聲控式多功能風(fēng)暖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈周鋒

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，福建 漳州 363000)

隨著智能家用電器廣泛應(yīng)用到人們的生活中，各種傳統(tǒng)電器紛紛被加入智能控制技術(shù)。家電的不斷升級(jí)使得家電購(gòu)買需求旺盛，家電行業(yè)成為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)之一。洗手間作為各家各戶必備場(chǎng)所，正在引入越來越多的家電。熱水器、浴霸等電器陸續(xù)成為洗手間必備品。

老式的取暖設(shè)備采用燈暖浴霸，利用高功率燈泡的熱輻射來提高溫度。其缺點(diǎn)在于：一是燈泡輻射區(qū)域較小，導(dǎo)致溫度不均勻；二是功能單一，只能用于冬季取暖；三是亮度過高，損傷兒童視力。由于燈暖的缺點(diǎn)眾多，逐漸被風(fēng)暖所取代。提出了一種具有語(yǔ)音識(shí)別功能的風(fēng)暖，使其具有風(fēng)暖、換氣、送風(fēng)、照明等功能，引入多項(xiàng)閉環(huán)控制技術(shù)，保證整機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 基本原理

風(fēng)暖的原理類似于空調(diào)和暖風(fēng)機(jī)，利用加熱片加熱空氣，利用電機(jī)帶動(dòng)葉片制造室內(nèi)空氣流動(dòng)。冷風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道，加熱成暖風(fēng)從出風(fēng)口送出，使整個(gè)衛(wèi)生間溫度升高。取暖效果比較均勻。合理控制加熱片的加熱功率，可以改變出風(fēng)的溫度，達(dá)到吹熱風(fēng)和冷風(fēng)的效果。利用擋板改變風(fēng)道形狀，又可以達(dá)到換氣和送風(fēng)的效果。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。整機(jī)具有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口和兩個(gè)出風(fēng)口，擋板在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，停留在A位置或B位置，切換不同的出風(fēng)口。風(fēng)暖模式下，步進(jìn)電機(jī)控制擋板停留在A位置。風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道。到達(dá)擋板時(shí)，大部分空氣轉(zhuǎn)彎流經(jīng)加熱片，從出風(fēng)口2流出，在加熱片加熱下，吹出暖風(fēng)。一小部分空氣從擋板和風(fēng)道的間隙，從出風(fēng)口1流出。出風(fēng)口1連接洗手間排氣管，小部分空氣從排氣管排出，使得洗手間呈負(fù)壓狀態(tài)，避免空氣通過洗手間門進(jìn)入其他房間造成污染。此模式下關(guān)閉加熱片，冷風(fēng)經(jīng)過出風(fēng)口2吹在用戶身上，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇功能。換氣模式下，加熱功能關(guān)閉，擋板停留在B位置，空氣在風(fēng)輪帶動(dòng)下沿著路徑1，從排氣管排出，達(dá)到換氣的效果。照明模式下，線路板打開照明燈開關(guān)即可使燈發(fā)亮。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

電路原理框圖如圖2所示。電源電路將AC市電轉(zhuǎn)化為12 V和3.3 V直流電源，為單片機(jī)和各個(gè)驅(qū)動(dòng)電路供電。整機(jī)以單片機(jī)作為控制核心。LD3320電路單元通過SPI接口與單片機(jī)通信，從麥克風(fēng)采集音頻信號(hào)，語(yǔ)音識(shí)別出用戶口令，傳送給單片機(jī)。單片機(jī)將數(shù)字的音頻碼流下發(fā)到LD3320芯片，通過喇叭播放出來，作為應(yīng)答。風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)電路在單片機(jī)控制下負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)空氣流動(dòng)。出風(fēng)口擋板采用圓弧面設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)安裝于圓形位置。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擋板繞著步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。擋板兩端分別裝有不同極性的磁鐵，出風(fēng)口1右側(cè)裝有霍爾傳感器，擋板在A位置和B位置，傳感器輸出不同的電壓值。單片機(jī)通過AD轉(zhuǎn)換電壓值，檢測(cè)擋板位置。步進(jìn)電機(jī)和霍爾傳感器形成對(duì)擋板的閉環(huán)控制，控制擋板精確地在A/B位置間切換。溫度探頭安裝于出風(fēng)口2位置，檢測(cè)出風(fēng)溫度。單片機(jī)根據(jù)出風(fēng)溫度，適當(dāng)增大或者減小加熱片功率即可實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。照明燈驅(qū)動(dòng)電路采用繼電器控制電流環(huán)路的通斷。

