天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 金新人 劉 穎 王皓南 徐麒麟 高茂華
針對(duì)目前家居環(huán)境中人們對(duì)家電采用語(yǔ)音控制及手機(jī)APP實(shí)時(shí)顯示與控制的需求,開發(fā)了一款基于語(yǔ)音識(shí)別與藍(lán)牙通信的智能水溫控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用STM32芯片作為主控芯片,具有語(yǔ)音控制和手機(jī)APP控制的方式,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示及精準(zhǔn)調(diào)節(jié),本系統(tǒng)能夠滿足家庭洗浴、廚房用水、魚缸用水等多種水溫控制場(chǎng)合的需要,有較好的應(yīng)用前景。
水溫控制在家居環(huán)境中扮演著非常重要的角色,其中家用洗浴熱水器、廚寶熱水器、魚缸恒溫系統(tǒng)及保溫杯等都是常見的水溫控制應(yīng)用場(chǎng)景。在這些水溫控制應(yīng)用場(chǎng)景中,采用語(yǔ)音控制方式以及手機(jī)APP實(shí)時(shí)顯示與控制方式,能夠更大程度地提高用戶使用的舒適性與便捷性,也更適應(yīng)目前人們的生活現(xiàn)狀與需求。然而,目前具有這些控制功能的家用智能水溫控制系統(tǒng)較少,無法滿足普通用戶的廣泛需求。本系統(tǒng)基于這一特點(diǎn),基于STM32芯片設(shè)計(jì)了一款具有語(yǔ)音控制、主控板按鍵控制和手機(jī)APP控制三種控制方式的智能化家用水溫控制系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制水溫,提高了用戶使用操作的自由度和便捷性。
系統(tǒng)主要由STM32主控芯片、語(yǔ)音識(shí)別模塊、藍(lán)牙通信模塊、繼電器控制模塊、溫度感應(yīng)模塊及電源模塊所組成。語(yǔ)音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)外部語(yǔ)音輸入功能,可通過設(shè)定的“喚醒詞”喚醒語(yǔ)音輸入功能,然后通過語(yǔ)音達(dá)到對(duì)溫度值的設(shè)定。藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP對(duì)系統(tǒng)溫度設(shè)定和上水等基本控制,手機(jī)與藍(lán)牙模塊通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)通信功能,藍(lán)牙模塊再將接收到的信息通過串口傳遞到主控芯片。蓄水艙溫度控制部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、加熱、散熱及溫度顯示等功能。指令輸入部分包括語(yǔ)音交互輸入、旋鈕調(diào)節(jié)輸入、手機(jī)APP輸入三種方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)所需溫度指令的輸入。在溫度控制的過程中利用PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的穩(wěn)定控制。本智能溫控系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
主控制器模塊采用STM32F103C8T6作為控制芯片,該單片機(jī)I/O接口豐富,可對(duì)外圍電路功能進(jìn)行拓展,且對(duì)于本套系統(tǒng)可適用的芯片范圍內(nèi),價(jià)格合理,性能強(qiáng)大。它擁有強(qiáng)大的運(yùn)算功能和控制功能,對(duì)IO口傳送回來信號(hào)的處理速度較快。該芯片還具有復(fù)位功能,以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定工作,可通過復(fù)位鍵令STM32主控芯片回歸初始狀態(tài)。
溫度檢測(cè)模塊的核心器件是一個(gè)經(jīng)過防水處理的DS18B20溫度傳感器,該溫度傳感器的傳輸方式為單總線的接口方式,測(cè)量范圍為-55℃~+125℃,測(cè)量精度滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)且能夠?qū)囟刃盘?hào)及時(shí)準(zhǔn)確的傳回主控制器。在溫度檢測(cè)模塊的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中,首先進(jìn)行DS18B20溫度傳感器的初始化設(shè)置,判斷溫度檢測(cè)模塊是否已在工作狀態(tài),然后讀取蓄水艙內(nèi)的溫度,轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)通過命令BEH讀取,并送到顯示程序進(jìn)行顯示,與此同時(shí)通過判斷語(yǔ)句來控制加熱棒對(duì)水溫進(jìn)行加熱、恒溫保持或散熱降溫的操作。
