声控式多功能风暖的设计与实现

沈周锋

(漳州职业技术学院 电子工程学院，福建 漳州 363000)

随着智能家用电器广泛应用到人们的生活中，各种传统电器纷纷被加入智能控制技术。家电的不断升级使得家电购买需求旺盛，家电行业成为我国重要的经济增长点之一。洗手间作为各家各户必备场所，正在引入越来越多的家电。热水器、浴霸等电器陆续成为洗手间必备品。

老式的取暖设备采用灯暖浴霸，利用高功率灯泡的热辐射来提高温度。其缺点在于：一是灯泡辐射区域较小，导致温度不均匀；二是功能单一，只能用于冬季取暖；三是亮度过高，损伤儿童视力。由于灯暖的缺点众多，逐渐被风暖所取代。提出了一种具有语音识别功能的风暖，使其具有风暖、换气、送风、照明等功能，引入多项闭环控制技术，保证整机稳定运行。

1 基本原理

风暖的原理类似于空调和暖风机，利用加热片加热空气，利用电机带动叶片制造室内空气流动。冷风进入风道，加热成暖风从出风口送出，使整个卫生间温度升高。取暖效果比较均匀。合理控制加热片的加热功率，可以改变出风的温度，达到吹热风和冷风的效果。利用挡板改变风道形状，又可以达到换气和送风的效果。结构示意图如图1所示。整机具有一个进风口和两个出风口，挡板在步进电机的带动下，停留在A位置或B位置，切换不同的出风口。风暖模式下，步进电机控制挡板停留在A位置。风轮转动，带动空气从进风口进入风道。到达挡板时，大部分空气转弯流经加热片，从出风口2流出，在加热片加热下，吹出暖风。一小部分空气从挡板和风道的间隙，从出风口1流出。出风口1连接洗手间排气管，小部分空气从排气管排出，使得洗手间呈负压状态，避免空气通过洗手间门进入其他房间造成污染。此模式下关闭加热片，冷风经过出风口2吹在用户身上，实现风扇功能。换气模式下，加热功能关闭，挡板停留在B位置，空气在风轮带动下沿着路径1，从排气管排出，达到换气的效果。照明模式下，线路板打开照明灯开关即可使灯发亮。

图1 结构示意图

电路原理框图如图2所示。电源电路将AC市电转化为12 V和3.3 V直流电源，为单片机和各个驱动电路供电。整机以单片机作为控制核心。LD3320电路单元通过SPI接口与单片机通信，从麦克风采集音频信号，语音识别出用户口令，传送给单片机。单片机将数字的音频码流下发到LD3320芯片，通过喇叭播放出来，作为应答。风轮驱动电路在单片机控制下负责驱动交流电机转动，带动空气流动。出风口挡板采用圆弧面设计，步进电机安装于圆形位置。步进电机转动时，挡板绕着步进电机转动轴转动一定角度。挡板两端分别装有不同极性的磁铁，出风口1右侧装有霍尔传感器，挡板在A位置和B位置，传感器输出不同的电压值。单片机通过AD转换电压值，检测挡板位置。步进电机和霍尔传感器形成对挡板的闭环控制，控制挡板精确地在A/B位置间切换。温度探头安装于出风口2位置，检测出风温度。单片机根据出风温度，适当增大或者减小加热片功率即可实现温度的闭环控制。照明灯驱动电路采用继电器控制电流环路的通断。

图2 电路原理框图

2 硬件电路设计

2.1 风轮驱动和照明灯驱动电路

风轮电机和照明灯均采用220 V供电，受单片机控制，具有开启和关闭两种工作状态。直接用3.3 V供电的单片机控制交流器件，工作状态切换瞬间，容易产生浪涌干扰。该干扰从驱动电路进入单片机IO口，容易引起单片机程序跑飞、复位等风险。因此采用光电耦合芯片EL817[1]，将弱电和强电隔离开，如图3所示。当PA2节点为高电平时，U1导通，Q1的基极电压被拉低，三极管截止，继电器K1断开；反之，当PA2为低电平时，U1截止，Q1进入饱和态，继电器K1线圈通电触点吸合，负载RL通入交流市电。照明灯和风轮电机采用图3电路控制通断。

