楊智顯，胡安杰，劉東

（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621010）

隨著社會(huì)發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)人體舒適度的要求也越來越高。而體感溫度又是人體舒適度中的重要一環(huán)[1]，但在具體應(yīng)用時(shí)，計(jì)算方法卻不盡相同，沒有統(tǒng)一的指標(biāo)[2]。為此，提出了一種房間內(nèi)平均溫度作為體感溫度的控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩聯(lián)供系統(tǒng)的控制。采用熱敏電阻器NTC（10 kΩ）測(cè)溫[3]，再通過處理器自帶的AD 轉(zhuǎn)換將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字量[4-6]。整個(gè)系統(tǒng)以STM32F103C8T6 單片機(jī)為核心來完成數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和監(jiān)控[7]，采用RS485 完成主控器與溫控器之間的通信[8]，完成了對(duì)風(fēng)機(jī)盤管、地暖的溫度控制，風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)速控制，地暖的進(jìn)水控制以及露點(diǎn)溫度檢測(cè)和三通合流閥混水溫度的調(diào)控等功能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于STM32 的冷暖兩聯(lián)供控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示，溫控器和主控器的相同設(shè)計(jì)部分包括完成控制與信號(hào)處理的STM32 單片機(jī)模塊、為系統(tǒng)供電的電源模塊、進(jìn)行溫度測(cè)量的溫度探頭模塊、完成相應(yīng)空調(diào)末端啟停控制的繼電器模塊以及兩者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的RS485 通信模塊。兩塊控制器的不同設(shè)計(jì)模塊分別是溫控器包含對(duì)溫度、功能模式進(jìn)行設(shè)置的按鍵模塊以及進(jìn)行溫濕度檢測(cè)的溫濕度檢測(cè)模塊。主控器包含對(duì)地暖管水溫調(diào)控的三通閥模塊。系統(tǒng)的主要工作流程：系統(tǒng)在供電狀態(tài)下，使用者根據(jù)需求通過獨(dú)立按鍵對(duì)單片機(jī)發(fā)送指令，溫控器根據(jù)按鍵所對(duì)應(yīng)的工作模式，判斷當(dāng)前實(shí)際溫度是否在設(shè)定溫度內(nèi)，假設(shè)不在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，則STM32 發(fā)送指令控制實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)盤管和地暖這兩個(gè)空調(diào)末端的繼電器工作，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控、功能顯示、房間內(nèi)溫濕度的檢測(cè)以及通過對(duì)繼電器的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)速調(diào)控。主控器的功能：一是根據(jù)溫控器的啟停狀態(tài)去控制主機(jī)啟停，二是根據(jù)露點(diǎn)溫度必須低于水溫1～2 ℃的條件，控制三通合流閥的開度大小實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。最后采用RS485 完成兩者間的數(shù)據(jù)交互、功能聯(lián)動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

主控芯片采用STM32F103C8T6 單片機(jī)，STM32系列單片機(jī)具有高性能、高速率、低成本、低功耗、高集成度、工具易用、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品量產(chǎn)化等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用[9]，且具有ADC、串口通信、PWM 輸出和按鍵檢測(cè)功能，支持外圍設(shè)備DMA、溫度傳感器等[10]，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2 電源模塊電路設(shè)計(jì)

電源模塊的功能是為整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行供電。供電部分的輸入使用的市電220 V，因此為滿足繼電器的12 V 供電與三通閥的24 V 供電，采用了HLK-10M12 和HLK-20M24 將電壓穩(wěn)定在12 V 和24 V。其余模塊以及控制芯片STM32 所需的5 V 和3.3 V 電壓采用了MP1584[11]和AMS1117-3.3V 穩(wěn)壓器，可將市電降壓后的12 V 與24 V 電壓穩(wěn)定在5 V 及3.3 V，且保證了電流輸出。MP1584 的輸出電壓關(guān)系如式（1）所示。

其中，Vout為5 V 的輸出電壓，VFB為0.8 V，R16、R20為分壓電阻，阻值分別為210、40.2 kΩ。

因此，根據(jù)整個(gè)電路的供電需求，電源模塊電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 電源模塊設(shè)計(jì)原理圖

2.3 溫度探頭模塊電路設(shè)計(jì)