為了實(shí)現(xiàn)易拆卸安裝的功能,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用繼電器控制電路,分別控制加熱、水溫中和及散熱降溫等功能,以完成艙內(nèi)溫度的準(zhǔn)確控制。當(dāng)主控芯片STM32F103 C8T6接收到來自用戶下達(dá)的指令后,吸合控制加熱器的繼電器,對(duì)加熱器供電加熱水溫。當(dāng)水溫臨近目標(biāo)溫度時(shí)吸合控制攪拌扇葉的繼電器,令艙內(nèi)整體水溫一致,水溫達(dá)到用戶要求后利用芯片內(nèi)寫入的PID算法,對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,保持水溫恒定。若輸入目標(biāo)水溫低于當(dāng)前溫度時(shí),主控芯片通過吸合控制散熱器的繼電器,使散熱扇葉工作,達(dá)到快速散熱降溫功能。當(dāng)蓄水艙內(nèi)溫度達(dá)到用戶目標(biāo)溫度后,再次利用PID算法對(duì)溫度達(dá)到實(shí)時(shí)控制。
系統(tǒng)中使用繼電器的實(shí)際電路如圖2所示,其中選用NPN型三極管利用三極管開關(guān)電路作為開關(guān)使用,當(dāng)基極端為高電平時(shí)集電極與發(fā)射極導(dǎo)通,進(jìn)而使繼電器內(nèi)部線圈發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象,使繼電器由常閉端吸合至常開端。因?yàn)橹恍枰诠ぷ鲿r(shí)給加熱器等上電,所以繼電器選擇常開端,且為防止繼電器斷電后線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)擊穿三極管進(jìn)而損壞其它電路,在繼電器外部反向并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。
圖2 繼電器控制電路
(1)攪拌電機(jī)的控制:當(dāng)溫度臨近目標(biāo)時(shí),控制攪拌電機(jī)的繼電器接收主控芯片指令、開始工作,使蓄水艙內(nèi)各處溫度達(dá)到一致。
(2)加熱棒的控制:當(dāng)用戶通過藍(lán)牙將需要的溫度信號(hào)傳回主控制器時(shí),將目標(biāo)溫度與實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行比較,若低于當(dāng)前溫度,吸合控制加熱器的繼電器,對(duì)加熱器供電,加熱水溫。若高于目前溫度,則將信號(hào)傳達(dá)給控制風(fēng)扇的繼電器,令風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)水溫進(jìn)行降溫。當(dāng)達(dá)到指定溫度后啟動(dòng)控制攪拌電機(jī)的繼電器,當(dāng)水溫達(dá)到用戶要求后利用芯片內(nèi)寫入的PID算法,對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,保持水溫恒定。
(3)風(fēng)扇降溫的控制:當(dāng)模塊接收到主控芯片降溫指令后,控制風(fēng)扇的繼電器開始工作,起到降溫作用。當(dāng)達(dá)到指定溫度后,啟動(dòng)控制攪拌電機(jī)的繼電器,并利用芯片內(nèi)寫入的PID算法,動(dòng)態(tài)的吸合控制加熱器的繼電器,對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,保持水溫恒定。
此設(shè)備在運(yùn)行過程中有許多參數(shù),如語(yǔ)音信號(hào)、移動(dòng)端APP與設(shè)備的通信信號(hào)、蓄水艙內(nèi)水量等,對(duì)這些參數(shù)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的接收及主控所做出的相應(yīng)反應(yīng),我們?cè)O(shè)計(jì)此套設(shè)備基于STM32F103芯片,具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力,處理速度較快,能實(shí)時(shí)的接收、掌控各個(gè)模塊的數(shù)據(jù),使整個(gè)系統(tǒng)能夠有條不紊的工作。主控芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)水溫,并通過編程寫入的算法對(duì)控制加熱器的繼電器的開合達(dá)到精準(zhǔn)控制,以保證水溫能在要求范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化,系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。在外部通信系統(tǒng)中,主控芯片通過串口對(duì)語(yǔ)音模塊接收并發(fā)送的信息進(jìn)行分析,對(duì)于不同指令做出不同的處理動(dòng)作,并在艙內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)做出語(yǔ)音提醒,同時(shí)通過藍(lán)將信息第一時(shí)間傳送到用戶移動(dòng)端APP中,串口通信子程序的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
圖3 程序設(shè)計(jì)總流程圖
圖4 串口通訊子程序設(shè)計(jì)流程圖
本套智能水溫控制系統(tǒng)采用STM32芯片作為主控芯片,并采取語(yǔ)音識(shí)別和藍(lán)牙通信模塊,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、準(zhǔn)確的水溫控制功能,并能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過多方式、高效、智能的方式傳輸給用戶。本系統(tǒng)所采用的語(yǔ)音控制功能和手機(jī)APP藍(lán)牙通信功能,提升了用戶操作的便捷性,為用戶提供了更大的操作自由度和良好的使用體驗(yàn),具有良好的應(yīng)用前景。