图3 弱电驱动强电电路

2.2 风暖温度闭环控制电路

空气在风道中流动，经过加热片时，空气的温度会升高。加热片的设计需要注意几个方面：一是保证热量充分散发到空气中；二是必须保证空气流动顺畅，风阻不得过大；三是温度上升时，电阻值尽量不要发生变化，使加热功率一定程度上保持稳定。镍铬合金金属片具有较小的温度系数，且价格便宜，非常适合用于制造加热片。[2]如图1所示，将宽度一定的长条形金属片弯曲为类似百叶窗形状，可以保证金属片与空气充分接触，且风阻较小。由于不借助助焊剂的情况下，焊锡无法附着于镍铬合金表面，采用铆钉将铜制绝缘线固定在金属片两端，作为加热片的两极。电路连接如图4所示。采用热敏电阻R9与普通电阻R10串联，探测出风温度。当温度变化时，热敏电阻阻值发生变化，Ad1节点电压发生变化，送入单片机中做AD转换，即可检测出风温度。C2和C3电容采用纳法级别，用于进一步提升Ad1电压的稳定性，提高温度探测精度。

图4 加热片驱动和温度检测电路

根据出风温度，温度过高时降低加热功率甚至关闭，温度过低时加大加热功率，形成闭环控制环路，将出风温度控制在定值。单片机采用PWM方式，快速切换开启和关闭状态，改变占空比即可实现不同的加热功率[3-4]。相比固定功率加热方式，变功率加热可减小温度波动，减少用户“忽冷忽热”的不舒适感。若采用继电器，动片快速地吸合弹开，产生金属噪音会影响用户的体验，而且继电器的寿命大大缩短。双向晶闸管Q2是一种无触点开关控制器件，配合U2光耦3063，可以完美实现PWM功率控制。当PA1为高电平时，U2导通，Q2的控制极在整个交流电周期内都能和主电极保持一定的电位差，Q2导通，加热片加热。当PA1为低电平时，U2截止，Q2在交流市电正半周期和负半周期交界处进入截止态，加热片停止加热。单片机在PA1节点加入一个远小于50 Hz的PWM信号，改变占空比即可调整加热功率。R7和C1并联在Q2两端，起到保护晶闸管的作用。

2.3 步进电机驱动和位置检测电路

步进电机采用MSBPC20A04电机，带有4组线圈和一个公共端。公共端接12 V电源，其他端子采用ULN2003A芯片驱动。[5]由于步进电机工作时各个绕组电流较大，直接用单片机引脚驱动容易发生堵转。各绕组断电瞬间会产生反向电动势，直接施加于单片机会导致损坏。ULN2003A是一种成熟的步进电机驱动芯片，OUT引脚驱动电流达到500 mA，完全能够胜任小型步进电机的驱动需求。由图5可知，绕组断电瞬间， OUT引脚内部的钳位二极管导通，将电流导入+12 V，可以消除反向电动势的影响。合理控制PB3至PB6 PWM信号的时序，使电机工作在四相八拍状态，电机可以工作在停止、正转和反转状态。[6-7]

图5 步进电机驱动和挡板位置检测电路

采用SS49E霍尔传感器检测挡板位置。该传感器用3.3 V供电且附近无磁铁时，输出电压约1.6 V。当磁铁S极正对着传感器丝印面时，PosAd节点电压随着磁场强度增加而线性升高；反之，当磁铁N极正对传感器丝印面时，PosAd节点随着磁场强度的增加线性降低。挡板传感器和磁铁安装位置如图6所示。SS49E安装于出风口1位置，挡板左边一端的磁铁S极向上，右边一端磁铁的N极向上。挡板处于A位置时，N极离传感器最近，PosAd电压达到最低值；挡板处于B位置时，S极离传感器最近，PosAd电压达到最高值。

