沈周鋒

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，福建 漳州 363000)

空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的同時(shí)降低室內(nèi)濕度使得室內(nèi)空氣過于干燥，刺激人體咽喉和鼻粘膜，極大降低了舒適度，刺激了加濕器行業(yè)的發(fā)展。加濕器能將液態(tài)水快速轉(zhuǎn)化為水汽，彌補(bǔ)空氣過度干燥的不足。洪鶴庭[1]設(shè)計(jì)了一種具有凈水功能的加濕器，自動(dòng)化程度不高，人機(jī)交互接口采用按鍵，且未對(duì)具體電路進(jìn)行深入闡述。郭瑋等人[2]設(shè)計(jì)了一種小型花卉培養(yǎng)室專用的加濕器，未涉及到換能片追頻技術(shù)，老化后霧化效率降低嚴(yán)重。于鴻飛[3]采用模擬式的振蕩采用三點(diǎn)式振蕩電路驅(qū)動(dòng)換能片，霧化功率無法調(diào)節(jié)，且數(shù)字化和智能化不足，不利于控制室內(nèi)濕度。本研究設(shè)計(jì)了一種加濕器，能夠智能檢測(cè)空氣濕度，適時(shí)開啟或關(guān)閉加濕功能。采用水位檢測(cè)技術(shù)和語音識(shí)別技術(shù)，用戶只需采用簡(jiǎn)單語音口令，即可控制機(jī)器的運(yùn)行，查詢剩余水量情況。自動(dòng)追頻技術(shù)的引入，也大大克服了霧化片固有頻率的變化，提高霧化效率。

1 基本原理

傳統(tǒng)的模擬式空氣加濕器，采用干簧管或者電極檢測(cè)是否缺水，人工成本和物料成本較高。振蕩電路采用功率三極管和外圍的電感電容組成三點(diǎn)式振蕩電路，功率三極管工作于放大狀態(tài)，發(fā)熱嚴(yán)重，需要安裝體積較大的散熱片，降低效率的同時(shí)，進(jìn)一步提高了物料的成本。模擬式的空氣加濕器，功能單一，使用不便，無法擴(kuò)展額外的功能[4]。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的空氣加濕器，電路原理框圖如圖1所示。電源電路3.3 V和12 V，為整機(jī)各電路單元供電。整機(jī)以單片機(jī)為控制核心，檢測(cè)外圍電路信號(hào)和用戶指令，控制霧化片驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行。采用LD3320語音識(shí)別方案，從麥克風(fēng)采集用戶口令，并通過喇叭播放響應(yīng)語音，組成語音式的用戶交互接口。溫濕度傳感器采用廣州奧松的DHT11。DHT11是一種含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包含一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件。提供單線雙向的數(shù)字通信接口，與單片機(jī)通信[5-6]。當(dāng)濕度低于閾值且水量充足時(shí)，打開霧化片驅(qū)動(dòng)電路，霧化片產(chǎn)生高頻振蕩，將液態(tài)的水分子結(jié)構(gòu)打散，使其變成自由飄散的水霧，內(nèi)置小風(fēng)扇推動(dòng)水霧從出氣口吹出。由于振蕩頻率一般為MHz級(jí)別，超出了人類的聽覺范圍，對(duì)人體無任何傷害。水位過低時(shí)，霧化片能量無法及時(shí)傳遞出去，損壞霧化片。因此采用水位檢測(cè)單元，實(shí)時(shí)檢測(cè)水位，避免霧化片干燒。電容式傳感器，具有水位定量檢測(cè)的功能，且穩(wěn)定可靠，被廣泛應(yīng)用于加濕器。

圖1 電路原理框圖

整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要分為儲(chǔ)水桶和底座兩部分。儲(chǔ)水桶和底座對(duì)準(zhǔn)后疊在一起時(shí)，出水口的彈簧被底座的柱子頂開形成細(xì)微的出水孔。底座的水位高于出水口時(shí)，由于氣壓的原因，儲(chǔ)水桶的水不再流入底座。當(dāng)?shù)鬃乃坏陀诔鏊跁r(shí)，水從儲(chǔ)水桶流入底座。儲(chǔ)水桶截面為圓環(huán)狀，中央設(shè)有圓柱形的風(fēng)道，供水霧流出。底座設(shè)有霧化片，將水轉(zhuǎn)化為水霧。風(fēng)道1的下方設(shè)有小型風(fēng)扇，使空氣從底座的底部流入，經(jīng)過風(fēng)道1，推送水霧從風(fēng)道2流出。當(dāng)儲(chǔ)水桶和底盤的水耗盡時(shí)，若霧化片繼續(xù)工作(稱為“干燒”)，則壽命大大縮短甚至立刻損壞。因此在底座上安裝一塊金屬片，連接電容檢測(cè)電路，根據(jù)電容值推算水量判斷霧化片是否干燒。儲(chǔ)水桶和底座疊在一起時(shí)，水位檢測(cè)極片2通過水位檢測(cè)極片1與電容檢測(cè)單元連接，用于檢測(cè)儲(chǔ)水桶剩余水量。線路板、喇叭、麥克風(fēng)和溫濕度傳感器安裝于底座腔體內(nèi)部。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 濕度監(jiān)測(cè)和霧化片驅(qū)動(dòng)電路

