陳松鵬，陳松，吳奇洲

（廈門(mén)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建廈門(mén)，361024）

基于數(shù)字控制的智能加濕器設(shè)計(jì)

陳松鵬，陳松，吳奇洲

（廈門(mén)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建廈門(mén)，361024）

市場(chǎng)上現(xiàn)有的加濕器存在功能單一、加濕控制精度不高、無(wú)溫濕度檢測(cè)、無(wú)法實(shí)現(xiàn)干燒告警等不足。本文以STC90C51單片機(jī)為控制芯片，基于KeiluVision4采用C語(yǔ)言編程，通過(guò)DHT11溫濕傳感器電路對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)2.4吋液晶彩屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制超聲波加濕器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控和人性化的定量設(shè)置。

單片機(jī)STC90C51；智能溫濕度控制；超聲波加濕器

0 引言

加濕器在很多行業(yè)中隨處可見(jiàn)，隨著科技的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外在溫濕度檢測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)越來(lái)越成熟，溫濕度的檢測(cè)也朝著智能化、小型化和低功耗的方向發(fā)展[1,2]。傳統(tǒng)的加濕器大多采用手動(dòng)開(kāi)啟模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，只能手動(dòng)調(diào)節(jié)霧量的大小，無(wú)法實(shí)時(shí)精確了解溫濕度狀況，導(dǎo)致很難達(dá)到理想的舒適度感受[3-5]。由于單片機(jī)具有集成度高、性能穩(wěn)定且操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，以單片機(jī)為基礎(chǔ)的智能加濕器在各個(gè)方面都具有優(yōu)越性。本文以STC90C51單片機(jī)控制芯片，自動(dòng)控制超聲波加濕器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控和人性化的定量設(shè)置。

1 整體結(jié)構(gòu)分析

本系統(tǒng)采用帶8K字節(jié)閃存、可編程的STC90C51作為控制芯片構(gòu)成加濕器的智能控制器，加濕器原理框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)具有自動(dòng)/手動(dòng)兩檔，可以根據(jù)用戶(hù)需要設(shè)置最佳相對(duì)濕度。室內(nèi)相對(duì)溫濕度的檢測(cè)選取數(shù)字濕度傳感器DHT11，單片機(jī)讀取傳感器輸入的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)液晶屏顯示，同時(shí)將測(cè)得值與初始化值或用戶(hù)輸入的濕度值進(jìn)行比較，控制加濕程度。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)閾值時(shí)，加濕器主電路的繼電器跳開(kāi)，切除主電路并啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)，蜂鳴器發(fā)出聲音，LED彩燈閃爍；當(dāng)環(huán)境濕度低于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)接通不同阻值的電阻，改變霧化顆粒的大小及霧化量，環(huán)境濕度較低則實(shí)現(xiàn)較快速的加濕，濕度接近設(shè)定值則緩慢加濕，實(shí)現(xiàn)不同程度的加濕器效果；當(dāng)濕度達(dá)到最佳相對(duì)濕度值后停止加濕，防止過(guò)度加濕。在加濕過(guò)程中如果水位過(guò)低，則與水位監(jiān)測(cè)配套的干簧管動(dòng)作，停止加濕，達(dá)到防干燒的目的。系統(tǒng)整體方案如圖2所示。

圖1 加濕器原理框圖

圖2 系統(tǒng)整體方案

智能加濕系統(tǒng)主要包含加濕器供電回路，單片機(jī)復(fù)位模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊、獨(dú)立鍵盤(pán)模塊、TFT液晶彩屏顯示模塊、加濕器霧化電路模塊。DHT11傳感器采樣電路如圖3所示。DHT11傳感器通電后，需要等待至少1s，在等待期間不需要給STC90C51單片機(jī)發(fā)送任何指令。

圖3 DHT11傳感器應(yīng)用電路

加濕器的電源分兩部分。第一部分將交流電壓220V通過(guò)本文設(shè)計(jì)的整流降壓電路降低到12V和5V，分別為加濕器的風(fēng)機(jī)與單片機(jī)模塊供電。電源第二級(jí)是將12V的直流電通過(guò)升壓電路升高至24V，為振蕩模塊提供電路。升壓電路采用XL6009實(shí)現(xiàn)，電路輸出電壓為

加濕器霧化模塊電路為正弦波振蕩電路。在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下，依靠電路自激勵(lì)振蕩產(chǎn)生正弦波輸出電壓[6]。

當(dāng)晶體不起振時(shí)，等效于一個(gè)靜態(tài)電容Co。當(dāng)晶體起振時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性等效為電感L，晶體的彈性等效為電容C，晶片的摩擦損耗等效為電阻R。

圖4 晶振片頻率特性

如圖4所示，當(dāng)fs＜f＜fp時(shí)石英晶體呈感性，使得整個(gè)電路等效為一個(gè)電容三點(diǎn)式正弦波振蕩電路，電路以設(shè)計(jì)好的頻率產(chǎn)生正弦波（fs為晶體的串聯(lián)諧振頻率，fp為晶體的并聯(lián)諧振頻率）。

石英晶體正弦波振蕩電路分為并聯(lián)型與串聯(lián)型。其中并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路又稱(chēng)為皮爾斯晶體振蕩電路。