图6 挡板传感器安装示意图

2.4 LD3320语音识别电路

语音识别单元采用LD3320芯片，该芯片基于ASR(Auto Speech Recognition自动语音识别)技术，从麦克风采集到的声音进行频谱分析，提取语音特征，然后和关键词列表中的关键词进行匹配，找出相似度最高的关键词，从数字端口输出关键词序号。单片机通过数字端口输出音频数字码流，存入LD3320内置的FIFO中，通过外置喇叭播放出来。[8-10]由于多功能风暖播放语音应答信号较为简短，将通信接口配置为SPI串行模式，最高支持1.5 MHz的波特率，能够胜任通信需求的同时节约单片机IO口资源。详细电路图如图7所示。X1采用22.1 MHz的晶振，为LD3320芯片提供时钟信号。将复位引脚PIN48上拉，使其正常工作。PIN46 MD引脚上拉，PIN42 SPIS下拉，LD3320通信端口进入SPI模式，SDCK/SDO/SDI三个引脚与单片机SPI单元连接作为数据通信接口。空闲情况下INTB引脚为高电平，当识别到关键词时变为低电平，与单片机连接，用于通知单片机接收语音识别结果。芯片提供多个数字电源、模拟电源引脚，布线时两种电源各自连接去耦电容和滤波电感，与总电源呈星型连接，最大程度地消除数字电路对模拟电路的干扰。C4～C7，R13，R14，MK1组成麦克风单元，MBS引脚为麦克风提供偏置电压，音频信号从MICP和MICN输入LD3320。C8、C9、R15、R16组成喇叭音量外部控制电路。C10、C11连接VREF引脚，稳定芯片内部声音信号参考电压。喇叭LS1直接与SPOP和SPON连接，用于播放语音应答信号。

图7 LD3320语音识别电路

3 软件部分设计

软件流程图如图8所示。单片机上电时，首先进行内部单元初始化，主要配置SPI接口、AD转换单元以及外围硬件的控制引脚。然后单片机初始化LD3320芯片，并将一级口令和二级口令按顺序传入LD3320芯片内部，开启语音识别功能，单片机进入死循环。当检测到一级口令“风暖”时，单片机将“你好”的数字音频码流传入LD3320芯片，并通过喇叭播放出来，同时使能二级口令应答标志位。当检测到二级口令时，执行相应的动作。比如接收到“打开风暖”的二级口令，单片机控制步进电机将挡板转动到B位置，然后打开风轮电机和加热功能。单片机将二级口令的应答信号传入LD3320，提示用户“风暖已打开”，同时清除二级口令应答使能标志位。15分钟计时时间到或者接收到“关闭风暖”的二级口令时，关闭加热和风轮，挡板复位，喇叭播放“风暖已关闭”应答。二级口令应答使能标志着用户是否发出一级口令。用户直接使用二级口令时，单片机不作任何响应，避免了用户的正常交谈被风暖误判断为口令。

图8 软件流程图

4 整机测试

在距离麦克风2 m的位置，进行语音口令测试，识别成功率达到100%。换气模式下，挡板能够顺利进入B位置。风暖模式下，挡板能顺利进入A位置，并在出风口1留有一定空隙，使卫生间呈负压状态。在出风口位置加装温度计和风速计，对风暖出风温度和出风口2的风速进行了长达2小时的连续测试。采用具有风速和温度测量功能的仪表对出风速度和温度进行测试。每隔5分钟记录一次数据，数据曲线如图9和图10所示。横轴表示时间，图9纵轴表示出风温度，单位℃，图10纵轴表示风速，单位m/s。出风温度在闭环控制下，基本在39 ℃波动，波动范围±0.3 ℃。风速在1.5 m/s附近波动，最大值1.7 m/s，最小值1.3 m/s。

图9 出风温度曲线 图10 出风风速曲线

5 结语

利用单片机和LD3320芯片，设计了一种语音声控的多功能风暖设备。采用一级口令和二级口令结合的方式，声控设备可以执行各项功能。采用两个闭环控制，较为精确地控制挡板位置和温度。验证试验表明：整机能够正确接收用户的语音指令，执行各项任务，出风温度和风速稳定，能够满足人们使用需求，具有一定的市场前景。