霧化片驅(qū)動(dòng)電路采用模擬電路振蕩、數(shù)字化追頻的方式驅(qū)動(dòng)[7]，詳細(xì)電路如圖3所示。單片機(jī)產(chǎn)生1.7 MHz左右的PWM信號(hào)，通過R1和R2分壓后，送入N溝道場(chǎng)管Q1的柵極，控制場(chǎng)管在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間切換。當(dāng)PWM為高電平時(shí)，電流從+12 V流出，經(jīng)過L1、Q1和R5流入地線，電感儲(chǔ)能。當(dāng)PWM為低電平時(shí)，Q1截止。由于L1的儲(chǔ)能效應(yīng)，Q1的漏極產(chǎn)生高于12 V的電壓，電流經(jīng)過C3、Y1和R5流入地線。L1起到升壓電感的作用，應(yīng)當(dāng)選擇uH級(jí)別的線繞功率電感。D1、C2、R3組成RCD吸收電路，合理選擇參數(shù)，當(dāng)D1的陽極電壓高于一定值時(shí)，尖峰會(huì)被電路吸收，起到保護(hù)場(chǎng)管Q1的目的。R5作為振蕩電流的采樣電阻，一般選取0.5 Ω以下的功率電阻。R5采集到的交流電壓，經(jīng)過R4和C1低通濾波，得到正比于電流平均值的直流電壓，送入單片機(jī)做AD轉(zhuǎn)換。單片機(jī)根據(jù)CrtAd電壓值，合理控制Pwm信號(hào)的占空比，可以將振蕩的功率穩(wěn)定在一定值，使霧化速度受單片機(jī)控制。同時(shí)當(dāng)功率超過上限值時(shí)，可判定霧化片干燒，避免燒毀。L1升壓后產(chǎn)生的高于12 V的交流電壓，經(jīng)過R6和R7的分壓后，送入D2做半橋整流，VolAd節(jié)點(diǎn)電壓正比于霧化片振蕩電壓。R8、C6起濾波的作用，使電壓值更加平穩(wěn)。R9起限流作用，保護(hù)單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換引腳。單片機(jī)對(duì)VolAd節(jié)點(diǎn)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，可以判斷霧化片是否達(dá)到諧振點(diǎn)。以1.7 MHz霧化片為例，單片機(jī)從Pwm節(jié)點(diǎn)注入掃頻信號(hào)，掃頻范圍限制在1.85 MHz至1.55 MHz之間。掃頻頻率由大到小變化，Pwm處于負(fù)半周期時(shí)檢測(cè)VolAd節(jié)點(diǎn)電壓，找到振蕩幅度最大的頻率點(diǎn)，即為霧化片固有頻率F0。此舉克服了霧化片量產(chǎn)時(shí)的公差，減少了加濕器出廠標(biāo)定的人工成本。同時(shí)，霧化片固有頻率隨著自身老化緩慢變化，自動(dòng)追頻功能大大增加了加濕器壽命。

圖3 霧化片驅(qū)動(dòng)電路

液態(tài)水經(jīng)過換能片霧化后在風(fēng)扇推動(dòng)下，從風(fēng)道2吹出。風(fēng)扇一般采用直流電機(jī)帶動(dòng)，單片機(jī)引腳直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，引腳電流過大，因此采用三極管共射電路驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。Q2采用8050三極管，單片機(jī)IO口連接Fan節(jié)點(diǎn)為高電平時(shí)，經(jīng)過R10的限流，將Q2的基極電位拉高，三極管導(dǎo)通。12 V電源為J1供電，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。反之，當(dāng)Fan節(jié)點(diǎn)為低電平時(shí)，Q2截止，風(fēng)扇供電回路斷開，風(fēng)扇停轉(zhuǎn)。D3與風(fēng)扇J1并聯(lián)，用于吸收回路斷開瞬間的反向電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)Q2不被擊穿。R11作為基極下拉電阻，吸收外界工頻干擾，避免誤導(dǎo)通。DHT11溫濕度傳感器安裝于底座的進(jìn)風(fēng)口，用于監(jiān)測(cè)外界空氣濕度。外界空氣濕度低于閾值，單片機(jī)開啟加濕功能，反之則關(guān)閉加濕功能，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的目的。

