基于STM32的智能溫控器設計

齊婷婷 王圣濤

摘要：隨著我國社會的快速發展和科學技術水平的日益提升，人們進入智能時代。在這種潮流中，設計了一款超高性價比的智能溫控器：集觸摸輸入、顯示輸出、無線Wi-Fi于一體。利用溫控器對環境溫濕度實時監測，并受系統控制，調整輸出溫度和調整風機速度，控制中心通過485總線與溫控器實現連接。溫控器通過Wi-Fi連接至服務器，實現云端在線操控。

1 引言

中央空調系統廣泛地應用在現代化建筑中，其能源消耗巨大，約占40%-60%。目前，市面上廣泛應用的中央空調都是統一控制，不具備人工智能和監管能力，缺少自動關機、網絡互連、智能調節風速等功能。為了消除上述普遍存在的缺陷，提升用戶體驗的滿意度，采用STM32為主控芯片、借助于Wi-Fi技術設計一種中央末端溫控器，集16：9寬屏顯示、顯示區域觸摸交互、人體接近感應、智能風速調節、環境狀態指數檢測、云端在線操控、自動亮度調節等功能于一身。該控制系統即插即用，方便快捷，通過無線通信對房間展開自動化檢測和控制，溫度控制裝置根據使用者設置的溫度智能地調節開關、風速、模式。此產品不僅適用于中央空調節點控制器，還可應用于地暖控制器、新風控制器、空氣質量檢測器等場景。

2 智能云溫控器設計原理

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終端訪問服務器，實現對遠程中央空調溫度或者其他電器的控制的智能型產品。手機打開APP，通過Wi-Fi遠程監控房間的溫濕度，空調、地暖的工作狀態，并通過控制空調、地暖、換氣扇等家電實現遠程操作房間溫濕度。不論是在下班路上還是酒店住宿，都能提前預備好舒適的房間環境;當住戶離開房間卻忘記關閉家電時，可以通過APP自動關閉，節約用電。

智能云溫控器有溫度設置功能。設定一個理想的溫度，在夏季若房間溫度高于設定溫度3℃以上，此時空調打開高速檔風機閥門;若房間溫度高于設定溫度2-3℃，此時空調打開中速檔風機閥門;若房間溫度高于設定溫度1℃，此時空調打開低速檔風機閥門;當房間溫度小于或等于設定溫度時，此時打開自然通風模式。風機檔速的智能切換，不僅能夠提升房間的舒適度，也能夠節能省電。

2.2 智能云溫控器設計方案

云溫控器系統總體上分為人機交互和下位機控制兩個模塊。其中，下位機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據，操作電容按鍵進行配置，液晶顯示屏實時顯示參數。當設置溫度與檢測到的溫度有差異時，智能地打開空調開關并進行風速檔的切換。

溫控器云端在線操作的工作過程如下：進行控制的PC機、手機聯網后，打開專用的APP自動設置各個參數，將數據與命令上傳至服務器。溫控器通過Wi-Fi自動從云端下載溫濕度等數據與操作指令存儲起來，與實時采集到的房間溫濕度進行對比，操作相應繼電器工作，完成風機檔速的智能切換。無遠程操控時，更加便捷，直接在溫控器顯示屏設置界面中設置理想的溫度。

3 系統硬件設計與分析

整個硬件分為電源板和控制板。電源轉換板主要包括220V電壓轉換為5V、3.3V電路、繼電器電路。控制電路板是核心部分，主要包括測距傳感器電路、溫濕度傳感器電路、PM2.5傳感器電路、Wi-Fi遠程控制電路、液晶顯示屏電路等。整體系統原理框圖如圖3-1所示：

3.1 主控芯片簡介

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內核，最高工作頻率是72MHz，集成了256kB Flash存儲器、64kB SRAM存儲器的低功耗、高性價比的芯片。

3.2 電源轉換電路

通常家電兩端電壓是220V，利用AC-DC電源模塊將220V轉換成5V電壓，在前端輸入電路中加入慢熔斷保險管和壓敏電阻，來抑制浪涌電流和保護電路;使用安規電容和差模電感來抑制差模干擾;使用安規電容和共模電感來抑制共模干擾。經過AC-DC模塊的輸出電路中使用濾波電解電容、陶瓷電容和瞬態抑制二極管來抑制高頻噪聲，保護后級電路。

然后利用LM1117將5V轉換成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：單片機的I/O口接三極管的基極，當有信號輸入時繼電器兩端線圈使繼電器吸合，打開對應的風機開關，使用3個繼電器控制三檔風機的檔位。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，用來實時監測房間中溫度、濕度、距離、光照強度、空氣質量等參數。其中，溫濕度傳感器選取的是含已校準數字信號輸出的復合型傳感器DHT11，其專用的數字采集技術和溫濕度傳感技術保障了極高的可靠性與長期的穩定性;測距傳感器選用的是VL53L0X，它是新一代激光測距模塊，提供與傳統技術不同的目標反射率的精確距離測量;數字式通用顆粒物濃度傳感器選用的是PMS5003S，這是一款可以同時檢測空氣中顆粒物濃度和甲醛濃度的二合一傳感器。其中，顆粒物濃度的檢測基于激光散射原理，可連續采集并計算單位體積內空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個數，即顆粒物濃度分布，進而換算成質量濃度。甲醛濃度的檢測基于電化學原理，具有高精度、高穩定性的特點。顆粒物濃度數值與甲醛濃度數值合并以通用數字接口形式輸出。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，支持標準的IEEE802.11協議，完整的TCP/IP協議線。該模塊支持串口通信，可以為現有的設備添加聯網功能，也可以構建獨立的網絡控制器。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現顯示效果。TFT式顯示器具有高響應度、高亮度、高對比度等優點，其分辨率為480*272，進行65K真彩顯示。而電容觸摸屏技術是根據人體的電流感應進行工作的，可以達到99%的精確度，具備小于3ms的響應速度。

4 系統軟件流程

系統的軟件主要分為按鍵處理、界面顯示、各傳感器數據解析和Wi-Fi通信模塊的編寫。單片機和各傳感器之間通過I2C進行數據傳輸，單片機和Wi-Fi之間利用USART串口進行通訊。

4.1 主控芯片軟件設計

用戶通過觸摸按鍵或者Wi-Fi來實現參數設置和信息交互。當芯片上電初始化之后，首先從STM32F103RB內部的EEPROM讀取數據并進行顯示，當接收到按鍵請求、各個傳感器傳輸進來數據和Wi-Fi數據時，產生判斷語句，看和主芯片的EEPROM存儲的數據是否有更新，若是數據發生了變化，則控制電路做出相應應答并進行顯示。

軟件流程如圖4-1所示：

4.2 Wi-Fi通信模塊設計

無線控制模塊主要實現控制器與無線模塊的數據通信。設備上電后，對Wi-Fi協議棧實現初始化，檢測控制器與網絡是否實現信息交互。當控制器接入無線網絡時，就可以進行數據交換并解析數據，做出相應的控制。無線通信模塊設計流程如圖4-2所示：

5 結語

根據實際生活中中央空調的使用特性，結合無線通信模塊，設計了一款智能控制風速的液晶顯示溫控器，能夠廣泛地應用到酒店、商場、寫字樓、別墅、居民小區等場所。可以實現對溫度等的智能調節，營造更加舒適的室內環境。可以通過手動調節液晶顯示屏或者手機APP實現對室內溫度的智能控制。