基于MSP-430的蓝牙音箱及空气调节器一体化设计

杨浩森，杨智元

（西安航空学院电子工程学院，陕西西安，710000）

0 引言

近年来，随着空气质量逐渐下降，冬季雾霾严重，空气干燥寒冷，容易引发多种呼吸疾病及皮肤问题，极大程度影响到人们的身体健康。当空气湿度达到40%～60%时，人体处于良好状态，与此同时大多公共场所人口密集程度较大，缺少通风，容易出现健康问题。如今市面上产品大多为功能单一产品，如净化器多为过滤式除尘，须定时清理滤芯[1]；加热器易出现加热时间过长引发安全隐患等问题；加湿器则多为水箱和底座直接连接，移动过程中易出现撒漏不便于携带，还存在着“漏电”问题。基于以上问题本文提出了一种多功能净化器设计思路，为避免频繁更换滤芯的麻烦，采用负离子降尘的方式，并提高了工作效率[2]；过热保护强行制冷，解决了在取暖过程中由于加热时间长引发的安全问题；同时为防止漏电现象采用水电分离的设计思路，解决了在使用过程中的安全隐患问题。

考虑到使用主体多为教室等公共场合，增加蓝牙音箱，使用者可通过设备连接蓝牙播放音乐，如瑜伽教室，健身教室可连接蓝牙音箱播放背景音乐。

1 设计原则

■1.1 安全性原则

使用过程中容易出现两种安全问题，第一由于电阻加热时间过长，会因为自身热量过高烫伤使用者，甚至会出现失火现象，保证使用过程安全稳定，在温度过高时需进行降温处理，防止加热电路产生热量影响其他电路出现短路，熔断等现象。第二机体下方底座蓄水存在漏电现象为防止触电需做好水电分离防护处理。

■1.2 方便性原则

当下方便使用，操作简单尤为重要，产品设计时应确保产品便于移动，能使用多种环境及角度。加湿水箱应和机体保证整体性，防止在移动过程中出现漏水；加热、加湿、空气净化、音箱等功能可各自工作，又能同时作用，提供多种选择，根据需求个性化处理各种场景。

2 控制电路

如图1所示的系统结构图，由电源稳定供电支撑其他模块工作，调节器采用MSP430系列芯片作为主控核心，MSP430单片机为16位的单片机，工作温度为–40~+85℃采用了精简指令集（RISC）结构；拥有大量的寄存器及片内数据存储器可支撑多种运算。

图1 系统结构图

调节器功能包括加热，加湿净化，蓝牙音箱，基本工作逻辑为：当接通电源后，单片机初始化，等候命令输入，若无信号输入，430单片机进入低功耗休眠状态，调节器进入待机，当有信号输入时，单片机启动分辨指令信号，当输入为单一信号，则对应模块进行工作，特别的当加湿净化电路工作时首先检测水位，当水位高于最低水位则驱动对应电路工作，若低于最低水位则发出报警。使用蓝牙音箱时，第一次先长按蓝牙按钮进行配对，配对成功后可播放音乐。第二次及以后使用只需启动蓝牙就可以自动连接已配对设备。当输入信号为多指令时，则多个电路同时工作。当输入关机指令后，系统关机，切断电源。

3 功能实现

■3.1 加热功能

3.1.1 加热硬件设计

使用DS18B20温度传感器作为主要温控器件[3]、PTC发热片作为主要加热器件，热阻小，换热效率高，加热不“发红”安全省电。用MSP430连接多个继电器来分别控制PTC加热器[4]。加热器四面镶嵌加热管道使用双“V”字形结构，出风口皆倾斜向上，可通过旋钮调节风页调整出风角度，箱体顶为换气进风通道，也可临时用来放置物品；在烘干衣物时可有效防止水滴落入暖风系统。工作时输入开机指令，通过温控传感器确定加热档位，布置在四周的PTC加热器开始加热，由内部风扇将热风经风道送出达到暖风加热效果。

