基于單片機的智能溫變暖手寶的設(shè)計

張卓鈞 戴圣偉 曾維陽 鄔振華 侯賦軍

摘? 要： 本文針對暖手寶發(fā)熱溫度難以調(diào)節(jié)和能源浪費等問題，設(shè)計一款基于單片機控制器與手機APP聯(lián)合監(jiān)控的智能調(diào)溫暖手寶。既能對暖手寶的發(fā)熱溫度進行控制、減少能量消耗，還能實時監(jiān)控暖手寶的溫度與剩余電量。文中對溫控硬件電路進行創(chuàng)新設(shè)計，軟件設(shè)計中采用新型負反饋閉環(huán)控制算法，有效解決了暖手寶溫控中存在的不足，提升了效率，實現(xiàn)了溫度的精準控制，實物運行數(shù)據(jù)驗證了該方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞： 單片機;智能溫變;實時監(jiān)控;閉環(huán)控制

中圖分類號： TP23? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.005

本文著錄格式：張卓鈞，戴圣偉，曾維陽，等. 基于單片機的智能溫變暖手寶的設(shè)計[J]. 軟件，2020，41（10）：1921+30

【Abstract】： This article is based on the heating hand treasure heat temperature difficult to adjust and energy waste and other issues， design a single-chip controller and mobile phone APP joint monitoring of the intelligent warm hand treasure. It can control the heating temperature of the warm hand treasure， reduce the energy consumption， and monitor the temperature and residual power of the warm hand treasure in real time. In this paper， the temperature control hardware circuit is designed in innovation， and the new negative feedback closed-loop control algorithm is used in the software design to effectively solve the deficiency in the temperature control of the warm hand， improve the efficiency， realize the precise control of temperature， and verify the feasibility and validity of the scheme in the physical operation data.

【Key words】： Microcontroller; Intelligent temperature change; Real-time monitoring; Closed-loop control

0? 引言

暖手寶已經(jīng)是現(xiàn)代很常見的取暖設(shè)備，隨著國民生活水平的不斷提高，人們對暖手寶的需求也逐漸提升，但是現(xiàn)有市面上大部分暖手寶不僅存在著很大的安全隱患，能耗還很高[1]。暖手寶從種類上可分為兩種：電極式和電熱元件式。電極式暖手寶加熱效果好，價格低廉，但是存在安全隱患;電熱元件式暖手寶價格較貴，加熱效果沒有前一種好，但是安全。傳統(tǒng)的電暖手寶漏電風(fēng)險大，并且加熱后溫度高，對人體存在安全隱患，也浪費了能量。如何讓暖手寶更加智能，能夠調(diào)節(jié)發(fā)熱溫度等問題將是研究的重點。

為了解決以上問題，擬設(shè)計一款能用APP智能調(diào)節(jié)溫度的暖手寶。該暖手寶能根據(jù)用戶的需求，通過APP進行溫度控制，并且能實時顯示溫度，還具有自動恒溫等功能[2]。設(shè)備主要研究內(nèi)容如下：（1）利用單片機主控模塊與DS18B20的溫度數(shù)據(jù)采集對系統(tǒng)進行智能處理;（2）通過手機APP合理設(shè)定溫度閾值，提高暖手寶溫度控制性能;（3）通過藍牙模塊實現(xiàn)單片機和手機APP數(shù)據(jù)交互。

1? 控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

單片機相較于PLC等控制系統(tǒng)，具有能耗低、性能高，最高運作頻率為35 MHz，6T/12T可選等特點[3]。因此本項目擬開發(fā)一個以單片機為核心控制器，以DS18B20數(shù)字溫度傳感器、整流電路等為主要硬件的反饋電路，其通過藍牙通訊技術(shù)連接APP以對溫度進行監(jiān)控調(diào)節(jié)。研究內(nèi)容具體包括藍牙模塊、加熱模塊、溫度檢測模塊、APP模塊和控制模塊。電源電路為整個控制電路提供電源，數(shù)字型溫度傳感器DS18B20把采集的溫度信息傳輸給單片機，藍牙模塊HC05負責(zé)手機端和點單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸，單片機通過藍牙模塊傳輸實時溫度給手機端，手機端通過藍牙模塊傳輸用戶想設(shè)定的溫度給單片機[4]。原理如圖1所示。

1.2? 加熱模塊設(shè)計

電源接通后，溫度傳感器對當前溫度進行檢測，并與設(shè)定值進行比對[5]。當溫度傳感器檢測到溫度低于設(shè)定溫度時，用戶可根據(jù)個人喜好通過APP客戶端發(fā)送調(diào)溫信號進行溫度調(diào)節(jié)，使加熱片加熱。直到加熱片達到設(shè)定溫度后，停止加熱。加熱模塊流程如圖2所示。

