任媛 徐德翠 赫雪婷 吳思佳 黃鈺淳

摘 要：文章介紹了一款以STC12C5A60S2單片機(jī)、DHT11溫濕度傳感器和L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為核心的可移動(dòng)式智能加濕器。該加濕器基于Keil4用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，使用AD軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)用戶自定義設(shè)置濕度范圍、自由移動(dòng)、自動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧大小、自啟停、干燒預(yù)警以及實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)濕度等功能，其使用簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：可移動(dòng)；智能加濕器；STC12C5A60S2單片機(jī)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于舒適生活的要求越來(lái)越高，對(duì)智能家居的期待越來(lái)越迫切。夏季的空調(diào)給人們帶來(lái)涼爽的同時(shí)，干燥問(wèn)題也隨之而來(lái)，到了冬季，北方的人們會(huì)由于環(huán)境中濕度不足感到身體不適，研究表明：50%～60%的環(huán)境空氣相對(duì)濕度對(duì)人體的健康最有利，人們的抗病能力也最強(qiáng)，人們也會(huì)感到舒適[1]，因此，加濕器應(yīng)運(yùn)而生。但是傳統(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[2]，一款能自動(dòng)控制超聲波加濕器的工作狀態(tài)、可以實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控和人性化的定量設(shè)置的智能移動(dòng)加濕器成為人們的真正需求。本文設(shè)計(jì)的加濕器以簡(jiǎn)易機(jī)器人為平臺(tái)，擺脫了傳統(tǒng)固定式加濕器的束縛，運(yùn)用嵌入式單片機(jī)原理，實(shí)現(xiàn)了加濕器的智能化工作，可以使室內(nèi)濕度保持均勻，符合現(xiàn)代人的生活方式。

1 工作原理

根據(jù)用戶需求分析，本文設(shè)計(jì)的加濕器滿足以下要求：在監(jiān)控到相應(yīng)的濕度范圍后自動(dòng)開(kāi)始或停止工作；可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)房間內(nèi)的自由移動(dòng)，保證駕駛均勻；當(dāng)加濕器即將發(fā)生干燒時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警；根據(jù)監(jiān)控到的濕度數(shù)值，自動(dòng)調(diào)整噴霧大小；實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)濕度；可以由用戶自定義設(shè)置最佳濕度值。為實(shí)現(xiàn)這些要求，加濕器主要分為7個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)工作：以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的中央控制模塊、以DHT11為核心的傳感器模塊、以L298N為核心的智能驅(qū)動(dòng)模塊、以LED液晶屏為核心的顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、電源模塊和外設(shè)獨(dú)立鍵盤，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳感器模塊將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)濕度，將其在LED顯示屏上顯示，并將數(shù)據(jù)傳送到中央控制器，一旦室內(nèi)濕度達(dá)到用戶所設(shè)定的最佳相對(duì)濕度，中央控制器將發(fā)送命令使加濕器和底部小車停止工作；當(dāng)室內(nèi)濕度下降到設(shè)定的最低濕度以下后，加濕器和小車將再次工作，在這期間，加濕器會(huì)根據(jù)室內(nèi)的濕度情況自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)膰婌F大小，以保證室內(nèi)舒適；當(dāng)加濕器內(nèi)的水位下降到預(yù)設(shè)最低水位后，加濕器將停止加濕，并由聲光報(bào)警模塊發(fā)出警報(bào)，提醒用戶及時(shí)加水，防止干燒。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央控制模塊

基于STC12C5A60S2單片機(jī)的中央控制模塊有兩個(gè)，一個(gè)負(fù)責(zé)控制加濕器的濕度監(jiān)測(cè)和加濕器的工作狀態(tài)，另一個(gè)則是控制底部簡(jiǎn)易小車的相關(guān)功能，例如避障、轉(zhuǎn)彎、啟動(dòng)、停止等，兩個(gè)單片機(jī)之間用一個(gè)繼電器連接控制，以加濕器上的單片機(jī)為主，控制簡(jiǎn)易小車上的單片機(jī)發(fā)送命令。選用的STC12C5A60S2單片機(jī)是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代51單片機(jī)，工作電壓為5.5～3.5 V，內(nèi)部有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，可以直接將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，省去了外部的A/D轉(zhuǎn)換模塊。

2.2 智能驅(qū)動(dòng)模塊

由于步進(jìn)電機(jī)精度比普通電機(jī)高，易于控制，所以本文設(shè)計(jì)的加濕器采用步進(jìn)電機(jī)和L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。通過(guò)單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求，調(diào)試時(shí)再依照芯片手冊(cè)，用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作[3]。驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理如圖2所示。

