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本作品为第二届立创商城电子制作节30强入围作品,作者立创社区ID:歪歪;转载请注明出处,未经允许不得用作商业用途。作品原链接:http://club.szlcsc.com/article/details_4547_1.html。
一、作品简介
1.作品简介
本作品为一款家用、商用、工业用智能空调;具有来电启动、温度自动控制、湿度自动控制、周期控制、通断电控制的等多钟控制功能;具有电压、电流、功率、电量检测统计功能;采用红外码学习、发射控制方式;通信方面具有以太网、RS485、WIFI、ZIGBEE等4种通信方式,使用不同的监控场合;具有LCD屏幕显示,可显示实时温湿度、电量参数、通信状态等;采用标准MODBUS通信协议,可通过专业软件或手机APP控制空调的开启、关闭、设定温度等;本产品为工业产品设计,具备很好的EMC防护性能能,可应用于小型的机房、仓库、基站、学校教室、办公室等场合的民用空调监控,可有效发挥空调的制冷控制作用,有可避免制冷温度过低、人员离场后忘记关闭空调等情况造成的能源浪费,起到节能减排作用。
2. 功能特点
2.1. 内置高精度温湿度采集,可采集现场温度和湿度,数值准确、反应迅速。
2.2. 内置红外发射管,无需外接发射延长线,现场基本可实现零布线。同时保留外部红外接口,适应更多场合;
2.3. 采用红外学码控制方式,兼容市面上绝大部分空调。
2.4. 支持来电启动功能,市电恢复供电后,可及时打开空调。
2.5. 支持温度控制、湿度控制、周期控制等多钟自动控制方式,适用于有人无人值守机房、基站、仓库场合的空调自动控制。
2.6. 具有空调电能统计功能,可统计出空调的用电情况,通过进行用电对比,找出合理的用电方案。
2.7. 具有DI输入接口,可接入红外探头、门磁等,适用于酒店、教室等,在有人的情况下才允许开门,当人离开后如果忘记关闭空调,则控制器主动关闭空调;同时在门窗未关好的情况下,不允许打开空调,避免没必要的电力浪费。
2.8. 内置大功率继电器,可控制空调的市电供给。使得空调关机时的待机功率降低为零;也适用于类似学校宿舍等需要强制断电的场合。
2.9. 空调开关机状态监测功能,当空调运行异常时,可及时提醒用户,安排空调的维修、维护工作,确保系统可靠运作。
2.10. 具有告警联动接口,可现场声光告警,也可以联动输出到其它监控主机。
2.11. 提供RS485通信方式,适用于现场需要接入监控主机或者PC机的场合。
2.12. 提供LAN通信方式,可快速接入局域网,实现远程集中监控。
3. 技术参数
3.1. 电压输入范围:
a) 数量:1个
b) 额定电压:AC220V,范围:AC85V~AC260V
c) 物理接口:3位9.5mm间距黑色绿色端子
d) SURGE:4KV;EFT:4KV;ESD:空气8KV,接触6KV
3.2. RS485接口:
a) 数量:1个
b) 接口速率:2400~19200bps,默认9600bps
c) 物理接口:3.81mm绿色端子
d) SURGE:4KV;EFT:4KV;ESD:空气8KV,接触6KV
3.3. LAN接口:
a) 数量:1个
b) 接口速率:10/100-Based
c) 物理接口:RJ45
d) SURGE:4KV;EFT:4KV;ESD:空气8KV,接触6KV
e) 电气隔离:1500V
3.4. WIFI通信:
a) 数量:1个
b) 无线标准:802.11 b/g/n
c) 频率范围:2.4GHz-2.5GHz (2400M-2483.5M)
d) 输出功率:21.5dBm
3.5. ZIGBEE通信
a) 数量:1个
