基于STM32的智能温控器设计

齐婷婷 王圣涛

摘要：随着我国社会的快速发展和科学技术水平的日益提升，人们进入智能时代。在这种潮流中，设计了一款超高性价比的智能温控器：集触摸输入、显示输出、无线Wi-Fi于一体。利用温控器对环境温湿度实时监测，并受系统控制，调整输出温度和调整风机速度，控制中心通过485总线与温控器实现连接。温控器通过Wi-Fi连接至服务器，实现云端在线操控。

1 引言

中央空调系统广泛地应用在现代化建筑中，其能源消耗巨大，约占40%-60%。目前，市面上广泛应用的中央空调都是统一控制，不具备人工智能和监管能力，缺少自动关机、网络互连、智能调节风速等功能。为了消除上述普遍存在的缺陷，提升用户体验的满意度，采用STM32为主控芯片、借助于Wi-Fi技术设计一种中央末端温控器，集16：9宽屏显示、显示区域触摸交互、人体接近感应、智能风速调节、环境状态指数检测、云端在线操控、自动亮度调节等功能于一身。该控制系统即插即用，方便快捷，通过无线通信对房间展开自动化检测和控制，温度控制装置根据使用者设置的温度智能地调节开关、风速、模式。此产品不仅适用于中央空调节点控制器，还可应用于地暖控制器、新风控制器、空气质量检测器等场景。

2 智能云温控器设计原理

2.1 智能云温控器概念

智能云温控器是一种通过电脑终端或手机终端访问服务器，实现对远程中央空调温度或者其他电器的控制的智能型产品。手机打开APP，通过Wi-Fi远程监控房间的温湿度，空调、地暖的工作状态，并通过控制空调、地暖、换气扇等家电实现远程操作房间温湿度。不论是在下班路上还是酒店住宿，都能提前预备好舒适的房间环境;当住户离开房间却忘记关闭家电时，可以通过APP自动关闭，节约用电。

智能云温控器有温度设置功能。设定一个理想的温度，在夏季若房间温度高于设定温度3℃以上，此时空调打开高速档风机阀门;若房间温度高于设定温度2-3℃，此时空调打开中速档风机阀门;若房间温度高于设定温度1℃，此时空调打开低速档风机阀门;当房间温度小于或等于设定温度时，此时打开自然通风模式。风机档速的智能切换，不仅能够提升房间的舒适度，也能够节能省电。

2.2 智能云温控器设计方案

云温控器系统总体上分为人机交互和下位机控制两个模块。其中，下位机控制模块分为供电模块和控制模块两部分。供电模块为控制模块提供电源，一系列传感器采集数据，操作电容按键进行配置，液晶显示屏实时显示参数。当设置温度与检测到的温度有差异时，智能地打开空调开关并进行风速档的切换。

温控器云端在线操作的工作过程如下：进行控制的PC机、手机联网后，打开专用的APP自动设置各个参数，将数据与命令上传至服务器。温控器通过Wi-Fi自动从云端下载温湿度等数据与操作指令存储起来，与实时采集到的房间温湿度进行对比，操作相应继电器工作，完成风机档速的智能切换。无远程操控时，更加便捷，直接在温控器显示屏设置界面中设置理想的温度。

3 系统硬件设计与分析

整个硬件分为电源板和控制板。电源转换板主要包括220V电压转换为5V、3.3V电路、继电器电路。控制电路板是核心部分，主要包括测距传感器电路、温湿度传感器电路、PM2.5传感器电路、Wi-Fi远程控制电路、液晶显示屏电路等。整体系统原理框图如图3-1所示：

3.1 主控芯片简介

控制板的主控芯片选取的是低功耗的STM32F103RB，它是一款基于Cortex-M3内核，最高工作频率是72MHz，集成了256kB Flash存储器、64kB SRAM存储器的低功耗、高性价比的芯片。

3.2 电源转换电路

通常家电两端电压是220V，利用AC-DC电源模块将220V转换成5V电压，在前端输入电路中加入慢熔断保险管和压敏电阻，来抑制浪涌电流和保护电路;使用安规电容和差模电感来抑制差模干扰;使用安规电容和共模电感来抑制共模干扰。经过AC-DC模块的输出电路中使用滤波电解电容、陶瓷电容和瞬态抑制二极管来抑制高频噪声，保护后级电路。

然后利用LM1117将5V转换成3.3V为STM32芯片提供电能。电路原理图如3-2所示：

3.3 繼电器电路

电源板也包含继电器控制电路：单片机的I/O口接三极管的基极，当有信号输入时继电器两端线圈使继电器吸合，打开对应的风机开关，使用3个继电器控制三档风机的档位。继电器控制电路原理图如图3-3所示：

3.4 传感器电路

本系统用到温湿度传感器、PM2.5传感器、距离传感器以及光感传感器，用来实时监测房间中温度、湿度、距离、光照强度、空气质量等参数。其中，温湿度传感器选取的是含已校准数字信号输出的复合型传感器DHT11，其专用的数字采集技术和温湿度传感技术保障了极高的可靠性与长期的稳定性;测距传感器选用的是VL53L0X，它是新一代激光测距模块，提供与传统技术不同的目标反射率的精确距离测量;数字式通用颗粒物浓度传感器选用的是PMS5003S，这是一款可以同时检测空气中颗粒物浓度和甲醛浓度的二合一传感器。其中，颗粒物浓度的检测基于激光散射原理，可连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度分布，进而换算成质量浓度。甲醛浓度的检测基于电化学原理，具有高精度、高稳定性的特点。颗粒物浓度数值与甲醛浓度数值合并以通用数字接口形式输出。硬件连接如图3-4所示：

3.5 Wi-Fi模块

使用集成了ESP-8266核心处理器的Wi-Fi模块，支持标准的IEEE802.11协议，完整的TCP/IP协议线。该模块支持串口通信，可以为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。原理图如图3-5所示：

3.6 液晶显示模块

选用TFT晶体管和电容触摸屏实现显示效果。TFT式显示器具有高响应度、高亮度、高对比度等优点，其分辨率为480*272，进行65K真彩显示。而电容触摸屏技术是根据人体的电流感应进行工作的，可以达到99%的精确度，具备小于3ms的响应速度。

4 系统软件流程

系统的软件主要分为按键处理、界面显示、各传感器数据解析和Wi-Fi通信模块的编写。单片机和各传感器之间通过I2C进行数据传输，单片机和Wi-Fi之间利用USART串口进行通讯。

4.1 主控芯片软件设计

用户通过触摸按键或者Wi-Fi来实现参数设置和信息交互。当芯片上电初始化之后，首先从STM32F103RB内部的EEPROM读取数据并进行显示，当接收到按键请求、各个传感器传输进来数据和Wi-Fi数据时，产生判断语句，看和主芯片的EEPROM存储的数据是否有更新，若是数据发生了变化，则控制电路做出相应应答并进行显示。

软件流程如图4-1所示：

4.2 Wi-Fi通信模块设计

无线控制模块主要实现控制器与无线模块的数据通信。设备上电后，对Wi-Fi协议栈实现初始化，检测控制器与网络是否实现信息交互。当控制器接入无线网络时，就可以进行数据交换并解析数据，做出相应的控制。无线通信模块设计流程如图4-2所示：

5 结语

根据实际生活中中央空调的使用特性，结合无线通信模块，设计了一款智能控制风速的液晶显示温控器，能够广泛地应用到酒店、商场、写字楼、别墅、居民小区等场所。可以实现对温度等的智能调节，营造更加舒适的室内环境。可以通过手动调节液晶显示屏或者手机APP实现对室内温度的智能控制。