3.1.2 加热电路

为了提高加热效率，本设计为三级加热功能，由六个继电器控制六个加热器来实现，使用时通过按键在LED屏输入预设温度。用DBS18B20温度传感器测量室温与单片机预设温度进行数据对比。当环境温度与预设温度相差大于15度时单片机控制六路加热器同时工作实现高档位加热，当温差在5度和15之间时四路加热器同时工作实现中档位加热，当温差在5度以内时则两路加热器同时工作实现低档位加热。这种设计安全节能，不但不会引发火灾，而且能够根据不同的温差需求来提供相应的加热等级，大大降低了能量的损耗。

图2 加热电路

3.1.3 防过热电路

为防止加热电路过热，当加热工作达到警戒温度后，单片机控制加热器停止加热，若此时温度过高，风扇吹入冷风冷却铜网，当热度低于警戒温度后，加热电路继续工作，即间接性加热，使温度一直保持在预设温度，来防止加热器件过热引起不必要的灾害，从而实现温度自动控制功能。

■3.2 加湿净化功能

3.2.1 加湿净化原理

加湿系统采用超声波雾化，采用超声波高频震荡的原理，将水雾化为1~5μm的超微粒子，通过风机将雾化的水汽吹出壳体，从而达到加湿空气的效果，接通电源后.开关电源输出36V和12V，输出两路电压36V和12V。其中36V供电水汽雾化模块，12V供电风机，设置缺水指示灯和工作指示灯，当水箱尚未放到底座或储水罐内缺水时，磁铁远离干簧管，干簧管弹开，缺水指示灯亮，工作指示灯灭，超声波发生电路不起振。当水箱加入适量水后，磁铁靠近干簧管，干簧管吸合，同时工作指示灯亮，缺水指示灯灭，电流经干簧管，并送到超声波发生电路，超声波发生电路起振，从而产生雾气，由风机吹出壳体，达到室内加湿空气的效果。

选取数字湿度传感器DHT11测量室内湿度，通过MSP–430单片机读取并与用户在LCD上设置的最佳相对湿度相比较，进而控制加湿，当湿度达到最佳值后停止加湿，防止加湿过度，与负离子发生器同时使用，在加湿的同时可达到降尘的效果，而湿度的增加可加大负离子电场的扩散范围。当环境湿度维持在50%时可极大程度降低感冒等病毒的存活率[5]，起到缓解流感，高血压，并对神经系统，心血管系统起到一定保护作用。加湿器使用时可在水箱中加入食醋或消毒水达到杀菌的效果，也可加入消炎药或板蓝根等药品对预防感冒、改善鼻塞等症状均具有效果；还可以在水中加入薰衣草，玫瑰花精油或各类香水起到增香和帮助改善皮肤，安眠的效果。

3.2.2 负离子作用及发生及净化原理

空气负离子有很强的捕捉漂浮微尘的能力，可使尘埃沉降，微尘直径越小越容易被负离子沉降，如PM2.5，气溶性微尘，细菌等都无法在具有大量负离子浓度的空气中存在，科学研究表明当负离子促进新陈代谢，使血沉减慢，增加红细胞含量，减少肌肉乳酸含量，促进蛋白质代谢，增强免疫力，使病毒失去攻击能力。

由于空气是由多种气体构成，在无外力作用下，各类气体分子稳定呈中性，在直流高压电场作用下，形成高压直流电压，通过负高压尖端放电，将周围空气电离，电离过程中正离子被吸引至负极场，而负离子受到排斥力的作用，离开负极场，形成运动的负电压区，同时在负极上形成稳定放电的区域，在负离子场的带动下，周围空气不断涌入[6]，电离作用不断扩散速度最高可达到0.3~0.5m/s。

负离子发生器由MSP–430单片机主导产生脉冲信号，经过两个串联的三极管模块进行功率驱动，然后加到高频升压变压器上，由变压器的次级感应接近万伏的电压，后经高压硅堆进行整流，在末端接上碳纤维电极，在此处进行电离产生空气负离子。为了增加其产出率可以为其再并联一个同样的负离子发生器，以提高负离子净化能力。

