基于单片机的智能温变暖手宝的设计

张卓钧 戴圣伟 曾维阳 邬振华 侯赋军

摘  要： 本文针对暖手宝发热温度难以调节和能源浪费等问题，设计一款基于单片机控制器与手机APP联合监控的智能调温暖手宝。既能对暖手宝的发热温度进行控制、减少能量消耗，还能实时监控暖手宝的温度与剩余电量。文中对温控硬件电路进行创新设计，软件设计中采用新型负反馈闭环控制算法，有效解决了暖手宝温控中存在的不足，提升了效率，实现了温度的精准控制，实物运行数据验证了该方案的可行性和有效性。

关键词： 单片机;智能温变;实时监控;闭环控制

中图分类号： TP23    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.005

本文著录格式：张卓钧，戴圣伟，曾维阳，等. 基于单片机的智能温变暖手宝的设计[J]. 软件，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

暖手宝已经是现代很常见的取暖设备，随着国民生活水平的不断提高，人们对暖手宝的需求也逐渐提升，但是现有市面上大部分暖手宝不仅存在着很大的安全隐患，能耗还很高[1]。暖手宝从种类上可分为两种：电极式和电热元件式。电极式暖手宝加热效果好，价格低廉，但是存在安全隐患;电热元件式暖手宝价格较贵，加热效果没有前一种好，但是安全。传统的电暖手宝漏电风险大，并且加热后温度高，对人体存在安全隐患，也浪费了能量。如何让暖手宝更加智能，能够调节发热温度等问题将是研究的重点。

为了解决以上问题，拟设计一款能用APP智能调节温度的暖手宝。该暖手宝能根据用户的需求，通过APP进行温度控制，并且能实时显示温度，还具有自动恒温等功能[2]。设备主要研究内容如下：（1）利用单片机主控模块与DS18B20的温度数据采集对系统进行智能处理;（2）通过手机APP合理设定温度阈值，提高暖手宝温度控制性能;（3）通过蓝牙模块实现单片机和手机APP数据交互。

1  控制系统设计

1.1  系統总体设计

单片机相较于PLC等控制系统，具有能耗低、性能高，最高运作频率为35 MHz，6T/12T可选等特点[3]。因此本项目拟开发一个以单片机为核心控制器，以DS18B20数字温度传感器、整流电路等为主要硬件的反馈电路，其通过蓝牙通讯技术连接APP以对温度进行监控调节。研究内容具体包括蓝牙模块、加热模块、温度检测模块、APP模块和控制模块。电源电路为整个控制电路提供电源，数字型温度传感器DS18B20把采集的温度信息传输给单片机，蓝牙模块HC05负责手机端和点单片机之间的数据传输，单片机通过蓝牙模块传输实时温度给手机端，手机端通过蓝牙模块传输用户想设定的温度给单片机[4]。原理如图1所示。

1.2  加热模块设计

电源接通后，温度传感器对当前温度进行检测，并与设定值进行比对[5]。当温度传感器检测到温度低于设定温度时，用户可根据个人喜好通过APP客户端发送调温信号进行温度调节，使加热片加热。直到加热片达到设定温度后，停止加热。加热模块流程如图2所示。

1.3  温度检测模块

DS18B20是一种最常用单总线数字温度传感器，它能将温度转换成数字信号，并交给单片机处理，抗干扰能力强[6]。其测试温度范围-55℃-125℃，具有体积小，硬件开销低，精度高的特点。其接线方便，封装成后可应用于多种场合。利用DS18B20作为检测模块的核心元件，其将采集温度信号并交给加热模块进行信号处理，反馈给APP模块[7]。

1.4  蓝牙模块

伴随着蓝牙4.0规范的出现，BLE技術得到了广泛关注[8]。本设计在蓝牙模块上主要采用TI公司的CC2540芯片对蓝牙控制和射频收发，使用HC-05蓝牙串口通信。其控制原理图如图4所示。

由温度检测模块将检测信号通过蓝牙传输给APP，并在APP上显示当前检测温度[9]。用户通过在APP上进行温度的设定，通过蓝牙使得加热片进行加热调温，直到达到设定温度。

1.5  APP模块

在研究蓝牙4.0BLE协议栈的基础上，基于iOS操作系统开发了可以调节控制暖手宝温度的APP。其控制原理如图5所示。

1.6  控制模块

单片机是实现本项目的核心控制器，其中温度传感器、加热模块均通过蓝牙与手机APP端相连接，实现温度的监控和线上调节功能[10]。控制模块如图6所示。

2  软件设计

软件设计的主要内容大致分为两部分。第一部分为：初始化单片机，串口初始化，初始化数字型温度传感器DS18B20并读取当前温度数据，处理当前温度数据从串口传输给蓝牙并通过蓝牙传输到手机上;第二部分为：在第一部分的基础上，手机向蓝牙发送用户想要设置的温度数据，蓝牙串口向单片机申请中断，单片机处理从蓝牙接收的数据并和第一部分DS18B20测得的温度数据进行比较。若设定温度大于当前温度，则使USB电源控制模块转为高电平状态;若设定温度小于当前温度，则使USB电源控制模块保持为低电平状态，并继续检测实时温度。

主程序工作流程如图7所示。

3  监控系统设计

本文设计通过单片机、蓝牙模块、APP终端实现系统的实时监测和数据传输，主要解决实时监控问题[11]。硬件部分组装完成后，再对数据处理和机械控制进行调试。软件部分则通过蓝牙模块，将系统的数据实时传输给手机APP，并且在手机APP上显示暖手宝的当前温度和剩余电量。其监控系统技术路线流程如图8所示。

硬件和软件均调试成功后，对整个系统模拟检测。将实时采集到的温度信号以及剩余电量信号等参数通过蓝牙传输给手机APP，用户也能通过蓝牙在APP中选择适宜的温度进行设定。

4  测试与结果

平台搭建好后，我们对其进行多次重复实验。用温度计对实际的发热片温度进行测量，用测得的温度和设定温度进行比较，详见表1所示。

从软件的设定来看分析我们的实验，当设定温度数据大于实时温度数据，发热片通电，当设定温度数据小于实时温度时，发热片断电。实验数据表明了设计的有效性。

5  结语

本文从总体方案到硬件、软件等几方面介绍了一种以单片机为核心控制模块的智能温变暖手宝的设计。一定程度上对当前市面上暖手宝调温功能精度低，显温功能缺失等的问题给出了一种较为有效的解决方案，并带来了较为良好的机器与用户之间的交互体验。综合来说，近年来消费电子行业快速发展，人们对于消费电子产品的需求不断扩大，消费电子智能化趋势对消费者的生活方式产生一定影响。从最后的各项测试结果可以知该暖手宝设计总体上基本上达到了预期要求。目前国内外的暖手宝主要针对与硬件方面的研发，而在暖手宝的软件方面的研发则较于缺乏，推动了暖手宝的软件方面的研发，为暖手宝市场提供了一种较为可行的方案。

参考文献

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[11]盘姿君， 周建华， 商凯源， 等. 基于PLC的卷轴翼展追日式光伏发电系统设计[J]. 软件， 2020， 41（1）： 60-65.