溫度探頭主要功能是用于測(cè)量水管中的水溫以及確定體感溫度，采用的是NTC 熱敏溫度傳感器探頭。測(cè)溫原理如下，NTC 熱敏電阻[3]（P1 座子外接）和精密電阻R29組成一個(gè)串聯(lián)分壓電路，通過分壓公式（2）可以計(jì)算得出溫度探頭當(dāng)前ADC通道電壓值。

其中，VADC為ADC 通道的電壓值，Vcc為溫度探頭的供電電壓，取值為3.3 V，R29為分壓電阻，阻值為4.7 kΩ，R探頭為溫度探頭對(duì)應(yīng)的阻值。

再使用STM32 單片機(jī)內(nèi)部自帶的12 位精度的高速ADC[10]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以得到當(dāng)前通道的ADC 值，根據(jù)式（3）可以得到溫度探頭在此刻的電阻值。

其中，X為當(dāng)前單片機(jī)采集到的ADC 值，C為12位單片機(jī)對(duì)應(yīng)的滿量程ADC 值，C=212=4 096，R為分壓電阻，取值為4.7 kΩ，R探頭為溫度探頭對(duì)應(yīng)的阻值。

計(jì)算得出溫度探頭的阻值之后，根據(jù)NTC 數(shù)據(jù)手冊(cè)的阻溫（R-T）映射表，可以得出當(dāng)前阻值對(duì)應(yīng)的空氣溫度，在該系統(tǒng)中，采用Matlab 對(duì)R-T表中的阻值-溫度關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合，得到阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系如式（4）所示。

其中，T為當(dāng)前溫度探頭測(cè)到的空氣溫度，R為當(dāng)前溫度探頭的電阻值，由式（3）計(jì)算得出。

以上是一個(gè)溫度探頭的測(cè)溫原理，在冷暖兩聯(lián)供控制系統(tǒng)中采用的體感溫度即通過兩個(gè)溫度探頭在房間內(nèi)部不同點(diǎn)（如屋頂與墻面）測(cè)得不同的溫度之后，通過式（5）求出兩個(gè)溫度探頭的平均溫度，以此體感溫度作為房間的控制溫度，不再直接采用單個(gè)溫度傳感器測(cè)得的空氣溫度作為控制溫度，這是該系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)空調(diào)控制系統(tǒng)的一種改變。

其中，T為體感溫度，T1為溫度探頭1 測(cè)得的空氣溫度，T2為溫度探頭2 測(cè)得的空氣溫度。

溫度探頭模塊電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 溫度探頭模塊設(shè)計(jì)原理圖

2.4 三通閥模塊電路設(shè)計(jì)

該模塊電路設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入地暖管的混合水的溫度進(jìn)行控制，以保證混合水溫度始終高于露點(diǎn)溫度1～2 ℃。該模塊采用了兩種控制方法，一是通過PWM 改變占空比的方式控制輸出電壓，單片機(jī)的輸出電壓是0～3.3 V，在經(jīng)過運(yùn)算放大電路后，將電壓放大三倍，最終控制電壓為0～10 V，這是電壓控制方式。另外還有電流控制方式，通過采用線性度比較好的精密電流輸出變送器XTR111，輸出4～20 mA 電流控制，在調(diào)試過程中受三通閥硬件限制，最終采用的是電壓控制方式，三通閥模塊電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 三通閥模塊設(shè)計(jì)原理圖

2.5 OLED顯示模塊電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，選用OLED12864 液晶顯示屏作為顯示器件。OLED12864 液晶顯示屏具有自發(fā)光功能且不需要背光源。OLED 顯示模塊具有4 種接口方式，可通過配置該模塊的BS1/BS2 選擇相應(yīng)的接口方式，包括6800、8080的并行接口方式，4線的SPI 和IIC 的串行接口方式。該系統(tǒng)選擇IIC 串行接口，即配置BS1 為1，BS2 為0[12]。其溫控器顯示電路設(shè)計(jì)與主控器顯示電路設(shè)計(jì)一致，因此整個(gè)系統(tǒng)顯示模塊電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 OLED顯示模塊設(shè)計(jì)原理圖

其中溫控器的顯示內(nèi)容主要包括工作模式（制熱、制冷、地暖、制熱+地暖、制冷+地冷）、設(shè)定溫度、體感溫度（兩個(gè)溫度探頭計(jì)算得出的平均溫度）、地暖模式（高效、正常、節(jié)能）以及風(fēng)速的顯示。主控器的主要顯示內(nèi)容包括主機(jī)狀態(tài)、露點(diǎn)溫度、水溫以及三通閥中進(jìn)水管、回水管和混合水管中各自的水溫。

