一、項(xiàng)目功能介紹

本作品是一款放置在家中的智能空調(diào)伴侶，旨在用戶家中傳統(tǒng)的空調(diào)實(shí)現(xiàn)智能控制。智能伴侶以瑞薩R7FA2E1A72DFL作為主控，利用溫濕度傳感器單元、WiFi數(shù)據(jù)傳輸單元、紅外收發(fā)單元、語(yǔ)音單元、LCD顯示單元等進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫濕度采集、實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)、空調(diào)工作狀態(tài)設(shè)置、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)、LCD顯示等功能。

產(chǎn)品具體特性如下：

USB接口，5V，1A供電

2.4寸LCD屏顯示功能，顯示室內(nèi)溫濕度以及室外天氣情況

實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)功能，每半小時(shí)更新一次室外天氣

室內(nèi)溫濕度采集功能，濕度精度±2%，溫度精度±0.5℃

云端功能設(shè)置，可通過(guò)微信小程序?qū)照{(diào)工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置

語(yǔ)音識(shí)別功能，可識(shí)別喚醒詞、天氣預(yù)報(bào)、室內(nèi)濕度、室內(nèi)溫度、空調(diào)溫度增減等關(guān)鍵詞，并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置

語(yǔ)音播報(bào)功能，可播報(bào)當(dāng)前室內(nèi)溫濕度以及天氣情況

更多特性演示可以參考下方視頻。

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本項(xiàng)目硬件部分100%使用立創(chuàng)EDA進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目軟件、硬件完全開(kāi)源，可以瀏覽、下載本項(xiàng)目資源，或在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，但是禁止未授權(quán)的商用。

二、開(kāi)源協(xié)議

該項(xiàng)目開(kāi)源協(xié)議使用GPL3.0

三、硬件部分

系統(tǒng)整體方案

本作品是基于瑞薩R7FA2E1A72DFL微控制器作為主控制器。整個(gè)系統(tǒng)分為7個(gè)單元，分別為供電單元、主控單元、傳感器采集單元、WiFi數(shù)據(jù)傳輸單元、語(yǔ)音處理單元、顯示單元以及控制輸出單元。

具體方案框圖如下所示：

各單元詳細(xì)介紹如下：

1供電單元

原理圖如下：

如上原理圖所示，供電單元采用micro usb作為供電接口輸入5V電壓，采用AMS1117-3.3 LOD作為5V轉(zhuǎn)3.3V電源使用。由于該USB接口為常用電源插拔口，為了安全增加USB專用ESD芯片USBLC6-2P6，防止插拔過(guò)程中產(chǎn)生靜電造成接口損傷；USB轉(zhuǎn)串口通訊部分放到控制輸出單元詳細(xì)說(shuō)明。

2主控單元

原理圖如下：

主控單元由上圖所示，程序下載調(diào)試接口使用SWD口；芯片子時(shí)鐘配置為32.768K用于RTC定時(shí)使用；芯片工作模式選擇接口默認(rèn)設(shè)置為高電平，為單芯片模式；芯片復(fù)位電路上增加續(xù)流二極管，可以將復(fù)位線上電容的電壓快速泄放到電源上；

3傳感器采集單元

原理圖如下：

傳感器采集單元如上圖所示，DHT11主要用于室內(nèi)溫濕度采集，如果傳感器和主控芯片之間通訊距離過(guò)遠(yuǎn)導(dǎo)致誤碼，可以適當(dāng)減小R20，延長(zhǎng)通訊距離；NTC10K主要用于不采集濕度只采集溫度場(chǎng)景下，降低成本使用；

4WiFi數(shù)據(jù)傳輸單元

原理圖如下：

WiFi數(shù)據(jù)傳輸單元如上圖所示，此WiFi模組采用樂(lè)鑫ESP8266模塊，按鍵SW3用于下載WiFi程序使用，WiFi下載時(shí)，IO0=0,再按下SW2復(fù)位后才可進(jìn)入下載模式。WiFi供電需要保證3.3V，0.5A，在WiFi進(jìn)入smart config模式時(shí)峰值電流可能達(dá)到500mA左右。WiFi串口0連接主控芯片串口1，由于有時(shí)WiFi需要單獨(dú)測(cè)試使用，所以在WiFi與主芯片連接串口之間增加了跳線帽，方便測(cè)試使用。

5語(yǔ)音處理單元

原理圖如下：

語(yǔ)音處理單元如上圖所示，5V供電，保證0.5A供電電流，由于喇叭工作時(shí)電流波動(dòng)較大，所以電源處要增加電容。注意喇叭和mic差分走線，PCB上最好對(duì)這兩對(duì)線做包地處理，減少音頻信號(hào)傳輸干擾。在mic和喇叭接口處增加雙向TVS，防止ESD干擾，注意TVS一定選取寄生電容小的，防止對(duì)音頻產(chǎn)生干擾。H4音頻模組燒錄接口，燒錄時(shí)SW5需要按下。

6顯示單元

原理圖如下：

顯示單元如上圖所示，10Pin SPI通訊2.4寸LCD屏，LCD主控芯片為ST7789V2。R15、R14、R16為L(zhǎng)CD背光限流使用。

7控制輸出單元

原理圖如下：

控制輸出單元如上圖所示，分為三部分，紅外收發(fā)、通訊接口、單按鍵開(kāi)關(guān)。紅外接收單元用于接收市面上紅外遙控器發(fā)送的編碼，發(fā)送單元用于發(fā)送空調(diào)控制編碼，二者底層驅(qū)動(dòng)皆采用NEC協(xié)議。USB接口連接CH340實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串分別用于與主芯片打印串口連接和與WiFi串口0連接，具體連接哪一個(gè)可以使用SW4進(jìn)行選擇，SW4抬起連接WiFi串口，SW4按下連接主控芯片串口2。單按鍵開(kāi)關(guān)工作原理在原理圖上已經(jīng)標(biāo)明，通過(guò)兩個(gè)GPIO可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的開(kāi)啟關(guān)閉，注意此電路只能實(shí)現(xiàn)延遲關(guān)閉不能實(shí)現(xiàn)延遲開(kāi)啟。

總原理圖如下所示：

PCB如下所示：

實(shí)物圖如下所示：

如上圖所示：PCB設(shè)計(jì)時(shí)注意項(xiàng)如下：

WiFi模組天線位置將PCB切除，且WiFi天線周圍做凈空處理，防止對(duì)WiFi信號(hào)產(chǎn)生影響；

語(yǔ)音模塊的喇叭還有mic注意差分走線，且走線包地良好；

晶振附近的地保證良好，防止EMI；

SPI線注意等長(zhǎng)；

電源線注意粗細(xì)合理，按照10mil最大500mA設(shè)計(jì)；

退耦電容放在芯片電源引腳附近，越近越好。ESD器件放在干擾源傳輸?shù)娜肟谔帲?/p>

PCB板的接口和安裝孔布局合理，可能產(chǎn)生互相干擾的器件分開(kāi)放置；

后續(xù)可能需要進(jìn)行調(diào)試的信號(hào)PCB添加測(cè)試點(diǎn)；

未完待續(xù)