3.2.3 水电分离

传统加湿器，由于水电不分，在底座水槽蓄满水后，存在漏电的安全隐患，而当施加高压电场后危险几率大大增加，所以需进行水电分离，加湿净化系统同时与加热系统隔热处理，与水箱分离位于机体下层，底座通过控制触片给水箱供电，制雾过程在水箱独立完成，加入水位报警当水位过低向MSP430发送低水位信号雾化器停止工作，启动蜂鸣器报警防止干烧。

■3.3 蓝牙音箱播放功能

3.3.1 蓝牙结构

模块安置在下层水箱模块旁边的隔层里，外壳镶嵌钢板音响网罩，AU6210主控芯片连接到430芯片的串行端口，允许430芯片通过蓝牙连接与其他设备通信，以HT6873为主要功放直接驱动扬声器，整体模块占空狭小，传播范围广。HT6873是一款高保真，低EMI的，具有防削顶失真功能的单声道免滤波D类功放，工作电压5V。

3.3.2 蓝牙音箱功能实现

AU6210主控芯片是音频SOC芯片具有32.768kHz晶体，相较于大多为12MHz拥有更低的EMI辐射；HT6873免滤波D功放工作原理如图3所示，使得模块所需功耗达到最小，大大降低了脉冲信号的失真，同时HT6873内置关断功能，可保证待机时电流最小，过流（温）保护，和欠压异常保护等保持了声音的高效稳定传输。蓝牙的连接也改善了传统接线方式的多种不足，使得音箱可以更稳定地输出音频，AU6210可将其中MP3文件送至解码器解码，且支持多设备掉电记忆，方便快捷。

图3 蓝牙电路工作流程图

当单片机输入指令蓝牙音箱工作，首先与设备进项配对连接，连接成功后，主控芯片AU6210工作将音频传输至喇叭上，当喇叭接收到由音源设备输出的电信号时，电流会通过喇叭上的线圈，并产生磁场反应，通过线圈的交变电流，相互吸引（排斥），线圈受到喇叭上磁铁的吸引向后（前）运动，并发出声音。

4 实验

■4.1 功耗测试

在220V/50Hz的工作电压下，加热电路中低档位功率800W，中档功率1200W，高功率2000W；加湿电路功率20W，负离子净化电路功率30W，音箱功率为5W。各系统共同工作时最大功耗约为2100W。MSP430拥有低功耗待机功能，在通电情况下，当各功能关闭其功耗，MSP430通过电流仅为0.68~0.71μA。

■4.2 负离子浓度测试

封闭环境下，在70㎡，90㎡，110㎡空间大小内，负离子浓度随时间变化增加，如表1所示。即在通风或非封闭条件下负离子浓度会低于测量值。

表1 负离子浓度测试

■4.3 温湿度测试

温度测试分别在70㎡，90㎡，110㎡的空间大小内进行测试，当温差处于不同档位下，由不同档位进行加热工作，由表2、3可以看出当小空间室温与设定温度相差不大时，在5分钟左右加热片可加热到预设温度，并持续保温，当大空间室温与设定温度相差较大时也可在15分钟内加热片可加热到预设温度。湿度测试为室温26℃初始相对湿度为47%加湿到50%空间所需时间。

表2 温度测试

表3 湿度测试

5 结论

出于提升空气质量的思考，本文提出了一种基于MSP430单片机的蓝牙音箱及空气调节器一体化设计思路，利用间歇性加热，过热保护，水电分离等技术解决当下加热、加湿器存在的安全隐患，利用负离子净化方式，免除了频繁更换滤芯及滤芯滋生细菌等问题，有利于人体健康。实验表明：当处于70㎡，90㎡，110㎡各空间加湿加热净化各功能都可在预定时间内达到预期效果同时系统基于方便性将各种操作简洁化，一键开启。蓝牙音箱可连接范围约10m，为保证蓝牙音箱的稳定连接，增加音质，信号连接范围，后期将引入蓝牙5.0技术[7]更新蓝牙信箱设备。未来将在此基础上进一步降低功耗，解决“低功耗，大输出”难题，同时增加加湿净化自动停止功能，当达到预设状态后可自动停止加湿或负离子产生。