圖2 電路原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)和照明燈驅(qū)動(dòng)電路

風(fēng)輪電機(jī)和照明燈均采用220 V供電，受單片機(jī)控制，具有開啟和關(guān)閉兩種工作狀態(tài)。直接用3.3 V供電的單片機(jī)控制交流器件，工作狀態(tài)切換瞬間，容易產(chǎn)生浪涌干擾。該干擾從驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)入單片機(jī)IO口，容易引起單片機(jī)程序跑飛、復(fù)位等風(fēng)險(xiǎn)。因此采用光電耦合芯片EL817[1]，將弱電和強(qiáng)電隔離開，如圖3所示。當(dāng)PA2節(jié)點(diǎn)為高電平時(shí)，U1導(dǎo)通，Q1的基極電壓被拉低，三極管截止，繼電器K1斷開；反之，當(dāng)PA2為低電平時(shí)，U1截止，Q1進(jìn)入飽和態(tài)，繼電器K1線圈通電觸點(diǎn)吸合，負(fù)載RL通入交流市電。照明燈和風(fēng)輪電機(jī)采用圖3電路控制通斷。

圖3 弱電驅(qū)動(dòng)強(qiáng)電電路

2.2 風(fēng)暖溫度閉環(huán)控制電路

空氣在風(fēng)道中流動(dòng)，經(jīng)過加熱片時(shí)，空氣的溫度會(huì)升高。加熱片的設(shè)計(jì)需要注意幾個(gè)方面：一是保證熱量充分散發(fā)到空氣中；二是必須保證空氣流動(dòng)順暢，風(fēng)阻不得過大；三是溫度上升時(shí)，電阻值盡量不要發(fā)生變化，使加熱功率一定程度上保持穩(wěn)定。鎳鉻合金金屬片具有較小的溫度系數(shù)，且價(jià)格便宜，非常適合用于制造加熱片。[2]如圖1所示，將寬度一定的長(zhǎng)條形金屬片彎曲為類似百葉窗形狀，可以保證金屬片與空氣充分接觸，且風(fēng)阻較小。由于不借助助焊劑的情況下，焊錫無法附著于鎳鉻合金表面，采用鉚釘將銅制絕緣線固定在金屬片兩端，作為加熱片的兩極。電路連接如圖4所示。采用熱敏電阻R9與普通電阻R10串聯(lián)，探測(cè)出風(fēng)溫度。當(dāng)溫度變化時(shí)，熱敏電阻阻值發(fā)生變化，Ad1節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生變化，送入單片機(jī)中做AD轉(zhuǎn)換，即可檢測(cè)出風(fēng)溫度。C2和C3電容采用納法級(jí)別，用于進(jìn)一步提升Ad1電壓的穩(wěn)定性，提高溫度探測(cè)精度。

圖4 加熱片驅(qū)動(dòng)和溫度檢測(cè)電路

根據(jù)出風(fēng)溫度，溫度過高時(shí)降低加熱功率甚至關(guān)閉，溫度過低時(shí)加大加熱功率，形成閉環(huán)控制環(huán)路，將出風(fēng)溫度控制在定值。單片機(jī)采用PWM方式，快速切換開啟和關(guān)閉狀態(tài)，改變占空比即可實(shí)現(xiàn)不同的加熱功率[3-4]。相比固定功率加熱方式，變功率加熱可減小溫度波動(dòng)，減少用戶“忽冷忽熱”的不舒適感。若采用繼電器，動(dòng)片快速地吸合彈開，產(chǎn)生金屬噪音會(huì)影響用戶的體驗(yàn)，而且繼電器的壽命大大縮短。雙向晶閘管Q2是一種無觸點(diǎn)開關(guān)控制器件，配合U2光耦3063，可以完美實(shí)現(xiàn)PWM功率控制。當(dāng)PA1為高電平時(shí)，U2導(dǎo)通，Q2的控制極在整個(gè)交流電周期內(nèi)都能和主電極保持一定的電位差，Q2導(dǎo)通，加熱片加熱。當(dāng)PA1為低電平時(shí)，U2截止，Q2在交流市電正半周期和負(fù)半周期交界處進(jìn)入截止態(tài)，加熱片停止加熱。單片機(jī)在PA1節(jié)點(diǎn)加入一個(gè)遠(yuǎn)小于50 Hz的PWM信號(hào)，改變占空比即可調(diào)整加熱功率。R7和C1并聯(lián)在Q2兩端，起到保護(hù)晶閘管的作用。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和位置檢測(cè)電路