2.3 電源模塊

本設(shè)計(jì)中用到的電源有5 V的單片機(jī)電源、5 V的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片電源和7.2 V的電機(jī)電源，但是只用了兩節(jié)3.6 V的鋰電池供電，因此，在電源模塊中還需增加一個(gè)7805壓降電路來(lái)降低電壓，維持電路的正常工作。

2.4 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊的電路如圖3所示，當(dāng)水位傳感器檢測(cè)到加濕器內(nèi)的水位下降到設(shè)定最低水位之后，由中央控制模塊發(fā)送命令，即發(fā)出低電平，則蜂鳴器發(fā)出“嘀嘀”的報(bào)警聲。

2.5 傳感器模塊

傳感器模塊以DHT11為核心，DHT11是一個(gè)已經(jīng)存儲(chǔ)了校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)的溫濕度傳感器，包括一個(gè)感濕元件和一個(gè)測(cè)溫元件，并且這兩元件在內(nèi)部與一個(gè)高性能的8位單片機(jī)相連接，完成溫濕度的采集[4]。

2.6 LED顯示模塊

顯示模塊原理如圖4所示。本設(shè)計(jì)中采用了液晶顯示屏作為輸出狀態(tài)顯示，其具有穩(wěn)定性好、不易閃爍燈優(yōu)點(diǎn)。中央控制模塊接收到溫濕度傳感器發(fā)送的濕度信息后，在單片機(jī)內(nèi)部，利用已有的8位高速A/D轉(zhuǎn)換模塊將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，輸入共陰極工作的液晶顯示屏上顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文介紹的加濕器將軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)大部分，一部分為底部簡(jiǎn)易小車：小車左右兩邊各安裝了一個(gè)紅外避障傳感器。當(dāng)左右兩側(cè)都沒(méi)有檢測(cè)到障礙物時(shí)，則小車前進(jìn)；如果左側(cè)檢測(cè)到障礙物而右側(cè)沒(méi)有障礙物，則讓小車右轉(zhuǎn)；若右側(cè)檢測(cè)到障礙物而左側(cè)沒(méi)有障礙物，則讓小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)左右兩側(cè)都檢測(cè)到障礙物時(shí)，則讓小車先停止，再后退50 ms；另一部分為加濕器：先初始化LCD屏幕、開(kāi)機(jī)界面等；掃描按鍵，根據(jù)用戶選擇的模式進(jìn)行工作。其中加濕器的工作模式分為監(jiān)控模式和濕度預(yù)設(shè)模式，其調(diào)節(jié)模式分為自動(dòng)模式和手動(dòng)調(diào)節(jié)模式。在監(jiān)控模式的自動(dòng)控制模式下，繼電器根據(jù)預(yù)設(shè)濕度值上/下限與當(dāng)前濕度值的比較結(jié)果決定是否進(jìn)行加濕，控制加濕器工作。本系統(tǒng)限定了預(yù)設(shè)濕度值的范圍為0～100%RH。利用1602LCD顯示出當(dāng)前濕度和預(yù)設(shè)濕度值。此外當(dāng)水位低于設(shè)定的最小值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，以防止干燒[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，成功設(shè)計(jì)了一款可在室內(nèi)自由移動(dòng)、自動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧大小的智能加濕器，在保證室內(nèi)加濕均勻的條件下，又可以做到有效預(yù)警防止加濕器干燒、實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)濕度。先用C語(yǔ)言編程，經(jīng)過(guò)Keil4、Altium Disgner等軟件的仿真調(diào)試以及實(shí)際測(cè)試，證明本文設(shè)計(jì)的加濕器有效地解決了傳統(tǒng)加濕器的上述問(wèn)題，使得加濕器向智能家居方向又邁進(jìn)了一步，且其成本低、操作簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊仁忠，耿世彬，張華.室內(nèi)空氣環(huán)境的舒適與健康[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2002（1）：14-17.

[2]陳松鵬，陳松，吳奇洲.基于數(shù)字控制的智能加濕器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2017（9）：5-7.

[3]周健民，華勇，彭凱.家用可移動(dòng)智能加濕器[J].科技風(fēng)，2015（11）：97.

[4]關(guān)學(xué)忠，卞強(qiáng).基于單片機(jī)技術(shù)的智能加濕器設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2018（7）：512-516.

[5]劉豐年.基于AT89C51的簡(jiǎn)易智能化加濕器設(shè)計(jì)[J].三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（4）：139-142.