智能空調(diào)床墊控制器的研究與實(shí)現(xiàn)

喬有田，劉俊峰，陳 巖，萬(wàn)欣萍

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225200）

本文介紹的智能空調(diào)床墊是電阻絲加熱和壓縮機(jī)制冷2 項(xiàng)技術(shù)的融合，利用熱交換產(chǎn)生熱水（或冷水），然后通過水泵把水循環(huán)流經(jīng)毛毯上進(jìn)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(shí)不會(huì)那么干燥、使用單片機(jī)控制和高度智能化等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

智能空調(diào)床墊控制器（下面簡(jiǎn)稱控制器）用于控制空調(diào)床墊的整體運(yùn)行，主要由單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動(dòng)電路、藍(lán)牙通信模塊和電源模塊等構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 控制器的結(jié)構(gòu)框圖

智能空調(diào)床墊的工作過程如下。移動(dòng)終端設(shè)備（手機(jī)或平板）通過運(yùn)行本系統(tǒng)的APP 程序，利用藍(lán)牙和單片機(jī)進(jìn)行通信，控制單片機(jī)的動(dòng)作和設(shè)定系統(tǒng)的參數(shù)。單片機(jī)讀取DS18B20 溫度傳感器測(cè)量的溫度后，控制電阻絲加熱裝置、壓縮機(jī)、水泵等外圍設(shè)備，使床墊的溫度保持在設(shè)定的溫度上。另外為了系統(tǒng)的安全，本智能空調(diào)床墊還設(shè)計(jì)了電流檢測(cè)、過載檢測(cè)等安全保護(hù)機(jī)構(gòu)，使空調(diào)床墊的安全性能較傳統(tǒng)的電熱毯大大增加。

1.1 AVR 單片機(jī)

單片機(jī)采用的是ATMEL 公司的ATmega16。ATmega16 是基于增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS 單片機(jī)，ATmega16 支持片內(nèi)調(diào)試與編程，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線，3 個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T/C），8 路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC，一個(gè)可編程串行USART。

1.2 溫度檢測(cè)DS18B20

溫度檢測(cè)采用DS18B20，DS18B20 是一款常用的高精度的單總線數(shù)字溫度測(cè)量芯片。具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)和精度高的特點(diǎn)。其測(cè)溫范圍是-55 ℃～+125 ℃，測(cè)量誤差為±0.4 ℃，完全滿足測(cè)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(jī)的I/O 口（PB2），10K 上拉電阻是必須的，這個(gè)電阻可以根據(jù)傳輸距離的遠(yuǎn)近適當(dāng)?shù)販p小，10 μF 的濾波電容穩(wěn)定電源的電壓，保證DS18B20 內(nèi)部采樣的可靠性。

圖2 DS18B20 的電路圖

1.3 驅(qū)動(dòng)模塊

控制器驅(qū)動(dòng)的負(fù)載有水泵（12 V 直流）、壓縮機(jī)（220 V 交流）、電阻絲（220 V 交流）等。這些負(fù)載單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)，需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊，為了設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化，設(shè)計(jì)了一種類型的驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路可以直接驅(qū)動(dòng)小功率直流負(fù)載（如水泵、風(fēng)扇）的運(yùn)行，對(duì)于壓縮機(jī)和電阻絲這種220 V 交流負(fù)載是通過固態(tài)繼電器進(jìn)行控制，固態(tài)繼電器由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。

圖3 MOSFET 驅(qū)動(dòng)模塊

從圖3 可知，驅(qū)動(dòng)電路采取的MOSFET，當(dāng)AVR單片機(jī)的I/O 口輸出低電平時(shí)，MOSFET 截止，回路處于斷路的狀態(tài)，當(dāng)AVR 單片機(jī)的I/O 口輸出高電平時(shí)，MOSFET 飽和導(dǎo)通，MOSFET 的D 極電位近似為GND，負(fù)載得電導(dǎo)通，圖3 中的發(fā)光二極管D10 用于指示，二極管D9 起續(xù)流作用。

1.4 電流檢測(cè)模塊

電流檢測(cè)模塊用于檢測(cè)外圍設(shè)備水泵、固態(tài)繼電器、壓縮機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)水泵、固態(tài)繼電器、壓縮機(jī)的工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其電流一定會(huì)反映出來。電流檢測(cè)分為直流電流檢測(cè)和交流電流的檢測(cè)，其檢測(cè)電路原理圖分別為圖4 和圖5 所示。

圖4 直流負(fù)載的電流檢測(cè)電路

圖5 交流負(fù)載的電流檢測(cè)電路

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

圖5 的交流負(fù)載的電流經(jīng)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(jīng)R8 和C1構(gòu)成的低通濾波器濾波后送A/D 采樣器進(jìn)行采樣，R8和C1 構(gòu)成低通濾波電流，濾除電路的高頻雜波。

1.5 藍(lán)牙通信模塊HC-05

藍(lán)牙技術(shù)就是一種全球無線通信標(biāo)準(zhǔn)，在一定距離內(nèi)連接設(shè)備。目前，藍(lán)牙技術(shù)也已應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，并已成為接入物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的主要技術(shù)。本控制器使用藍(lán)牙模塊HC-05 與移動(dòng)終端設(shè)備（手機(jī)或平板）進(jìn)行無線通信。

HC-05 藍(lán)牙串口通信模塊，是基于Bluetooth Specification V2.0 帶EDR 藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。無線工作頻段為2.4 GHz ISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)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(shù)據(jù)透?jìng)鳎ㄐ啪嚯x可達(dá)10 m，其供電電壓為3.6～6 V。

