基于单片机的智能恒温器设计

2022-11-17周家奇

无线互联科技 2022年5期

周家奇

(湖南科技学院智能制造学院,湖南永州 425199)

0 引言

随着社会生产生活的需要,恒温器成为人们必不可少的部分。恒温器,也就是温控器,是根据工作环境的温度变化,在开关内部发生物理形变,从而产生某些特殊效应,产生导通或者断开动作的一系列自动控制元件,也叫温控开关、温度保护器、温度控制器,简称温控器[1-2],或是通过温度保护器将温度传到温度控制器,温度控制器发出开关命令,从而控制设备的运行以达到理想的温度及节能效果。在欧洲绝大多情况下温控器是壁挂炉必配件,两者是一配一同时交付用户的,而且配备的温控器大多是智能型温控器。在国内,已安装在运行和正在安装调试准备投入使用的壁挂炉近95%是没有先行配备任何形式的简易或智能型的温控器[3]。而房间采暖系统中配备温控器尤其是智能温控器,是节能采暖综合体系中一个极为突出的环节。智能温控器在国内还是一个增长潜力巨大的市场,国外靠温控器起家的Nest,2014年被科技巨头谷歌以 32 亿美金天价收购[4]。

1 需求分析

恒温器是家庭或楼宇自动化应用,其自动调节温度,或当温度达到某一点时激活设备。随着物联网(IoT)和网络连接设备的出现,智能恒温器的全新市场开启。智能恒温器不仅通过移动应用或网络浏览器实现远程管理和编程,而且还了解并适应用户的日常生活,并向用户提供能耗数据,以查看使用模式并进行调整,以显著节省能源费用。笔者选择了智能恒温器终端应用程序,因为它涉及不同级别的细节和复杂性,同时仍处理基本的MCU特性和功能。智能恒温器应用的基本构件包括传感、处理、用户界面和无线连接,并且设计这些组件需要多个MCU功能之间的交互。

2 设计与实现

2.1 硬件实现

首先选择BME BME280,输出信号数字信号。电源为3.3~5.5 V DC,U1电源HLK-PM01。D1整流二极管型整流器,包Melf DO-213 AB 〔SMD〕部分#1N4001。D2整流二极管型整流器,包Melf DO-213 AB 〔SMD〕部分#1N4001。Q1 PNP-晶体管型PNP,封装SOT-23 〔SMD〕部分#2N2222。Q2 PNP-晶体管型PNP;封装SOT-23 〔SMD〕部件号#2N2222。R11.2 kΩ电阻公差±5%,包1206 〔SMD〕,电阻1.2 kΩ,R21.2 kΩ电阻公差±5%,包1206 〔SMD〕,电阻1.2 kΩ,J1 RaspberryPi零点或零点W任何版本。

其次,PCB准备。所需工具为:3 mm钻头、钳子、剪线器、机械准备。为了节省空间,需要通过移除黑色凸出相机连接器的塑料锁力。首先用手拉一边,然后用另一个拉出。为了便于用提供的螺钉和螺母装配壳体,建议使用3 mm的钻头清理4 RaspberryPi上的孔。

最后,焊接订单。如果您的RaspberryPi带有预先焊接的标题,则需要删除最后的4(2和2)位置。在底部添加一些焊料并轻轻推入,无须完全取下销钉。只需确保它不会突出并平放在HestiaPi PCB上。使用面向GPIO引脚的按钮向上焊接RaspberryPi上RUN引脚中的复位按钮。它可能触摸两个GPIO引脚,但这不会影响任何东西。它有2.5 mm的间距,而RUN的引脚是2.54 mm,所以可能有点紧。小心不要弯曲腿。从左侧的RaspberryPi引脚1开始焊接公2×18引脚接头,在右侧留下4针空间,以便按下复位按钮。特别注意正确的焊接温度,以便在引脚上留下最少的焊料。底部的引脚也需要通过PCB进入,所以如果使用过多的焊料,它们就不适合。从引脚1开始对准PCB和RaspberryPi,并且已经焊接了公头。确保PCB的4个固定孔与RaspberryPi的4个固定孔对齐。紧紧按住它们直到在左端焊接4个引脚并在右边焊接4个引脚。然后焊接其余部分。最好按此顺序焊接接线端子,电源和继电器。如果设计的外壳并且空间充足,请在PCB(标有BME)和BME传感器上焊接2个1×4母接头。否则,将杜邦1×4导线直接弯曲并焊接到PCB和BME传感器上。VIN至+,GND至 - ,SCL至SCL和SDA至SDA。六角形外壳底部有一个紧密的传感器隔间,有些人因意外停止温度读数而将连接器拉开。如果无法控制主电源,即在安装过程中将其关闭,笔者建议是将SD卡和LCD关闭,连接所有4根电线(空至N,线对L,水对W和加热到H ),部分(未完全)插入SD并完成外壳安装,并将LCD连接到盖子上。完成所有操作后,从机箱外部首先将SD推入(它没有锁定到位),然后插入非金属工具并按下重置按钮。HestiaPi将启动并在大约10~15秒内LCD将显示一些启动消息。

2.2 软件实现

为了方便新用户,HestiaPi为SD卡提供了可立即刻录的图像文件。准备新的SD卡。使用图像写入工具将其安装到SD卡上。不能简单地复制粘贴它。如果下载了ZIP版本,请在下一步之前先解压缩.img文件。

首次启首先将HestiaPi的案例修复到墙上。如果只想在提交之前测试HestiaPi,请先连接LCD,然后将Micro USB线插入Pi端口。将MicroSD卡插回Raspberry Pi 。只需将其推入即可。它不会点击。它没有锁定到位。在施加电源电压之前采取一切必要的预防措施,以便立即切断电源。连接加热、冷却、风扇和热水(取决于型号)接线盒顶部触点上的控制线。连接底部触点上的电源线,标记为L和N。将传感器放在盖子的底部隔室并安装4垂直切口中的电线。如果不能切断电缆的电源,就有可能在液晶显示器之前启动HestiaPi已连接。笔者建议在施加电源电压之前将SD卡取出,并在即将关闭外壳之前,插入但不要重新启动。它不应该启动。使用长的东西像螺丝刀但不导电并按下复位按钮。在某些型号中,它位于LCD连接器的右侧朝上。使用别针或回形针一次推动每一面,但要轻柔。只需要2~3 mm的推力即可释放它们。这是一个3D打印的外壳,而不是超级灵活的ABS。很快就会看到HestiaPi启动顺序和最后的加载屏幕倒计时。

2.3 系统测试部分

按照上述硬件和软件设计实现以后,智能控制模块将测量的温度值进行处理后,通过网络接口将数据发布到LON总线上,交上位机进行处理和监控,同时根据程序预先编制的控制算法得出控制量,经D/A转换后变成0~5 V电压信号或4~20 mA电流信号输出至可控硅调功器,驱动执行机构对测温点进行温度调节控制。结果证明,该智能恒温器能按照预期设计实现全部功能。