基于Cortex—M4的空调控制器设计与实现

徐咏

摘 要 根据国内对空调控制器性能的需求，设计了一款基于Cortex-M4的空调控制器。它以NUC472为主控核心，采用电参数监测传感器、可燃性气体传感器、离子式烟雾传感器、人体热释电红外线传感器、温度传感器和温湿度传感器实时采集空调工作电参数、所处环境的安防现状、人员流动性、温湿度和空调状态等信息，通过Wi-Fi实现控制器与PC机服务器之间的信息通信和整体控制。经过现场测试使用后，系统运行稳定、人机交互便捷、通信可靠及协调预测整体控制稳定，实现了空调舒适、节能控制，特别是在最经济的温度控制模式下，与未改造前对比系统节能30.6%，可用于民用和工业智能空调场合。

【关键词】空调控制器 Cortex-M4 多传感器 物联网

20世纪80年代空调进入我国，到如今的21世纪，空调已成为人们日常生活的常用家电产品。据最新发布的《2016上半年中国空调产品市场研究报告》显示，变频空调的消费者关注度为60.1%，成为最受关注的空调产品。随着科学技术的进步和社会生活水平的提高，人们对空调控制器的需求日益增加、对其性能要求也越来越高。目前，国内的空调控制器是由低端单片机搭建，其性价比较低、功耗大，而国外的空调产品性能较高、功耗低、功能较齐全，但价格也昂贵。结合国内外发展状况，空调控制器将向着性价比高、多功能、网络化、低功耗、智能化和操作简单的趋势发展。根据空调的发展趋势，改善传统空调仅能现场控制或预约定时控制的局限性，本设计采用多传感器和物联网技术，设计了一款多功能、智能化、网络化和整体控制的空调控制器。

1 系统结构

目前，国内的空调控制系统的基本结构包括系统控制部分、温度采集部分、键盘控制部分、显示板部分、压缩机部分、室内外风机装置部分和通信电路等。经过近年的发展，空调系统从传统的定频、定风量空调，发展到现在的变频、变风量空调。本设计主要实现多种传感器的信号采集和处理，结合传统的空调控制器的设计方法，根据采集的各种传感信息和用户的控制策略，由PC机服务器软件生成最优控制方案，进而监测和控制整个空调控制器系统，其系统框图如图1所示。

如图1，本空调控制器结构由Cortex-M4 NUC472、JSY-MK-163电参数监测传感器、TGS2611可燃性气体传感器、NIS-07离子式烟雾传感器、HC-SR501人体热释电红外线传感器、TMP275温度传感器、HTU21D温湿度传感器、触摸显示模块、Wi-Fi无线模块、隔离驱动电路、IPM智能功率控制模块和变频空调各部分控制功能模块等组成。其中，高精度温度传感器TMP275实時采集冷凝器的温度，HTU21D温湿度传感器采集所处环境温度和湿度，Wi-Fi模块负责空调控制器与PC机服务器之间的无线通信，触摸显示模块进行人机交互，隔离驱动电路主要负责控制空调的左右扫风控制、上下扫风控制和风速控制等执行机构，IPM智能功率控制模块主要实现空调压缩机的变频控制。

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片

Nuvoton新唐公司的NUC472系列是基于32位ARM Cortex-M4内核的高性能芯片，采用低成本、低功耗、高性能的含有浮点运算单元和DSP的ARM Cortex-M4内核，广泛应用于工业自动化、变频器、智能家居和安防系统等各个领域。因此，本系统选用LQFP100封装的NUC472VG8AE芯片作为系统主控芯片。

2.2 传感器模块

2.2.1 温度传感器

本设计的冷凝器温度检测部分采用TI（美国德州仪器）公司生产的高精度的温度传感器TMP275，其测温范围为-40℃至+125℃，测温误差最大值仅±0.5℃，适用于环境、消费类、工业和仪器仪表等领域的高精度温度检测。如图2所示是TMP275测温电路原理图。

2.2.2 温湿度传感器

本设计通过法国Humirel公司的HTU21D温湿度传感器实现对空调控制器所处环境的温度和湿度的测量，其应用电路如图3所示。HTU21D芯片采用标准的IIC协议和3*3mm双列扁平无引脚DFN封装，测温最大误差±0.4℃，测湿最大误差±5%。

2.2.3 电参数监测传感器

本设计选用380V电压量程和50A电流量程的电参数监测传感器JSY-MK-163，其完全高低压隔离，体积小，方便嵌入到空调设备中，采用标准MODBUS-RTU协议，其一条线路上可以同时连接多达255个设备，其应用电路图如图4所示。本设计使用常规的无校验位、8个数据位的4800bps波特率的RS485通讯参数。