本控制器選用的藍(lán)牙模塊HC-05，其對(duì)外的引腳及功能如圖6 所示，在應(yīng)用時(shí)HC-05 的TXD 和RXD管腳分別接單片機(jī)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(fù)極。

圖6 HC-05 模塊的引腳功能圖

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)包含移動(dòng)終端設(shè)備（上位機(jī)）APP 軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

2.1 移動(dòng)終端APP 軟件的設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端APP 軟件的軟件設(shè)計(jì)用Android Studio集成開發(fā)工具。Android Studio 是谷歌推出的一個(gè)Android 集成開發(fā)工具，基于IntelliJ IDEA 類似Eclipse ADT，Android Studio 提供了集成的Android 開發(fā)工具用于開發(fā)和調(diào)試。

2.1.1 藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP 通信原理

帶有藍(lán)牙模塊的單片機(jī)與手機(jī)APP 的通信示意圖如圖7 所示，其通信過程如下。藍(lán)牙模塊作為從機(jī)（藍(lán)牙模塊出廠默認(rèn)為從機(jī)模式），安卓手機(jī)的藍(lán)牙作為主機(jī)；手機(jī)在藍(lán)牙界面上主動(dòng)去搜索藍(lán)牙設(shè)備，當(dāng)搜索到設(shè)備“HC-05”時(shí)，點(diǎn)擊該設(shè)備名稱，此時(shí)會(huì)彈出輸入匹配密鑰，密鑰為“1234”；匹配成功后，就可以與藍(lán)牙模塊建立TCP/IP 連接（在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，可以跳過匹配的環(huán)節(jié)，直接連接藍(lán)牙，Android 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出匹配的對(duì)話框，輸入密鑰后就建立了一個(gè)TCP/IP 連接）。

圖7 單片機(jī)和手機(jī)的藍(lán)牙通信

Android 實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能的有關(guān)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(shí)現(xiàn)的功能有藍(lán)牙打開、藍(lán)牙搜索、設(shè)備藍(lán)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(shè)計(jì)采用了3 個(gè)線程，主線程負(fù)責(zé)APP 界面的維護(hù)，信息流的處理和分發(fā)；2 個(gè)子線程一個(gè)負(fù)責(zé)藍(lán)牙的綁定、連接、斷開等藍(lán)牙的基本動(dòng)作，另一個(gè)負(fù)責(zé)管理已連接的藍(lán)牙的數(shù)據(jù)收發(fā)；2 個(gè)子線程和主線程之間通過Handler 進(jìn)行消息的分發(fā)。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖8 所示。

圖8 APP 軟件流程圖

2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)用AVR 的集成開發(fā)工具WinAVR 2010 進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電后首先對(duì)I/O 口的工作模式、定時(shí)器、串口和AD 轉(zhuǎn)換器等進(jìn)行初始化后設(shè)置，然后循環(huán)等待接收并執(zhí)行移動(dòng)終端的通過藍(lán)牙傳輸?shù)闹噶睿?dāng)系統(tǒng)開機(jī)后，根據(jù)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行溫度控制，同時(shí)通過檢測(cè)各外設(shè)的工作電流的大小判斷設(shè)備的狀態(tài)（正常、開路、短路），并根據(jù)狀態(tài)及時(shí)地做出響應(yīng)。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程

3 系統(tǒng)的測(cè)試

本設(shè)計(jì)的控制器和實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境如圖10 所示。

圖10 控制器和實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境

系統(tǒng)測(cè)試包含這些方面：邏輯功能測(cè)試、定溫功能測(cè)試、藍(lán)牙通信有效距離測(cè)試。

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

表2 系統(tǒng)邏輯功能分析表

定溫功能測(cè)試過程為在不同的季節(jié)，測(cè)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(yīng)時(shí)間，測(cè)試結(jié)果表明，在夏季制冷模式時(shí)，運(yùn)用壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，其動(dòng)作時(shí)最大瞬態(tài)功率只有100 W 左右，穩(wěn)定響應(yīng)時(shí)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(shí)，運(yùn)用電阻絲加熱，其動(dòng)作時(shí)最大瞬態(tài)功率可達(dá)400 W 左右，穩(wěn)定響應(yīng)時(shí)間約需6 min，誤差小于0.3 ℃，一夜大約3 kWh。

藍(lán)牙通信有效距離測(cè)試主要測(cè)試在沒有遮擋物和有遮擋物的條件下，通信數(shù)據(jù)的有效性（通過改變溫度傳感器的溫度看手機(jī)端的數(shù)據(jù)有沒有更新，來判斷通信的有效性），測(cè)試結(jié)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(shí)，幾乎不會(huì)丟包，而一般家庭臥室的長(zhǎng)度基本小于6 m，因此，系統(tǒng)可以滿足家庭里遙控傳輸功能的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

綜合智能空調(diào)床墊系統(tǒng)的應(yīng)用前景，設(shè)計(jì)了控制器的軟硬件部分，系統(tǒng)以AVR 單片機(jī)為核心，主控模塊、溫度采集模塊、電流檢測(cè)模塊、藍(lán)牙通信模塊及電源模塊。用戶利用移動(dòng)終端設(shè)備控制主控模塊的執(zhí)行，并將數(shù)據(jù)傳到移動(dòng)終端設(shè)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在可靠性、精確性、處理功耗、響應(yīng)時(shí)間、智能化和手持化等方面均滿足設(shè)計(jì)的要求。