1.3? 溫度檢測模塊

DS18B20是一種最常用單總線數(shù)字溫度傳感器，它能將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并交給單片機處理，抗干擾能力強[6]。其測試溫度范圍-55℃-125℃，具有體積小，硬件開銷低，精度高的特點。其接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合。利用DS18B20作為檢測模塊的核心元件，其將采集溫度信號并交給加熱模塊進行信號處理，反饋給APP模塊[7]。

1.4? 藍牙模塊

伴隨著藍牙4.0規(guī)范的出現(xiàn)，BLE技術(shù)得到了廣泛關(guān)注[8]。本設(shè)計在藍牙模塊上主要采用TI公司的CC2540芯片對藍牙控制和射頻收發(fā)，使用HC-05藍牙串口通信。其控制原理圖如圖4所示。

由溫度檢測模塊將檢測信號通過藍牙傳輸給APP，并在APP上顯示當前檢測溫度[9]。用戶通過在APP上進行溫度的設(shè)定，通過藍牙使得加熱片進行加熱調(diào)溫，直到達到設(shè)定溫度。

1.5? APP模塊

在研究藍牙4.0BLE協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，基于iOS操作系統(tǒng)開發(fā)了可以調(diào)節(jié)控制暖手寶溫度的APP。其控制原理如圖5所示。

1.6? 控制模塊

單片機是實現(xiàn)本項目的核心控制器，其中溫度傳感器、加熱模塊均通過藍牙與手機APP端相連接，實現(xiàn)溫度的監(jiān)控和線上調(diào)節(jié)功能[10]。控制模塊如圖6所示。

2? 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的主要內(nèi)容大致分為兩部分。第一部分為：初始化單片機，串口初始化，初始化數(shù)字型溫度傳感器DS18B20并讀取當前溫度數(shù)據(jù)，處理當前溫度數(shù)據(jù)從串口傳輸給藍牙并通過藍牙傳輸?shù)绞謾C上;第二部分為：在第一部分的基礎(chǔ)上，手機向藍牙發(fā)送用戶想要設(shè)置的溫度數(shù)據(jù)，藍牙串口向單片機申請中斷，單片機處理從藍牙接收的數(shù)據(jù)并和第一部分DS18B20測得的溫度數(shù)據(jù)進行比較。若設(shè)定溫度大于當前溫度，則使USB電源控制模塊轉(zhuǎn)為高電平狀態(tài);若設(shè)定溫度小于當前溫度，則使USB電源控制模塊保持為低電平狀態(tài)，并繼續(xù)檢測實時溫度。

主程序工作流程如圖7所示。

3? 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計通過單片機、藍牙模塊、APP終端實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，主要解決實時監(jiān)控問題[11]。硬件部分組裝完成后，再對數(shù)據(jù)處理和機械控制進行調(diào)試。軟件部分則通過藍牙模塊，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時傳輸給手機APP，并且在手機APP上顯示暖手寶的當前溫度和剩余電量。其監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)路線流程如圖8所示。

硬件和軟件均調(diào)試成功后，對整個系統(tǒng)模擬檢測。將實時采集到的溫度信號以及剩余電量信號等參數(shù)通過藍牙傳輸給手機APP，用戶也能通過藍牙在APP中選擇適宜的溫度進行設(shè)定。

4? 測試與結(jié)果

平臺搭建好后，我們對其進行多次重復(fù)實驗。用溫度計對實際的發(fā)熱片溫度進行測量，用測得的溫度和設(shè)定溫度進行比較，詳見表1所示。

從軟件的設(shè)定來看分析我們的實驗，當設(shè)定溫度數(shù)據(jù)大于實時溫度數(shù)據(jù)，發(fā)熱片通電，當設(shè)定溫度數(shù)據(jù)小于實時溫度時，發(fā)熱片斷電。實驗數(shù)據(jù)表明了設(shè)計的有效性。

5? 結(jié)語

本文從總體方案到硬件、軟件等幾方面介紹了一種以單片機為核心控制模塊的智能溫變暖手寶的設(shè)計。一定程度上對當前市面上暖手寶調(diào)溫功能精度低，顯溫功能缺失等的問題給出了一種較為有效的解決方案，并帶來了較為良好的機器與用戶之間的交互體驗。綜合來說，近年來消費電子行業(yè)快速發(fā)展，人們對于消費電子產(chǎn)品的需求不斷擴大，消費電子智能化趨勢對消費者的生活方式產(chǎn)生一定影響。從最后的各項測試結(jié)果可以知該暖手寶設(shè)計總體上基本上達到了預(yù)期要求。目前國內(nèi)外的暖手寶主要針對與硬件方面的研發(fā)，而在暖手寶的軟件方面的研發(fā)則較于缺乏，推動了暖手寶的軟件方面的研發(fā)，為暖手寶市場提供了一種較為可行的方案。

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