步進(jìn)電機(jī)采用MSBPC20A04電機(jī)，帶有4組線圈和一個(gè)公共端。公共端接12 V電源，其他端子采用ULN2003A芯片驅(qū)動(dòng)。[5]由于步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)各個(gè)繞組電流較大，直接用單片機(jī)引腳驅(qū)動(dòng)容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)。各繞組斷電瞬間會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，直接施加于單片機(jī)會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。ULN2003A是一種成熟的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，OUT引腳驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到500 mA，完全能夠勝任小型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求。由圖5可知，繞組斷電瞬間， OUT引腳內(nèi)部的鉗位二極管導(dǎo)通，將電流導(dǎo)入+12 V，可以消除反向電動(dòng)勢(shì)的影響。合理控制PB3至PB6 PWM信號(hào)的時(shí)序，使電機(jī)工作在四相八拍狀態(tài)，電機(jī)可以工作在停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)狀態(tài)。[6-7]

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和擋板位置檢測(cè)電路

采用SS49E霍爾傳感器檢測(cè)擋板位置。該傳感器用3.3 V供電且附近無磁鐵時(shí)，輸出電壓約1.6 V。當(dāng)磁鐵S極正對(duì)著傳感器絲印面時(shí)，PosAd節(jié)點(diǎn)電壓隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而線性升高；反之，當(dāng)磁鐵N極正對(duì)傳感器絲印面時(shí)，PosAd節(jié)點(diǎn)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加線性降低。擋板傳感器和磁鐵安裝位置如圖6所示。SS49E安裝于出風(fēng)口1位置，擋板左邊一端的磁鐵S極向上，右邊一端磁鐵的N極向上。擋板處于A位置時(shí)，N極離傳感器最近，PosAd電壓達(dá)到最低值；擋板處于B位置時(shí)，S極離傳感器最近，PosAd電壓達(dá)到最高值。

圖6 擋板傳感器安裝示意圖

2.4 LD3320語(yǔ)音識(shí)別電路

語(yǔ)音識(shí)別單元采用LD3320芯片，該芯片基于ASR(Auto Speech Recognition自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別)技術(shù)，從麥克風(fēng)采集到的聲音進(jìn)行頻譜分析，提取語(yǔ)音特征，然后和關(guān)鍵詞列表中的關(guān)鍵詞進(jìn)行匹配，找出相似度最高的關(guān)鍵詞，從數(shù)字端口輸出關(guān)鍵詞序號(hào)。單片機(jī)通過數(shù)字端口輸出音頻數(shù)字碼流，存入LD3320內(nèi)置的FIFO中，通過外置喇叭播放出來。[8-10]由于多功能風(fēng)暖播放語(yǔ)音應(yīng)答信號(hào)較為簡(jiǎn)短，將通信接口配置為SPI串行模式，最高支持1.5 MHz的波特率，能夠勝任通信需求的同時(shí)節(jié)約單片機(jī)IO口資源。詳細(xì)電路圖如圖7所示。X1采用22.1 MHz的晶振，為L(zhǎng)D3320芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。將復(fù)位引腳PIN48上拉，使其正常工作。PIN46 MD引腳上拉，PIN42 SPIS下拉，LD3320通信端口進(jìn)入SPI模式，SDCK/SDO/SDI三個(gè)引腳與單片機(jī)SPI單元連接作為數(shù)據(jù)通信接口。空閑情況下INTB引腳為高電平，當(dāng)識(shí)別到關(guān)鍵詞時(shí)變?yōu)榈碗娖剑c單片機(jī)連接，用于通知單片機(jī)接收語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果。芯片提供多個(gè)數(shù)字電源、模擬電源引腳，布線時(shí)兩種電源各自連接去耦電容和濾波電感，與總電源呈星型連接，最大程度地消除數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾。C4～C7，R13，R14，MK1組成麥克風(fēng)單元，MBS引腳為麥克風(fēng)提供偏置電壓，音頻信號(hào)從MICP和MICN輸入LD3320。C8、C9、R15、R16組成喇叭音量外部控制電路。C10、C11連接VREF引腳，穩(wěn)定芯片內(nèi)部聲音信號(hào)參考電壓。喇叭LS1直接與SPOP和SPON連接，用于播放語(yǔ)音應(yīng)答信號(hào)。