b) 频率范围:2.4~2.525GHZ
c) 发射功率 :26.5dBm
d) 接收灵敏度:-85dBm
3.6. 红外发射
a) 数量:2(1只内置;1只外置)
b) 物理接口(外接):3.81mm绿色端子
c) 频率:38KHZ
d) 发射距离:10m
3.7. 红外接收
a) 数量:1
b) 频率:38KHZ
3.8. 开关量输入
a) 数量:1
b) 接口类型:干接点
c) 物理接口:绿色端子
d) SURGE:4KV;EFT:4KV;ESD:空气8KV,接触6KV
3.9. 开关量输出:
a) 数量:1
b) 接口类型:继电器
c) 负载能力:0.5A/125VAC
d) 隔离电压:1500V
e) 物理接口:绿色端子
f) SURGE:4KV;EFT:4KV;ESD:空气8KV,接触6KV
3.10. 功耗
a) 小于<0.5W
3.11. 温度测量
a) 测量范围:-20~80℃
b) 精度:±0.3℃(-10~70℃)
c) 响应时间:5S
3.12. 湿度测量
a) 测量范围:0~100%RH
b) 精度:±3%RH(20~80%RH)
c) 响应时间:8S
4. 作品外观
0)先来个现场测试图
1)主板+ZIGBEE模块图片
2)主板+WIFI图片
3) LCD键盘PCBA图片
4)ZIGBEE网关PCBA图片
5))3D打印的外壳
外壳是用CREO设计的,不太熟悉CREO这个软件,边用边学,全部是在一块立方实体上通过拉伸挖出来的外壳,这个过程很痛苦,但是东西出来后感觉还可以,呵呵。
外壳包括4个部分,底盖、上盖、面板、按键帽、亚克力镜面。上盖用于安装电路板;底盖用来配合上盖密封住电路板;面板是在完成安装布线后,封住这个设备,看不到内部走线,漂亮些。按键帽就是按键帽,不用说了;亚克力镜面用来保护LCD屏幕,并且可以让产品看起来大气些,但是打样费太贵了,就没打样了,很无奈呀。
6)上位机软件图片
上位机是本人用VS2013写的小程序,本人是搞硬件的,软件确实不在行,将就用用。功能说明:
①通信方式可是使用串口,主要应用在RS485通信的场合;也可以使用TCP连接,应用在WIFI连接或者使用ZIGBEE网关的场合。
②可以从设备导入、导出红外编码,适用于多个项目使用同一种类型空调的情况,不需要每次都学码。
③支持在线升级ISP功能。
④可配置来电启动、温度控制、湿度控制、上下限阈值等空调运行参数。
⑤可实时显示设备的各种运行状态和相关事件。
⑥可通过软件学码或者发码遥控空调。
5.作品的研究背景、目的和功能、市场应用前景;
2012年8月6日,国务院以国发〔2012〕40号印发《节能减排“十二五”规划》。该《规划》分现状与形势,指导思想、基本原则和主要目标,主要任务,节能减排重点工程,保障措施,规划实施6部分。空调在的众多应用场合中,不论是家用的还是商用的,甚至是工业场合中,其在电力运行成本比例中占据了很大的一部分,可以称为电老虎,如若有效、合理的管理空调的运行状态,对节能减排能起到很大的效果。以此为背景,本空调控制器本着合理控制空调达到节能减排的目的而应运而生,支持温度控制、定时控制、能耗统计等功能,适用于家庭、仓库、办公室、学校、机房等应用场合。
纵观智能空调在中国的发展,从市场普及的定频空调、变频空调,到代表未来趋势的高端智能空调,国内空调市场已悄然拉开新一轮的智能产品差异化升级战。经过多年的技术积累和沉淀,智能空调在国内市场已获得了在产品、技术等环节上的爆发力量。除甲醛、除PM2.5、空气过滤等空气调节功能、智能健康技术也正在日趋强大,智能空调已经慢慢的普及化。而已经投到市场投入使用的非智能空调,通过本产品之后,可快速的升级到智能空调,具有很大的市场前景。
6.作品在创新性、趣味性、实用性甚至公益性方面,有哪些亮点可体现?
