基于單片機(jī)的智能溫變暖手寶的設(shè)計(jì)

張卓鈞 戴圣偉 曾維陽 鄔振華 侯賦軍

摘? 要： 本文針對(duì)暖手寶發(fā)熱溫度難以調(diào)節(jié)和能源浪費(fèi)等問題，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)控制器與手機(jī)APP聯(lián)合監(jiān)控的智能調(diào)溫暖手寶。既能對(duì)暖手寶的發(fā)熱溫度進(jìn)行控制、減少能量消耗，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控暖手寶的溫度與剩余電量。文中對(duì)溫控硬件電路進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)中采用新型負(fù)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(shí)現(xiàn)了溫度的精準(zhǔn)控制，實(shí)物運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī);智能溫變;實(shí)時(shí)監(jiān)控;閉環(huán)控制

中圖分類號(hào)： TP23? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jī)的智能溫變暖手寶的設(shè)計(jì)[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(duì)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(jià)格低廉，但是存在安全隱患;電熱元件式暖手寶價(jià)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(xiǎn)大，并且加熱后溫度高，對(duì)人體存在安全隱患，也浪費(fèi)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(diǎn)。

為了解決以上問題，擬設(shè)計(jì)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(jìn)行溫度控制，并且能實(shí)時(shí)顯示溫度，還具有自動(dòng)恒溫等功能[2]。設(shè)備主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）利用單片機(jī)主控模塊與DS18B20的溫度數(shù)據(jù)采集對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行智能處理;（2）通過手機(jī)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(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和手機(jī)APP數(shù)據(jù)交互。

1? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

單片機(jī)相較于PLC等控制系統(tǒng)，具有能耗低、性能高，最高運(yùn)作頻率為35 MHz，6T/12T可選等特點(diǎn)[3]。因此本項(xiàng)目擬開發(fā)一個(gè)以單片機(jī)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(lán)牙通訊技術(shù)連接APP以對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控調(diào)節(jié)。研究?jī)?nèi)容具體包括藍(lán)牙模塊、加熱模塊、溫度檢測(cè)模塊、APP模塊和控制模塊。電源電路為整個(gè)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(jī)，藍(lán)牙模塊HC05負(fù)責(zé)手機(jī)端和點(diǎn)單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)通過藍(lán)牙模塊傳輸實(shí)時(shí)溫度給手機(jī)端，手機(jī)端通過藍(lán)牙模塊傳輸用戶想設(shè)定的溫度給單片機(jī)[4]。原理如圖1所示。

1.2? 加熱模塊設(shè)計(jì)

電源接通后，溫度傳感器對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行檢測(cè)，并與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)[5]。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，用戶可根據(jù)個(gè)人喜好通過APP客戶端發(fā)送調(diào)溫信號(hào)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，使加熱片加熱。直到加熱片達(dá)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(cè)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(hào)，并交給單片機(jī)處理，抗干擾能力強(qiáng)[6]。其測(cè)試溫度范圍-55℃-125℃，具有體積小，硬件開銷低，精度高的特點(diǎn)。其接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合。利用DS18B20作為檢測(cè)模塊的核心元件，其將采集溫度信號(hào)并交給加熱模塊進(jìn)行信號(hào)處理，反饋給APP模塊[7]。

1.4? 藍(lán)牙模塊

伴隨著藍(lán)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(jì)在藍(lán)牙模塊上主要采用TI公司的CC2540芯片對(duì)藍(lán)牙控制和射頻收發(fā)，使用HC-05藍(lán)牙串口通信。其控制原理圖如圖4所示。

由溫度檢測(cè)模塊將檢測(cè)信號(hào)通過藍(lán)牙傳輸給APP，并在APP上顯示當(dāng)前檢測(cè)溫度[9]。用戶通過在APP上進(jìn)行溫度的設(shè)定，通過藍(lán)牙使得加熱片進(jìn)行加熱調(diào)溫，直到達(dá)到設(shè)定溫度。

1.5? APP模塊

在研究藍(lán)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(jī)是實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的核心控制器，其中溫度傳感器、加熱模塊均通過藍(lán)牙與手機(jī)APP端相連接，實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)控和線上調(diào)節(jié)功能[10]?？刂颇K如圖6所示。

2? 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容大致分為兩部分。第一部分為：初始化單片機(jī)，串口初始化，初始化數(shù)字型溫度傳感器DS18B20并讀取當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，處理當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)從串口傳輸給藍(lán)牙并通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)上;第二部分為：在第一部分的基礎(chǔ)上，手機(jī)向藍(lán)牙發(fā)送用戶想要設(shè)置的溫度數(shù)據(jù)，藍(lán)牙串口向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，單片機(jī)處理從藍(lán)牙接收的數(shù)據(jù)并和第一部分DS18B20測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。若設(shè)定溫度大于當(dāng)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(dāng)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(cè)實(shí)時(shí)溫度。

主程序工作流程如圖7所示。

3? 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)通過單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、APP終端實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，主要解決實(shí)時(shí)監(jiān)控問題[11]。硬件部分組裝完成后，再對(duì)數(shù)據(jù)處理和機(jī)械控制進(jìn)行調(diào)試。軟件部分則通過藍(lán)牙模塊，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給手機(jī)APP，并且在手機(jī)APP上顯示暖手寶的當(dāng)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)模擬檢測(cè)。將實(shí)時(shí)采集到的溫度信號(hào)以及剩余電量信號(hào)等參數(shù)通過藍(lán)牙傳輸給手機(jī)APP，用戶也能通過藍(lán)牙在APP中選擇適宜的溫度進(jìn)行設(shè)定。

4? 測(cè)試與結(jié)果

平臺(tái)搭建好后，我們對(duì)其進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。用溫度計(jì)對(duì)實(shí)際的發(fā)熱片溫度進(jìn)行測(cè)量，用測(cè)得的溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行比較，詳見表1所示。

從軟件的設(shè)定來看分析我們的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)設(shè)定溫度數(shù)據(jù)大于實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，發(fā)熱片通電，當(dāng)設(shè)定溫度數(shù)據(jù)小于實(shí)時(shí)溫度時(shí)，發(fā)熱片斷電。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明了設(shè)計(jì)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(jī)為核心控制模塊的智能溫變暖手寶的設(shè)計(jì)。一定程度上對(duì)當(dāng)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(jī)器與用戶之間的交互體驗(yàn)。綜合來說，近年來消費(fèi)電子行業(yè)快速發(fā)展，人們對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品的需求不斷擴(kuò)大，消費(fèi)電子智能化趨勢(shì)對(duì)消費(fèi)者的生活方式產(chǎn)生一定影響。從最后的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果可以知該暖手寶設(shè)計(jì)總體上基本上達(dá)到了預(yù)期要求。目前國內(nèi)外的暖手寶主要針對(duì)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(dòng)了暖手寶的軟件方面的研發(fā)，為暖手寶市場(chǎng)提供了一種較為可行的方案。

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