圖4 風(fēng)扇和濕度檢測(cè)電路

2.2 LD3320語音識(shí)別電路

語音識(shí)別模塊，采用LD3320解決方案。LD3320芯片是一種基于非特定人語音識(shí)別技術(shù)的聲控芯片，不需要用戶進(jìn)行錄音訓(xùn)練，非常適合集成到家電中。該芯片從麥克風(fēng)采集聲音進(jìn)行頻譜分析，提取語音特征。當(dāng)語音特征與關(guān)鍵詞列表中的關(guān)鍵詞達(dá)到一定匹配度時(shí)，從數(shù)字端口輸出關(guān)鍵詞序號(hào)。單片機(jī)還可以從數(shù)字端口發(fā)送音頻碼流，存入特定的FIFO存儲(chǔ)器中，通過芯片搭載的喇叭播放出來。芯片數(shù)字端口具有SPI串口和并口兩種模式，可根據(jù)語音碼流傳輸速度的需求，設(shè)置數(shù)字端口模式[8-9]。電路圖如圖5所示。加濕器具有播報(bào)溫濕度、播報(bào)水儲(chǔ)量，接收用戶口令并播報(bào)語音應(yīng)答的功能，語音量較大，使用串口通信將占用大量的CPU時(shí)間片，影響自動(dòng)追頻和干燒保護(hù)等功能。因此，將MD引腳接地，使芯片進(jìn)入并口通信模式。P0至P7為數(shù)據(jù)傳輸線，指令和數(shù)據(jù)從低位到高位分別在8個(gè)引腳傳輸。WRB為低電平寫使能，RDB為低電平讀使能，CSB為片選引腳。AD引腳高電平時(shí)寫入地址，為低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。識(shí)別到關(guān)鍵詞時(shí)，INTB引腳變?yōu)榈碗娖酵ㄖ獑纹瑱C(jī)接收。C7～C10，R12，R13和MK1組成麥克風(fēng)采集電路，MBS引腳為麥克風(fēng)提供偏置電壓，MICP和MICN引腳接收音頻信號(hào)。SPOP和SPON引腳內(nèi)部集成了音頻放大功能，可直接驅(qū)動(dòng)喇叭播放語音。R14，R15，C11，C12與PIN20至PIN22引腳連接，組成喇叭音量控制電路。C13和C14電容連接VREF引腳，用于穩(wěn)定芯片內(nèi)部聲音信號(hào)參考電壓。

圖5 語音識(shí)別電路

2.3 水位檢測(cè)和干燒檢測(cè)電路

霧化片安裝于底座中，當(dāng)?shù)鬃簯B(tài)水耗盡時(shí)，若霧化片繼續(xù)震蕩，將引起霧化片干燒并燒毀。采用霧化片驅(qū)動(dòng)電路能一定程度上避免干燒，但是穩(wěn)定性不足。最穩(wěn)定可靠的方式是加裝水量檢測(cè)裝置，檢測(cè)底盤水量是否充足。因此，在底座安裝干燒檢測(cè)極片，應(yīng)用電容式檢水技術(shù)，防止干燒。另外，安裝水位檢測(cè)極片，采用電容式水位檢測(cè)技術(shù)，檢查剩余水量，方便用戶語音口令查詢。FDC2212是一種低功耗、低成本且高分辨率的非接觸式感測(cè)芯片，非常適用于液位感測(cè)領(lǐng)域，具體電路圖如圖6所示[10]。芯片具有兩個(gè)電容測(cè)量通道，以通道1為例，L2和C15并聯(lián)，連接IN1A和IN1B引腳，與芯片內(nèi)部單元形成振蕩電路。振蕩頻率由L2和C15決定：

當(dāng)液位升高時(shí)，J3對(duì)地電容增加，使振蕩頻率降低，芯片內(nèi)部的數(shù)字單元通過檢測(cè)振蕩頻率的變化，即可換算為液位。出廠標(biāo)定時(shí)，儲(chǔ)水桶空的頻率值f1，儲(chǔ)水桶滿的頻率值f2。當(dāng)前頻率值表示為f3。根據(jù)電容原理和公式(1)可求得剩余水比例為：

