周家奇

(湖南科技學(xué)院 智能制造學(xué)院,湖南 永州 425199)

0 引言

隨著社會(huì)生產(chǎn)生活的需要,恒溫器成為人們必不可少的部分。恒溫器,也就是溫控器,是根據(jù)工作環(huán)境的溫度變化,在開關(guān)內(nèi)部發(fā)生物理形變,從而產(chǎn)生某些特殊效應(yīng),產(chǎn)生導(dǎo)通或者斷開動(dòng)作的一系列自動(dòng)控制元件,也叫溫控開關(guān)、溫度保護(hù)器、溫度控制器,簡(jiǎn)稱溫控器[1-2],或是通過溫度保護(hù)器將溫度傳到溫度控制器,溫度控制器發(fā)出開關(guān)命令,從而控制設(shè)備的運(yùn)行以達(dá)到理想的溫度及節(jié)能效果。在歐洲絕大多情況下溫控器是壁掛爐必配件,兩者是一配一同時(shí)交付用戶的,而且配備的溫控器大多是智能型溫控器。在國(guó)內(nèi),已安裝在運(yùn)行和正在安裝調(diào)試準(zhǔn)備投入使用的壁掛爐近95%是沒有先行配備任何形式的簡(jiǎn)易或智能型的溫控器[3]。而房間采暖系統(tǒng)中配備溫控器尤其是智能溫控器,是節(jié)能采暖綜合體系中一個(gè)極為突出的環(huán)節(jié)。智能溫控器在國(guó)內(nèi)還是一個(gè)增長(zhǎng)潛力巨大的市場(chǎng),國(guó)外靠溫控器起家的Nest,2014年被科技巨頭谷歌以 32 億美金天價(jià)收購(gòu)[4]。

1 需求分析

恒溫器是家庭或樓宇自動(dòng)化應(yīng)用,其自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度,或當(dāng)溫度達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)激活設(shè)備。隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的出現(xiàn),智能恒溫器的全新市場(chǎng)開啟。智能恒溫器不僅通過移動(dòng)應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和編程,而且還了解并適應(yīng)用戶的日常生活,并向用戶提供能耗數(shù)據(jù),以查看使用模式并進(jìn)行調(diào)整,以顯著節(jié)省能源費(fèi)用。筆者選擇了智能恒溫器終端應(yīng)用程序,因?yàn)樗婕安煌?jí)別的細(xì)節(jié)和復(fù)雜性,同時(shí)仍處理基本的MCU特性和功能。智能恒溫器應(yīng)用的基本構(gòu)件包括傳感、處理、用戶界面和無線連接,并且設(shè)計(jì)這些組件需要多個(gè)MCU功能之間的交互。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

首先選擇BME BME280,輸出信號(hào)數(shù)字信號(hào)。電源為3.3~5.5 V DC,U1電源HLK-PM01。D1整流二極管型整流器,包Melf DO-213 AB 〔SMD〕部分#1N4001。D2整流二極管型整流器,包Melf DO-213 AB 〔SMD〕部分#1N4001。Q1 PNP-晶體管型PNP,封裝SOT-23 〔SMD〕部分#2N2222。Q2 PNP-晶體管型PNP;封裝SOT-23 〔SMD〕部件號(hào)#2N2222。R11.2 kΩ電阻公差±5%,包1206 〔SMD〕,電阻1.2 kΩ,R21.2 kΩ電阻公差±5%,包1206 〔SMD〕,電阻1.2 kΩ,J1 RaspberryPi零點(diǎn)或零點(diǎn)W任何版本。

其次,PCB準(zhǔn)備。所需工具為:3 mm鉆頭、鉗子、剪線器、機(jī)械準(zhǔn)備。為了節(jié)省空間,需要通過移除黑色凸出相機(jī)連接器的塑料鎖力。首先用手拉一邊,然后用另一個(gè)拉出。為了便于用提供的螺釘和螺母裝配殼體,建議使用3 mm的鉆頭清理4 RaspberryPi上的孔。

