楊浩森，楊智元

（西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西西安，710000）

0 引言

近年來，隨著空氣質(zhì)量逐漸下降，冬季霧霾嚴(yán)重，空氣干燥寒冷，容易引發(fā)多種呼吸疾病及皮膚問題，極大程度影響到人們的身體健康。當(dāng)空氣濕度達(dá)到40%～60%時，人體處于良好狀態(tài)，與此同時大多公共場所人口密集程度較大，缺少通風(fēng)，容易出現(xiàn)健康問題。如今市面上產(chǎn)品大多為功能單一產(chǎn)品，如凈化器多為過濾式除塵，須定時清理濾芯[1]；加熱器易出現(xiàn)加熱時間過長引發(fā)安全隱患等問題；加濕器則多為水箱和底座直接連接，移動過程中易出現(xiàn)撒漏不便于攜帶，還存在著“漏電”問題?；谝陨蠁栴}本文提出了一種多功能凈化器設(shè)計思路，為避免頻繁更換濾芯的麻煩，采用負(fù)離子降塵的方式，并提高了工作效率[2]；過熱保護(hù)強(qiáng)行制冷，解決了在取暖過程中由于加熱時間長引發(fā)的安全問題；同時為防止漏電現(xiàn)象采用水電分離的設(shè)計思路，解決了在使用過程中的安全隱患問題。

考慮到使用主體多為教室等公共場合，增加藍(lán)牙音箱，使用者可通過設(shè)備連接藍(lán)牙播放音樂，如瑜伽教室，健身教室可連接藍(lán)牙音箱播放背景音樂。

1 設(shè)計原則

■1.1 安全性原則

使用過程中容易出現(xiàn)兩種安全問題，第一由于電阻加熱時間過長，會因為自身熱量過高燙傷使用者，甚至?xí)霈F(xiàn)失火現(xiàn)象，保證使用過程安全穩(wěn)定，在溫度過高時需進(jìn)行降溫處理，防止加熱電路產(chǎn)生熱量影響其他電路出現(xiàn)短路，熔斷等現(xiàn)象。第二機(jī)體下方底座蓄水存在漏電現(xiàn)象為防止觸電需做好水電分離防護(hù)處理。

■1.2 方便性原則

當(dāng)下方便使用，操作簡單尤為重要，產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)確保產(chǎn)品便于移動，能使用多種環(huán)境及角度。加濕水箱應(yīng)和機(jī)體保證整體性，防止在移動過程中出現(xiàn)漏水；加熱、加濕、空氣凈化、音箱等功能可各自工作，又能同時作用，提供多種選擇，根據(jù)需求個性化處理各種場景。

2 控制電路

如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由電源穩(wěn)定供電支撐其他模塊工作，調(diào)節(jié)器采用MSP430系列芯片作為主控核心，MSP430單片機(jī)為16位的單片機(jī)，工作溫度為–40~+85℃采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)；擁有大量的寄存器及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器可支撐多種運(yùn)算。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

調(diào)節(jié)器功能包括加熱，加濕凈化，藍(lán)牙音箱，基本工作邏輯為：當(dāng)接通電源后，單片機(jī)初始化，等候命令輸入，若無信號輸入，430單片機(jī)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)入待機(jī)，當(dāng)有信號輸入時，單片機(jī)啟動分辨指令信號，當(dāng)輸入為單一信號，則對應(yīng)模塊進(jìn)行工作，特別的當(dāng)加濕凈化電路工作時首先檢測水位，當(dāng)水位高于最低水位則驅(qū)動對應(yīng)電路工作，若低于最低水位則發(fā)出報警。使用藍(lán)牙音箱時，第一次先長按藍(lán)牙按鈕進(jìn)行配對，配對成功后可播放音樂。第二次及以后使用只需啟動藍(lán)牙就可以自動連接已配對設(shè)備。當(dāng)輸入信號為多指令時，則多個電路同時工作。當(dāng)輸入關(guān)機(jī)指令后，系統(tǒng)關(guān)機(jī)，切斷電源。

3 功能實現(xiàn)

■3.1 加熱功能

3.1.1 加熱硬件設(shè)計

使用DS18B20溫度傳感器作為主要溫控器件[3]、PTC發(fā)熱片作為主要加熱器件，熱阻小，換熱效率高，加熱不“發(fā)紅”安全省電。用MSP430連接多個繼電器來分別控制PTC加熱器[4]。加熱器四面鑲嵌加熱管道使用雙“V”字形結(jié)構(gòu)，出風(fēng)口皆傾斜向上，可通過旋鈕調(diào)節(jié)風(fēng)頁調(diào)整出風(fēng)角度，箱體頂為換氣進(jìn)風(fēng)通道，也可臨時用來放置物品；在烘干衣物時可有效防止水滴落入暖風(fēng)系統(tǒng)。工作時輸入開機(jī)指令，通過溫控傳感器確定加熱檔位，布置在四周的PTC加熱器開始加熱，由內(nèi)部風(fēng)扇將熱風(fēng)經(jīng)風(fēng)道送出達(dá)到暖風(fēng)加熱效果。