本作品安装简单、使用方便,轻轻松松完成非智能空调的智能化,通过合理控制温度、湿度,达到节能减排的目的。对于一些无人值守的机房、仓库、基站,一方面可以进行温度控制达到节能的目的,延长空调的使用寿命;另一方面可以通过以太网、无线等多钟组网方式进行实时集中监控,确保现场环境温度运行在设定范围内,有效保护现场运行的设备、货物等等。
二、系统构架图
1. 系统有三大模块组成:
1)主板,主要功能是:AC220转5V隔离电源;AC220输出给空调;电能计量电路;以太网通信;RS485通信;数字量输入;数字量输出;红外编解码;数据存储等
2)人机界面板:包括LCD显示屏、键盘、LED指示灯;为了方便发射红外和接收红外,在这里放了1通道红外发射以及红外接收;在大部分场合用户无需外接红外发射二极管接口控制空调;
3) 无线通信模组接口:本项目支持WIFI无线通信和ZIGBEE无线通信,统一采用UART+GPIO方式通信和控制。
2. 系统整体框图:
3. 主板拓扑框图
三、硬件部分的描述
(所有电路图详见原帖:http://club.szlcsc.com/article/details_4547_1.html)
1. 电源电路图
说明:
1)AC/DC采用LNK306DN;可输出350mA电流,满足系统的要求。
2)防雷设计
3)电能统计采用HLW8012;单相电能计量芯片,可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值。
4) 电源通断控制器采用HF115F-L/5;最大控制电路16A,满足民用空调的电流通流量。
5)DC/DC隔离电源采用NN1-05S05S模块,隔离市电,确保使用安全。
6)3.3V电源采用XC6203E332MR;最大驱动电流440mA
2. CPU电路(保密,无法提供原理图):
1)CPU采用STM32F103RB;CPU运行速度72MH,FLASH 128KB,RAM 20KB
2)FLASH采用SST25V016B芯片,最大存储容量为16Mb;用于存储红外编码和系统历史事件、历史数据。
3)温湿度采集采用SHT20芯片,温度精度:0.3°,湿度精度:3%RH;
4)内置3V电池给RTC供电,用于实现系统时间;应用在定时开关空调的场合。
5)蜂鸣器用于提醒空调异常,例如无法控制;用于提醒用户的学码结果,长鸣2秒代表学习成功,短促3次则代表学习失败;
6)DI/DO电路。
3. RS485电路图
1)采用工业级MAX485EESA作为驱动IC。
2)防雷、EFT、静电设计
4. 以太网电路图
1)采用W5500作为网络接口IC,W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器,为嵌入式系统提供了更加简易的互联网连接方案。W5500集成了TCP/IP协议栈,10/100M以太网数据链路层(MAC)及物理层(PHY)。
2)采用HR871181A作为RJ45接口,HR871181A集成了以太网变压器和RJ45接口,可以大大减少PCB的占用面积。
5. 无线接口电路图
无线接口采用UART通信方式,以CC2530模组作为设计原形,如果使用WIFI模组,因为WIFI模组与接口定义不一致,需在WIFI模组上增加转接板。
6. ZIGBEE模组电路图
1) 采用CC2530作为主处理器;
2)采用RFX2401C作为PA。
3)在红树林实测,通信距离1.5km(稳定),极限2.0km(丢包)。通信距离和布线、阻抗有关,有技术含量。
4) 使用TI Z-Stack Home 1.2.2a版本的协议栈。
7. WIFI底板
1) 主板为了能同时兼容ZIGBEE和WIFI,使用同一个接口,而WIFI模组采用的是ESP-12S,明显引脚不兼容,所以,不得不设计了一个转接底板。
2) WIFI模组采用了ESP-12S(吐槽一下厂家的技术支持,很弱)。模块核心处理器 ESP8266 在较小尺寸封装中集成了业界领先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU,带有 16 位精简模式,主频支持 80 MHz 和 160 MHz,支持 RTOS,集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA,板载天线。支持标准的 IEEE802.11 b/g/n 协议,完整的 TCP/IP 协议栈。用户可以使用该模块为现有的设备添加联网功能,也可以构建独立的网络控制器。
8. ZIGBEE网关电路
为了配合ZIGBEE通信,还需要一个ZIGBEE集中器(网关),因为这个集中器不是在本制作节开发的,就不在这里贴图了,系统组成如下:
1. 模组采用本帖上述第6点描述的模组。
2. CPU采用STM32F107VBT6,72MHZ处理器, 128KB FLASH, 64KB RAM,关键是集成成MAC,可以轻松实现以太网功能。(为什么不适用W5500?因为W5500的端口有限,只有8个)
3. PHY采用RTL8021BL,很便宜,很好用。
9. LCD人机界面电路
1. 采用字段式TN LCD屏幕,显示直观、简单,成本低,适合量产。
2. 采用HT1621作为驱动IC,记得使用LQFP48封装的,价格较低,且可以使用嘉立创STM加工哦,我就是用嘉立创SMT,省了不少功夫。
3. 采用IRM-H638T作为红外接收模组。
4. 采用IR333C作为红外发射二极管。
5. 有LED指示灯,包括电源指示灯,运行指示灯(空调状态指示灯)。
6. 共4个按键,包括:菜单、上(加)、下(减)、确定。
10. 相关PCB设计图
1) 主板
2)LCD
3) ZIGBEE模块
四、材料清单(BOM列表)
1. M3处理器: STM32F103RBT6, www.szlcsc.com/product/details_9244.html
2. M3处理器: STM32F107VCT6, www.szlcsc.com/product/details_8807.html
3. 51处理器: CC2530F256RHAT , www.szlcsc.com/product/details_9643.html
4. 以太网PHY:RTL8201BL, www.szlcsc.com/product/details_10553.html