最后,焊接訂單。如果您的RaspberryPi帶有預(yù)先焊接的標(biāo)題,則需要?jiǎng)h除最后的4(2和2)位置。在底部添加一些焊料并輕輕推入,無須完全取下銷釘。只需確保它不會(huì)突出并平放在HestiaPi PCB上。使用面向GPIO引腳的按鈕向上焊接RaspberryPi上RUN引腳中的復(fù)位按鈕。它可能觸摸兩個(gè)GPIO引腳,但這不會(huì)影響任何東西。它有2.5 mm的間距,而RUN的引腳是2.54 mm,所以可能有點(diǎn)緊。小心不要彎曲腿。從左側(cè)的RaspberryPi引腳1開始焊接公2×18引腳接頭,在右側(cè)留下4針空間,以便按下復(fù)位按鈕。特別注意正確的焊接溫度,以便在引腳上留下最少的焊料。底部的引腳也需要通過PCB進(jìn)入,所以如果使用過多的焊料,它們就不適合。從引腳1開始對(duì)準(zhǔn)PCB和RaspberryPi,并且已經(jīng)焊接了公頭。確保PCB的4個(gè)固定孔與RaspberryPi的4個(gè)固定孔對(duì)齊。緊緊按住它們直到在左端焊接4個(gè)引腳并在右邊焊接4個(gè)引腳。然后焊接其余部分。最好按此順序焊接接線端子,電源和繼電器。如果設(shè)計(jì)的外殼并且空間充足,請(qǐng)?jiān)赑CB(標(biāo)有BME)和BME傳感器上焊接2個(gè)1×4母接頭。否則,將杜邦1×4導(dǎo)線直接彎曲并焊接到PCB和BME傳感器上。VIN至+,GND至 - ,SCL至SCL和SDA至SDA。六角形外殼底部有一個(gè)緊密的傳感器隔間,有些人因意外停止溫度讀數(shù)而將連接器拉開。如果無法控制主電源,即在安裝過程中將其關(guān)閉,筆者建議是將SD卡和LCD關(guān)閉,連接所有4根電線(空至N,線對(duì)L,水對(duì)W和加熱到H ),部分(未完全)插入SD并完成外殼安裝,并將LCD連接到蓋子上。完成所有操作后,從機(jī)箱外部首先將SD推入(它沒有鎖定到位),然后插入非金屬工具并按下重置按鈕。HestiaPi將啟動(dòng)并在大約10~15秒內(nèi)LCD將顯示一些啟動(dòng)消息。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

為了方便新用戶,HestiaPi為SD卡提供了可立即刻錄的圖像文件。準(zhǔn)備新的SD卡。使用圖像寫入工具將其安裝到SD卡上。不能簡(jiǎn)單地復(fù)制粘貼它。如果下載了ZIP版本,請(qǐng)?jiān)谙乱徊街跋冉鈮嚎s.img文件。

首次啟首先將HestiaPi的案例修復(fù)到墻上。如果只想在提交之前測(cè)試HestiaPi,請(qǐng)先連接LCD,然后將Micro USB線插入Pi端口。將MicroSD卡插回Raspberry Pi 。只需將其推入即可。它不會(huì)點(diǎn)擊。它沒有鎖定到位。在施加電源電壓之前采取一切必要的預(yù)防措施,以便立即切斷電源。連接加熱、冷卻、風(fēng)扇和熱水(取決于型號(hào))接線盒頂部觸點(diǎn)上的控制線。連接底部觸點(diǎn)上的電源線,標(biāo)記為L(zhǎng)和N。將傳感器放在蓋子的底部隔室并安裝4垂直切口中的電線。如果不能切斷電纜的電源,就有可能在液晶顯示器之前啟動(dòng)HestiaPi已連接。筆者建議在施加電源電壓之前將SD卡取出,并在即將關(guān)閉外殼之前,插入但不要重新啟動(dòng)。它不應(yīng)該啟動(dòng)。使用長(zhǎng)的東西像螺絲刀但不導(dǎo)電并按下復(fù)位按鈕。在某些型號(hào)中,它位于LCD連接器的右側(cè)朝上。使用別針或回形針一次推動(dòng)每一面,但要輕柔。只需要2~3 mm的推力即可釋放它們。這是一個(gè)3D打印的外殼,而不是超級(jí)靈活的ABS。很快就會(huì)看到HestiaPi啟動(dòng)順序和最后的加載屏幕倒計(jì)時(shí)。

2.3 系統(tǒng)測(cè)試部分

按照上述硬件和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以后,智能控制模塊將測(cè)量的溫度值進(jìn)行處理后,通過網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)發(fā)布到LON總線上,交上位機(jī)進(jìn)行處理和監(jiān)控,同時(shí)根據(jù)程序預(yù)先編制的控制算法得出控制量,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成0~5 V電壓信號(hào)或4~20 mA電流信號(hào)輸出至可控硅調(diào)功器,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)控制。結(jié)果證明,該智能恒溫器能按照預(yù)期設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)全部功能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能恒溫器。雖然在設(shè)計(jì)電路的過程中遇到了許多阻礙,但是本課題組通過查閱大量的資料,不斷進(jìn)行改進(jìn)智能恒溫器,最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。