高 遠(yuǎn)，王福平，祝 玲，劉智新

（北方民族大學(xué)，寧夏 銀川 750021）

0 引言

氣候干燥，空氣濕度過(guò)小，不僅令人不適，還有利于一些細(xì)菌和病菌的繁殖和傳播。試驗(yàn)表明，50%～60%的相對(duì)濕度對(duì)人體最為舒適，老人和小孩適合的室內(nèi)濕度為45%～50%，而目前市面上能買(mǎi)到的空氣加濕器無(wú)法準(zhǔn)確達(dá)到此范圍，而且也達(dá)不到室內(nèi)均勻加濕。為此，本文設(shè)了智能家居小車(chē)，可移動(dòng)地對(duì)室內(nèi)加濕，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的平衡，而且增加了溫度及其煙霧預(yù)警系統(tǒng)。在沒(méi)有空調(diào)的辦公場(chǎng)所，特別是寢室環(huán)境，造價(jià)低廉的智能家居小車(chē)是非常實(shí)用的。

1 設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的智能家居小車(chē)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)DHT22溫濕度傳感器采集空氣溫濕度信息，通過(guò)HC-SR04超聲波傳感器采集距離信息，通過(guò)MQ-2煙霧傳感器采集煙霧信息，將濕度信息傳輸至主控芯片，對(duì)加濕器進(jìn)行模糊控制和PID精確控制以調(diào)節(jié)濕度到指定濕度；同時(shí)將煙霧信息和溫度信息返回給主控芯片，當(dāng)室內(nèi)溫度或煙霧濃度不正常時(shí)，及時(shí)利用蜂鳴器報(bào)警。主控芯片通過(guò)超聲波傳感器返回的信息控制電機(jī)，使小車(chē)在室內(nèi)自動(dòng)避障，并且利用采集回的濕度信息使小車(chē)趨于濕度低的片區(qū)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU模塊

以STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，這款單片機(jī)為增強(qiáng)型8051CPU，1 280 B RAM，2路PWM輸出，8路高速10A/D轉(zhuǎn)換，工作電壓為3.3 V～5.5 V，60 KB存儲(chǔ)空間，4個(gè)16位定時(shí)器，MAX810復(fù)位電路，雙串口，7路外部中斷I/O口，通用全雙工異步串行口。采用STC-ICP程序燒錄軟件對(duì)單片機(jī)燒錄程序。對(duì)應(yīng)電路如圖2所示。

2.2 自動(dòng)加濕模塊

DHT22數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它采用專(zhuān)用的數(shù)字采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連，因此具有響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT22傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。DHT22傳感器信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上，其測(cè)量條件為-20℃～80℃，濕度精度為±5%RH，溫度精度小于±0.5℃；單總線接口，一次通信時(shí)間為5 ms。直接使用MCU控制其空氣加濕器出霧量。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

2.3 煙霧及其溫度模塊

MQ-2煙霧傳感器應(yīng)用于氣體泄漏檢測(cè)、十一液化氣、丁烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等探測(cè)，其使用溫度為-10℃～50℃，儲(chǔ)存溫度為-20℃～70℃，相對(duì)濕度小于±95%RH。DHT22數(shù)字溫濕度傳感器返回的溫度以及MQ-2煙霧傳感器返回的煙霧濃度控制報(bào)警模塊是否報(bào)警。

2.4 避障模塊

避障模塊主要通過(guò)HC-SR04超聲波傳感器采集距離信息，判斷小車(chē)周?chē)系K物位置，使小車(chē)及時(shí)躲避，并向相對(duì)濕度低的方向移動(dòng)。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2 cm～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)量角度為15°，測(cè)距精度可達(dá)高到3 mm。輸入觸發(fā)信號(hào)為10 μs的TTL脈沖，超聲波時(shí)序圖如圖3所示。

2.5 穩(wěn)壓模塊

利用7.4 V電池供電。對(duì)于單片機(jī)，需要提供穩(wěn)定的5 V電源，由于LM2940穩(wěn)壓的線性度非常好，因此選用LM2940-5單對(duì)其進(jìn)行供電。LM2596-5轉(zhuǎn)換效率高，帶載能力大，但缺點(diǎn)是其紋波電壓大，不適合做單片機(jī)電源，而其他模塊則需要通過(guò)較大的電流，對(duì)其他模塊供電能保證充電的電源。

圖3 超聲波時(shí)序圖

2.6 顯示模塊

利用LCD12864顯示各個(gè)模塊采集回來(lái)的數(shù)據(jù)，用于人機(jī)交互。LCD12864其分辨率為128×64，通信方式有串行、并行兩種，內(nèi)置漢子詞庫(kù)，使用非常方便。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

在打開(kāi)開(kāi)關(guān)后，首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，之后LCD顯示，整個(gè)程序中LCD一直工作，LCD會(huì)顯示輸入需要的濕度值，輸入之后開(kāi)始對(duì)溫濕度、距離、煙霧濃度進(jìn)行采集，通知PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)煙霧濃度或溫度過(guò)高時(shí)蜂鳴器鳴叫。PID精確控制加濕器加濕。

部分程序如下。

4 結(jié)論

普通的加濕器加濕范圍有限，無(wú)法調(diào)節(jié)整個(gè)室內(nèi)濕度，無(wú)法滿(mǎn)足需求，而本文所設(shè)計(jì)的智能家小車(chē)可滿(mǎn)足所需，且價(jià)格便宜，只與市面上中等檔次的加濕器同價(jià)位，而且體積小，使用安全。

[1]劉娟.單片機(jī)C語(yǔ)言與PROTUES仿真技能實(shí)訓(xùn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程——入門(mén)、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.