2.2.4 可燃性气体传感器

TGS2611传感器是FIGARO公司的新型丝网印刷厚膜金属氧化物半导体2600系列传感器中的一种，能检测甲烷等可燃性气体，检测范围为：500～10000 ppm，灵敏度为：0.60±0.06，采用标准的TO-5的金属封装。如图5所示，是本设计的可燃性气体检测电路图。其中，RH是TGS2611传感器加热装置，Rs是不同浓度气体中的传感器电阻值。由电阻分压原理可得，只要测量到ADC0和ADC1端的电压值，即可算出不同浓度气体中的传感器电阻值Rs，根据TGS2611传感器的电阻比Rs/Ro，查表即可得到可燃性气体的浓度。

2.2.5 离子式烟雾传感器

本设计选用NIS-07离子式烟雾传感器，其内部有一个电离室，正常状态下处于电场的平衡状态，当有烟尘进入时，破坏了内外电离室之间的平衡，导致电流、电压有所改变，由此来确定空气中的烟雾状况。如图6是NIS-07离子式烟雾传感器的烟雾检测电路图，通过MC14468的2脚报警级联输出功能，驱动2SC1623三极管Q1，通过三极管Q1的集电极输出OUT1连接到主控芯片，进而达到告警上报功能。

2.2.6 人体热释电红外线传感器endprint

本设计采用LHI778探头的HC-SR501模块，其最大感应半径为7米，最大感应角度100度，具有灵敏度高等特点。当有人进入传感器感应范围时则输出有效电平，当人离开传感器感应范围时传感器自动延时一段时间再恢复初始状态，其延时时间可设置，默认2.5秒。

2.3 Wi-Fi模块

本设计使用支持802.11b/g/n无线标准的超低功耗的ESP8266串口Wi-Fi无线模块ESP-12E，其采用体积小的电路板天线。本设计Wi-Fi配置为STA+AP模式，实现空调控制器与PC机服务器之间的连接，使用“9600bps，8，1，无校验，无流控”的串口通讯参数，其应用电路如图7所示。

2.4 触摸显示模块

本设计使用ALIENTEK推出的一款高性能ATK-4.3 TFTLCD显示模块，其支持800*480高分辨率，采用16bit 8080接口通信控制，集成IIC通信的5点触摸电容触摸屏。

2.5 IPM智能功率控制电路

本设计选用三菱电机的第六代DIPIPM智能功率芯片PSS30S92F6-AG，其内部集成功率硅片、栅极驱动电路、短路保护和欠压 保护等功能于一体，适用于交流100～240V级小容量电机的变频控制。如图8所示是本系统使用的IPM智能功率控制电路图。

其中，P1和P2是220V市电接线座子，P3是保护地接线座子，220V市电经过流过压保护电路、共模滤波电路、单相桥式不可控整流电路和大电容滤波电路后，变成平稳的310V直流电，供智能功率芯片PSS30S92F6-AG的高压侧供电。P5、P6和P7是高压侧的U、V、W输出端。

智能功率芯片PSS30S92F6-AG的输入控制端分别是UP、UN、VP、VN、WP、WN，本设计在主控芯片NUC472程序里建立三个相差120度、0.8调制度、180个点的正弦波存储表，由主控芯的Enhanced PWM Generator （EPWM）增强PWM发生器产生三相120度相移正弦波。其中UP和UN、VP和VN及WP和WN是互补差分输出管脚，通过改变EPWM的调制频率，即可改变U、V、W输出端的变频频率，进而实现压缩机的变频控制。

3 系统软件设计

本系统软件设计是在uC/OS-II操作系统上的开发，其进一步方便和简化了系统程序各个功能任务的调度和管理。系统主程序设计主要负责接收和发送与服务器通信的数据、温湿度等各个传感器模块的信息采集、执行模糊PID控制算法控制空调相关执行机构和驱动触摸屏显示等任务，其主程序流程图如图9所示。

系統开始运行后，将执行系统及其各个功能模块（如：Wi-Fi模块、电参数监测传感器、温湿度传感器等各种传感器、触摸显示模块和隔离驱动电路）的初始化。初始化完成后，进行uC/OS-II系统任务调度，分别进行Wi-Fi发送与接收的通信处理，对采集到的空调工作电参数、所处环境的安防现状、人员流动性、空调状态、冷凝器温度、环境温度和湿度等各个传感器的数据进行判断和处理，根据采集的传感器信息执行模糊PID控制算法控制系统和隔离驱动电路的输出，电容触摸采集和处理，根据前面处理的数据信息在触摸屏显示各种状态。