5. SPI FLASH:SST25VF016B, www.szlcsc.com/product/details_87481.html
6. 以太网集成IC:W5500, www.szlcsc.com/product/details_33808.html
7. AC-DC电源IC:LNK306DN, www.szlcsc.com/product/details_35286.html
8. 温湿度传感:SHT20, www.szlcsc.com/product/details_54881.html
9. 线性电源IC:XC6201P332MR, www.szlcsc.com/product/details_30158.html
10. 网络模组:HR871181A, www.szlcsc.com/product/details_50320.html
11. RS485通信IC:MAX485EESA, www.szlcsc.com/product/details_24227.html
12. 电能计量IC:HLW8012, www.szlcsc.com/product/details_84970.html
13. 电机驱动IC:TC117HS, www.szlcsc.com/product/details_83898.html
14. 继电器:HFD4/5, www.szlcsc.com/product/details_24246.html
15. 红外接收IC:IRM-H638T, www.szlcsc.com/product/details_92636.html
五、软件部分的描述
1. 软件流程图
2. 38K红外编码载波初始化程序
void TIM1_Configuration(void){ TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE); //tim1 /* Time Base configuration */ TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 210; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); /* Channel 1, 2,3 and 4 Configuration in PWM mode */ TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Disable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = TIM1_CCR1_Val; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High; TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set; TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset; TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); /* TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = TIM1_CCR2_Val; TIM_OC2Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = TIM1_CCR3_Val; TIM_OC3Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = TIM1_CCR4_Val; TIM_OC4Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); */ /* TIM1 counter enable */ TIM_Cmd(TIM1, DISABLE); /* TIM1 Main Output Enable */ TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, DISABLE); }
3. ESP-12S程序、W5500程序、HLW8012电能统计等程序在立创社区或网上都有例程,不在这里贴出。
4. 键盘、显示、GPIO等常规程序,没必要贴出。
六、总结
1) 接入市电的设备要特别主机EFT,特别是需要接入电机等感性负载的时候,否则容易烧毁电路。例如本设备的HLW8012就烧毁了一次,初步判定是EFT造成的,下一个版本改善。
2)本人对手机APP一概不同,所以APP没有实现;如果有APP的话,评分应该会高些,可玩性也会高些。
3)WEB Server比较耗精力,所以也就没有去实现,计划下一阶段完成。
4)设备内部有AC/DC电源,发热量较大,W5500发热量也较大,一定程度上使得温度比实际值偏高0.5度~1度。下一阶段改善外壳的通风设计,以及电路板的隔热设计。
5) WIFI的通信延时很明显,原因尚未找出,下一阶段处理。
6)关于红外学码,实际上本系统的学码并非真正的“学”,而是“复制”,做到真正的学码需要投入我个认为很大的时间和精力,才能实现真正的“学习”市面所有的空调,这不是一两个月能完成得了的。
TMS320F28335PGFA/单片机(MCU/MPU/SOC) | 53.91 | |
TPS5430DDAR/DC-DC电源芯片 | 1.63 | |
ADUM4160BRWZ-RL/隔离式USB芯片 | 23.5 | |
TPS54331DR/DC-DC电源芯片 | 0.839 | |
TMS320F28027PTT/单片机(MCU/MPU/SOC) | 12.65 | |
OP2177ARZ-REEL7/运算放大器 | 7.71 | |
MAX3232EUE+T/RS232芯片 | 6.55 | |
XTR111AIDGQR/ADC/DAC-专用型 | 3.35 | |
AM26C31IDR/缓冲器/驱动器/收发器 | 1.57 | |
ADR4525BRZ-R7/电压基准芯片 | 23.03 |
50万+现货SKU
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