平，控制驅動電路驅動繼電器，實現發熱體的斷電，不進行加熱。例如用戶設定的溫度最小值為28℃，溫度最大值為40℃，幅度為2℃，暖箱開始溫度為20℃，則暖箱控制發熱體工作，升到42℃（溫度最大值+幅度）后，發熱體不工作，暖箱溫度降到26℃（溫度最小值-幅度），發熱體繼續工作，一直循環[2]。

2.4 模式切換程序設計

振動傳感器輸出數字信號，檢測到壓力的同時且一段時間（10分鐘）沒有到振動，則可認為用戶睡著，自動切換到人體最適溫度范圍。

2.5 通訊程序設計

使用CC2530自身的RF通訊，和遙控器進行組網，不需要外接任何無線模塊，也不需類似紅外，點對點進行通訊，非常的方便，也是系統采用該CPU最主要的原因之一，RF通訊的初始化需要設置TXPOWER、CCACTRL0、FRMFILT0、FSCAL1、TXFILTCFG、AGCCTRL1、AGCCTRL2、FREQCTRL、RFIRQM0、IEN2、RFST 十 一個寄存器，部分寄存器的值推薦通過SmartRF軟件生成[3]。

3 結語

本文基于CC2530單片機，對自動感知遙控暖箱系統進行了設計，通過相應的軟件程序，實現了硬件模塊的有機聯系，可以在遙控器的屏幕上對暖箱溫度、模式等進行顯示，通過暖箱上自帶的按鍵或遙控器調節溫度范圍、模式，通過振動傳感器判斷人是否入睡，并且采用低電壓，更安全、節能、環保。經調研和問卷調查，暖箱的智能性、安全性和環保性得到了充分肯定，用戶也提出了一些富有建設性的意見，如提升發熱體的發熱效率、加熱時間等，可以更進一步的提升暖箱的智能化程度。

[1]張同翰,王正彥,袁雙,等.基于CC2530的ZigBee的智能家居設計[J].工業控制計算機,2015,28(4):75-76.

[2]王江紅,朱麗君,孫學用.基于DS18B20恒溫監控系統的設計與實現[J].湖北農業科學,2013,52(8):1947-1949.

[3]張毅,徐菲菲,雷景生,等.基于CC2530和ZigBee技術智能家居系統的設計與研究[J].上海電力學院學報,2017,33(2):191-195.