4 测试与分析

在搭建好的硬件和软件平台基础上完成了终端加入网络测试、各种控制指令测试和传感器数据采集传输测试。最后在珠海某生产公司的同意下，将本控制器应用于该公司的空调系统中。本系统的测试环境在一个面积大约146平米生产车间，该生产车间已经装有4台美的3P立柜式直流变频冷暖空调，具体型号为KFR-72LW/BP2DN1Y-PA401，车间的内部布局已经固定不能大改，生产车间内部已经覆盖Wi-Fi信号。本设计的测试方案是将控制器移植到美的空调中，使用该车间原有的Wi-Fi网络，在搭配一台装有服务器软件的电脑即可实现本系统的测试。

为了对比控制效果，仅对环境温度的变化数据做统计分析，且将未改造前和自定义模式下的温度设为常规的27摄氏度。本系统温湿度测量仪器选用美国福禄克FLUKE F971温湿度测量仪，在空调设备总供电线路前端串接上海华立30A电子式单相电能表DDS738测量设备总用电量。本设计对空调控制器系统在未改造前、最经济、最快速、最舒适和自定义控制模式进行测试和数据的统计，采用一天使用一种控制模式的方式，其统计数据如表1所示。测试结果表明，本空调控制器系统运行稳定、通信可靠及协调预测整体控制效果良好，特别是在最经济的控制模式下，与未改造前空调设备总用电量对比系统节能效果最佳，节能高达30.6%。

5 结语

基于Cortex-M4的空调控制器的设计，结合了物联网、网络化、整体控制技术和片上系统技术，充分利用NUC472的资源、采用高效的数据分析和程序设计方法，实现了空调舒适、节能控制。通过实物测试和实际使用，系统运行稳定、操作简单、功耗低、功能齐全。对比传统空调，改善目前国内外仅使用单个空调控制器的信息来源单一、运行不稳定和控制不方便的局限性，提高空调系统的稳定性和可控性，进一步体现了智能化、网络化、可靠性高和功耗低等优点，可广泛应用于民用和工业空调领域。同时，本设计可增加NB-IoT功能模块，解决在未有Wi-Fi覆盖地方的系统使用问题。此外，在应用方面，可将系统接入公安部门接警网络，当系统设备有消防、安防警报时，可实现第一时间报警功能。

参考文献

[1]Wakata H.Air Conditioning Electronic Control Systems[M].John Wiley & Sons，Ltd，2014.

[2]2016上半年中国空调产品市场研究报告[Z].中关村在线[EB/OL].http：//hea.163.com/16/0818/18/BUP6STOP001628C1_all.html，2016-08-18/2016-08-31.endprint

[3]魏立明，李晨，林君，等.基于STC单片机的中央空调控制系统研究[J].吉林建筑工程学院学报，2014（06）：64-67.

[4]向琴，陈文红，张勇.空调控制系统的设计[J].科技风，2014（14）：49.

[5]NUC472VG8AE.Nuvoton[DB/OL].http：//www.nuvoton.com/opencms/products/microcontrollers/arm-cortex-m4-mcus/nuc442-472-series/nuc472vg8ae/？__locale=zh，2016.

[6]0.5℃ Digital Out Temperature Sensor[DB/OL].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/tmp275.pdf，2010.

[7]HTU21D[DB/OL].http：//www.te.com/usa-en/product-CAT-HSC0004.html， 2015.

[8]tgs2611[DB/OL].http：//www.figaro.co.jp/cn/product/entry/tgs2611-c00.html，2015.

[9]李建華.森林火灾智能监控研究[J].重庆工贸职业技术学院学报，2013（01）：50-53.

[10]李博，高松，王长璟.基于人体感应的智能广告屏显示系统[J].电脑知识与技术，2015（03）：230-231.

[11]ESP12E DevKit [DB/OL].http：//nodemcu.doit.am/chapter1.html，2015.

[12]ATK-4.3'TFTLCD[DB/OL].http：//www.openedv.com/thread-34751-1-1.html， 2014.

[13]宗明超，文方，彭波.智能功率模块（IPM）驱动与保护电路[J].数字技术与应用，2013（06）：68-69.

作者单位

1.深圳大学计算机与软件学院 广东省深圳市 518000

2.哈尔滨工业大学（深圳）计算机科学与技术学院 广东省深圳市 518000

3.深圳市朗强科技有限公司 广东省深圳市 518000endprint