圖6 水位檢測(cè)和干燒檢測(cè)電路

3 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖7所示。單片機(jī)上電時(shí)，首先進(jìn)行內(nèi)部單元初始化，主要配置I2C接口、AD轉(zhuǎn)換單元以及外圍硬件的控制引腳。然后單片機(jī)初始化LD3320芯片，并將口令列表傳入LD3320芯片內(nèi)部，開啟語音識(shí)別功能，單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)?？诹罘譃橐患?jí)口令和二級(jí)口令。一級(jí)口令主要用于激活加濕器的口令接收狀態(tài)，選擇日常交談?shì)^少涉及到的關(guān)鍵詞，避免加濕器誤開啟。二級(jí)口令用于控制和查詢加濕器，例如“打開智能加濕”“停止加濕”“報(bào)告濕度”“報(bào)告溫度”“報(bào)告剩余水量”等等。由于語音應(yīng)答信號(hào)較多，單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器難以滿足語音應(yīng)答碼流的存儲(chǔ)需求。根據(jù)語音占用容量大小，選擇在單片機(jī)外部擴(kuò)展flash存儲(chǔ)器，例如W25Q32。單片機(jī)可從存儲(chǔ)器中讀取所需碼流段，轉(zhuǎn)發(fā)至LD3320芯片。

單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)后，循環(huán)檢測(cè)溫濕度、水位、用戶口令。接收到用戶口令時(shí)，將相應(yīng)的語音應(yīng)答信號(hào)傳送至LD3320，通過喇叭播放出來。若處于停止模式的加濕器接收到加濕口令，則發(fā)送PWM掃頻信號(hào)，檢測(cè)霧化片最佳頻點(diǎn)，然后設(shè)置標(biāo)志位進(jìn)入自動(dòng)模式，跳轉(zhuǎn)進(jìn)入下一次循環(huán)。下一次循環(huán)中程序進(jìn)入自動(dòng)模式，判斷濕度低于閾值且底座水量充足時(shí)，打開風(fēng)扇和霧化功能，定期調(diào)整PWM信號(hào)占空比，達(dá)到調(diào)整霧化功率的目的。當(dāng)濕度高于閾值時(shí)，關(guān)閉霧化功能。當(dāng)?shù)鬃坎怀渥?，有干燒的危險(xiǎn)時(shí)，切換到停止模式，保證霧化片安全。

圖7 軟件流程圖

4 整機(jī)測(cè)試

在距離麥克風(fēng)2 m的位置，環(huán)境噪聲30 dB以下，發(fā)送語音口令，對(duì)識(shí)別成功率進(jìn)行測(cè)試。每句口令重復(fù)50次，統(tǒng)計(jì)正確播放應(yīng)答語音的概率，如表1所示。打開智能加濕后，加濕器風(fēng)扇能順利開啟，換能片正常開啟加濕功能。當(dāng)加濕器水耗盡時(shí)，加濕器能及時(shí)停止加濕，停機(jī)等待。

表1 口令識(shí)別成功率測(cè)試

在初始濕度值74%房間中，開啟空調(diào)制冷和加濕器智能加濕功能。房間中設(shè)置濕度計(jì)，每半小時(shí)自動(dòng)記錄濕度數(shù)據(jù)，如圖8所示。橫軸表示濕度數(shù)據(jù)序號(hào)，縱軸表示濕度。當(dāng)濕度低于50%時(shí)，加濕器能自動(dòng)開啟；濕度高于65%時(shí)，加濕器能夠進(jìn)入暫停加濕的狀態(tài)。對(duì)加濕器自動(dòng)加濕功能進(jìn)行長達(dá)48小時(shí)測(cè)試，除了濕度初始值以外，環(huán)境濕度基本控制在49%～66%范圍內(nèi)。

圖8 濕度變化曲線

利用單片機(jī)和LD3320芯片，設(shè)計(jì)了一種采用語音控制的加濕器。采用自動(dòng)追頻技術(shù)、溫濕度檢測(cè)技術(shù)、電容式水位探測(cè)和干燒檢測(cè)技術(shù)，使加濕器自動(dòng)的開啟或關(guān)閉，智能的調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境濕度。測(cè)試表明：加濕器語音控制方便快捷，能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，保證空調(diào)房等應(yīng)用場(chǎng)景濕度在人體適宜的范圍內(nèi)。