霧化片為電路的一個(gè)元器件，同時(shí)也是電路的負(fù)載。電路由直流24V供電。在三極管的發(fā)射集添加了一個(gè)0.1uH的電感。其原因在于在發(fā)射極串接一個(gè)適量的電感使晶體管的c-e和b-e間都構(gòu)成為一個(gè)串聯(lián)諧振電路，其諧振頻率稍高于晶振頻率，從而提高其容抗對(duì)頻率變化斜率，進(jìn)一步提高整個(gè)電路頻率穩(wěn)定性。圖5為根據(jù)實(shí)物測(cè)得的霧化片輸出電壓波形。

圖5 霧化片輸出電壓波形

2 軟件程序設(shè)計(jì)

在完成初始化后，對(duì)各鍵盤(pán)設(shè)置進(jìn)行掃描，然后DHT11傳感器采集數(shù)據(jù).采集過(guò)程:首先數(shù)據(jù)口連接端P2.0，P2.0作為溫濕傳感器輸入端，P2.0輸出低電平，延時(shí)18ms之后，P2.0輸出高電平，等待延時(shí)40ms之后，讀P2.0引腳是否為低電平；如果不是低電平就重新讀取，如果是低電平就執(zhí)行判斷從機(jī)高電平是否結(jié)束；如果沒(méi)有結(jié)束就繼續(xù)循環(huán)，如果信號(hào)結(jié)束，單片機(jī)I/O開(kāi)始對(duì)輸入的高低電平進(jìn)行解析，完成數(shù)據(jù)接收。單片機(jī)經(jīng)過(guò)調(diào)用指針數(shù)據(jù)及液晶顯示子程序，將其溫濕度值以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘，文字說(shuō)明等一系列必要的參數(shù)顯示。同時(shí)單片機(jī)通過(guò)比對(duì)初始化值或人為設(shè)置值與實(shí)時(shí)溫濕度值，判斷是否超出閾值，決定后續(xù)各模塊是否動(dòng)作。當(dāng)溫度超過(guò)閾值（初始值為42℃）時(shí)，則控制加濕器主電路的繼電器跳開(kāi)，切除主電路并且啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)，蜂鳴器發(fā)出聲音，LED彩燈閃爍；當(dāng)環(huán)境濕度低于設(shè)定值（初始化值為40%RH）的1/2時(shí)，通過(guò)繼電器模塊控制并聯(lián)一個(gè)1k的電阻在霧化片的兩端，改變BU406的基極通過(guò)較大電流，實(shí)現(xiàn)霧化片較高頻率的振蕩（超過(guò)1.7MHz），工作在重度加濕狀態(tài)；當(dāng)環(huán)境濕度介于1/2的設(shè)定值及設(shè)定值之間時(shí)，通過(guò)繼電器模塊控制并聯(lián)一個(gè)3k的電阻在霧化片兩端，實(shí)現(xiàn)一個(gè)低于1.7MHz的振蕩，實(shí)現(xiàn)較小的霧化水平；當(dāng)環(huán)境濕度高于設(shè)定范圍值時(shí)，加濕器停止工作，鼓風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)。詳細(xì)軟件流程圖如圖6所示。

3 結(jié)論

基于單片機(jī)，通過(guò)DHT11溫濕傳感器電路對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)TFT-2.4-(R61526-8Pin) 彩屏對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；外部獨(dú)立鍵盤(pán)，對(duì)溫濕度初始化值可進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)與設(shè)定值或初始化值的對(duì)比，自動(dòng)控制外圍模塊的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控和人性化的定量設(shè)置；其他電路模塊實(shí)現(xiàn)加濕器的出霧量控制，振蕩水霧顆粒的大小控制，干簧管防干燒、聲光報(bào)警、緊急狀況的的主電路切除，并增設(shè)電子時(shí)鐘、加濕時(shí)間可設(shè)定，彌補(bǔ)了市場(chǎng)上加濕器產(chǎn)品的不足。

[1]李雯婷.基于單片機(jī)的工業(yè)加濕器控制系統(tǒng)[D].成都理工大學(xué),2010.

[2]錢(qián)亮.加濕器及其種類(lèi)[J].中外輕工科技. 200004.

[3]鐘勇潮.基于C51單片機(jī)的平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng),2013(12).

[4]樊亞玲，楊宏亮.多功能加濕器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 2014, 34(3).

[5]童詩(shī)白、華成英主編；清華大學(xué)電子學(xué)教研組.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）.北京：高等教育出版社，2006.5.

[6]徐振江.超聲霧化器中皮爾斯晶振電路射極電感的穩(wěn)頻作用[J].天津理工學(xué)院學(xué)報(bào),1992(02):61-65.

Design of Smart Humidifier Based on Digital Control

Chen Songpeng, Chen Song, Wu Qizhou
(Xiamen University of technology, College of electrical engineering and automation, Xiamen Fujian, 361024)

Humidifier has been commonly used in the market, the existence of single function, stay in the manual adjustment of the working state, no detection of temperature and humidity, humidification control accuracy is not high, unable to realize dry fire alarm, no liquid crystal display and so on. The stc90c51 SCM control chip, KeiluVision4 using the C programming language based on, through DHT11 temperature and humidity sensor circuit of environmental temperature and humidity were detected. The TFT-2.4- R61526-8Pin 2.4-inch screen of real-time data display, range of temperature and humidity in the initialization can be by an external control settings (independent keyboard) unit of the van Wai adjust settings.

Microcontroller STC90C51; Smart temperature and humidity control; Ultrasonic humidifier

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

廈門(mén)理工學(xué)院高層次人才科技類(lèi)項(xiàng)目(YKJ14006R)，廈門(mén)理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目。