圖7 LD3320語(yǔ)音識(shí)別電路

3 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖8所示。單片機(jī)上電時(shí)，首先進(jìn)行內(nèi)部單元初始化，主要配置SPI接口、AD轉(zhuǎn)換單元以及外圍硬件的控制引腳。然后單片機(jī)初始化LD3320芯片，并將一級(jí)口令和二級(jí)口令按順序傳入LD3320芯片內(nèi)部，開啟語(yǔ)音識(shí)別功能，單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)。當(dāng)檢測(cè)到一級(jí)口令“風(fēng)暖”時(shí)，單片機(jī)將“你好”的數(shù)字音頻碼流傳入LD3320芯片，并通過喇叭播放出來，同時(shí)使能二級(jí)口令應(yīng)答標(biāo)志位。當(dāng)檢測(cè)到二級(jí)口令時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。比如接收到“打開風(fēng)暖”的二級(jí)口令，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)將擋板轉(zhuǎn)動(dòng)到B位置，然后打開風(fēng)輪電機(jī)和加熱功能。單片機(jī)將二級(jí)口令的應(yīng)答信號(hào)傳入LD3320，提示用戶“風(fēng)暖已打開”，同時(shí)清除二級(jí)口令應(yīng)答使能標(biāo)志位。15分鐘計(jì)時(shí)時(shí)間到或者接收到“關(guān)閉風(fēng)暖”的二級(jí)口令時(shí)，關(guān)閉加熱和風(fēng)輪，擋板復(fù)位，喇叭播放“風(fēng)暖已關(guān)閉”應(yīng)答。二級(jí)口令應(yīng)答使能標(biāo)志著用戶是否發(fā)出一級(jí)口令。用戶直接使用二級(jí)口令時(shí)，單片機(jī)不作任何響應(yīng)，避免了用戶的正常交談被風(fēng)暖誤判斷為口令。

圖8 軟件流程圖

4 整機(jī)測(cè)試

在距離麥克風(fēng)2 m的位置，進(jìn)行語(yǔ)音口令測(cè)試，識(shí)別成功率達(dá)到100%。換氣模式下，擋板能夠順利進(jìn)入B位置。風(fēng)暖模式下，擋板能順利進(jìn)入A位置，并在出風(fēng)口1留有一定空隙，使衛(wèi)生間呈負(fù)壓狀態(tài)。在出風(fēng)口位置加裝溫度計(jì)和風(fēng)速計(jì)，對(duì)風(fēng)暖出風(fēng)溫度和出風(fēng)口2的風(fēng)速進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)2小時(shí)的連續(xù)測(cè)試。采用具有風(fēng)速和溫度測(cè)量功能的儀表對(duì)出風(fēng)速度和溫度進(jìn)行測(cè)試。每隔5分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)曲線如圖9和圖10所示。橫軸表示時(shí)間，圖9縱軸表示出風(fēng)溫度，單位℃，圖10縱軸表示風(fēng)速，單位m/s。出風(fēng)溫度在閉環(huán)控制下，基本在39 ℃波動(dòng)，波動(dòng)范圍±0.3 ℃。風(fēng)速在1.5 m/s附近波動(dòng)，最大值1.7 m/s，最小值1.3 m/s。

圖9 出風(fēng)溫度曲線 圖10 出風(fēng)風(fēng)速曲線

5 結(jié)語(yǔ)

利用單片機(jī)和LD3320芯片，設(shè)計(jì)了一種語(yǔ)音聲控的多功能風(fēng)暖設(shè)備。采用一級(jí)口令和二級(jí)口令結(jié)合的方式，聲控設(shè)備可以執(zhí)行各項(xiàng)功能。采用兩個(gè)閉環(huán)控制，較為精確地控制擋板位置和溫度。驗(yàn)證試驗(yàn)表明：整機(jī)能夠正確接收用戶的語(yǔ)音指令，執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)，出風(fēng)溫度和風(fēng)速穩(wěn)定，能夠滿足人們使用需求，具有一定的市場(chǎng)前景。