2.6 繼電器模塊電路設(shè)計(jì)

繼電器是一種具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)元器件，大量運(yùn)用于通信、電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制等電子設(shè)備中，是重要的電子控制元器件之一[13]。其主要特性是以小電流控制大電流，通過不同電子元器件和繼電器的組合設(shè)計(jì)，并結(jié)合軟件程序的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的通斷控制[14]。

該系統(tǒng)使用的繼電器采用δ路達(dá)林頓晶體管（ULN2803A）驅(qū)動(dòng)，在繼電器電路設(shè)計(jì)中，ULN2803A的COM 端和繼電器（HK4100F）的VCC 端連接在一起，是為了利用ULN2803A 內(nèi)部的續(xù)流保護(hù)二極管與繼電器內(nèi)部線圈并聯(lián)起來，消除繼電器閉合時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。溫控器模塊中的繼電器模塊采用4 個(gè)輸出回路實(shí)現(xiàn)對(duì)5 個(gè)控制對(duì)象的控制，根據(jù)按鍵模塊切換對(duì)應(yīng)功能，結(jié)合單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器I/O 口的高低電平進(jìn)行變換，最終完成對(duì)控制對(duì)象的功能控制。其電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 繼電器模塊電路設(shè)計(jì)原理圖

2.7 RS485通信模塊電路設(shè)計(jì)

RS485通信模塊采用的通信芯片是MAX485ESA，作用是將RS485差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的TTL電平信號(hào)。RO和DI分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，和DE 分別為接收和發(fā)送的使能端。為邏輯0時(shí)，選通RO，輸出有效，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，選通DI數(shù)據(jù)輸入有效[15]。為了方便控制，通常將、DE 兩腳連在一起。高電平時(shí)，DI 腳的輸入數(shù)據(jù)有效；低電平時(shí)，RO腳的輸出數(shù)據(jù)有效，從而實(shí)現(xiàn)RS485通信[16]。其電路原理圖如圖7所示。

圖7 RS485通信模塊電路設(shè)計(jì)原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)部分使用Keil Uvision5 MDK 軟件來編寫C 語言程序代碼，將編寫生成的代碼產(chǎn)生的.hex 文件通過ST-LINK 燒錄到單片機(jī)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路板的控制[17]。冷暖兩聯(lián)供控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：溫度探頭溫度的讀取與處理，溫濕度傳感器數(shù)據(jù)讀取與處理，風(fēng)機(jī)盤管、地暖與主機(jī)的繼電器通斷控制，OLED 液晶顯示屏數(shù)據(jù)的處理以及三通閥開度大小控制等。其溫控器主程序流程圖如圖8所示。

圖8 溫控器主程序流程圖

圖8 所示的整個(gè)控制流程如下：系統(tǒng)在通電之后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化（包括ADC、串口、485 通信、DHT11、IIC、繼電器以及OLED 顯示屏初始化），初始化之后單片機(jī)首先檢測(cè)按鍵返回值，有返回值表明有按鍵按下，無返回值表示無按鍵按下。在檢測(cè)到按鍵返回值之后，確定按鍵對(duì)應(yīng)的功能。按鍵確定任務(wù)之后，STM32 單片機(jī)通過自帶的高速ADC采集溫度探頭測(cè)到的數(shù)據(jù)，再通過換算將測(cè)得的ADC 值轉(zhuǎn)換為溫度值，得到溫度值之后根據(jù)工作模式，判斷是否執(zhí)行相應(yīng)功能的控制程序。最后單片機(jī)將獲取到的相關(guān)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動(dòng)OLED 液晶屏在對(duì)應(yīng)位置上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)工作任務(wù)直至任務(wù)完成。

4 結(jié)束語

針對(duì)空調(diào)空氣溫度控制時(shí)舒適度不高的問題，基于STM32 設(shè)計(jì)了體感溫度控制的冷暖兩聯(lián)供控制系統(tǒng)。主要對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)盤管、地暖這兩個(gè)空調(diào)末端的智能控制。測(cè)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)各功能模塊能夠成功運(yùn)行，溫度采集迅速、處理準(zhǔn)確，能夠完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

綜上所述，該控制器實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)的智能化控制，提高了空調(diào)末端的溫控水平，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。