3.1.2 加熱電路

為了提高加熱效率，本設(shè)計為三級加熱功能，由六個繼電器控制六個加熱器來實現(xiàn)，使用時通過按鍵在LED屏輸入預(yù)設(shè)溫度。用DBS18B20溫度傳感器測量室溫與單片機(jī)預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。當(dāng)環(huán)境溫度與預(yù)設(shè)溫度相差大于15度時單片機(jī)控制六路加熱器同時工作實現(xiàn)高檔位加熱，當(dāng)溫差在5度和15之間時四路加熱器同時工作實現(xiàn)中檔位加熱，當(dāng)溫差在5度以內(nèi)時則兩路加熱器同時工作實現(xiàn)低檔位加熱。這種設(shè)計安全節(jié)能，不但不會引發(fā)火災(zāi)，而且能夠根據(jù)不同的溫差需求來提供相應(yīng)的加熱等級，大大降低了能量的損耗。

圖2 加熱電路

3.1.3 防過熱電路

為防止加熱電路過熱，當(dāng)加熱工作達(dá)到警戒溫度后，單片機(jī)控制加熱器停止加熱，若此時溫度過高，風(fēng)扇吹入冷風(fēng)冷卻銅網(wǎng)，當(dāng)熱度低于警戒溫度后，加熱電路繼續(xù)工作，即間接性加熱，使溫度一直保持在預(yù)設(shè)溫度，來防止加熱器件過熱引起不必要的災(zāi)害，從而實現(xiàn)溫度自動控制功能。

■3.2 加濕凈化功能

3.2.1 加濕凈化原理

加濕系統(tǒng)采用超聲波霧化，采用超聲波高頻震蕩的原理，將水霧化為1~5μm的超微粒子，通過風(fēng)機(jī)將霧化的水汽吹出殼體，從而達(dá)到加濕空氣的效果，接通電源后.開關(guān)電源輸出36V和12V，輸出兩路電壓36V和12V。其中36V供電水汽霧化模塊，12V供電風(fēng)機(jī)，設(shè)置缺水指示燈和工作指示燈，當(dāng)水箱尚未放到底座或儲水罐內(nèi)缺水時，磁鐵遠(yuǎn)離干簧管，干簧管彈開，缺水指示燈亮，工作指示燈滅，超聲波發(fā)生電路不起振。當(dāng)水箱加入適量水后，磁鐵靠近干簧管，干簧管吸合，同時工作指示燈亮，缺水指示燈滅，電流經(jīng)干簧管，并送到超聲波發(fā)生電路，超聲波發(fā)生電路起振，從而產(chǎn)生霧氣，由風(fēng)機(jī)吹出殼體，達(dá)到室內(nèi)加濕空氣的效果。

選取數(shù)字濕度傳感器DHT11測量室內(nèi)濕度，通過MSP–430單片機(jī)讀取并與用戶在LCD上設(shè)置的最佳相對濕度相比較，進(jìn)而控制加濕，當(dāng)濕度達(dá)到最佳值后停止加濕，防止加濕過度，與負(fù)離子發(fā)生器同時使用，在加濕的同時可達(dá)到降塵的效果，而濕度的增加可加大負(fù)離子電場的擴(kuò)散范圍。當(dāng)環(huán)境濕度維持在50%時可極大程度降低感冒等病毒的存活率[5]，起到緩解流感，高血壓，并對神經(jīng)系統(tǒng)，心血管系統(tǒng)起到一定保護(hù)作用。加濕器使用時可在水箱中加入食醋或消毒水達(dá)到殺菌的效果，也可加入消炎藥或板藍(lán)根等藥品對預(yù)防感冒、改善鼻塞等癥狀均具有效果；還可以在水中加入薰衣草，玫瑰花精油或各類香水起到增香和幫助改善皮膚，安眠的效果。

3.2.2 負(fù)離子作用及發(fā)生及凈化原理

空氣負(fù)離子有很強(qiáng)的捕捉漂浮微塵的能力，可使塵埃沉降，微塵直徑越小越容易被負(fù)離子沉降，如PM2.5，氣溶性微塵，細(xì)菌等都無法在具有大量負(fù)離子濃度的空氣中存在，科學(xué)研究表明當(dāng)負(fù)離子促進(jìn)新陳代謝，使血沉減慢，增加紅細(xì)胞含量，減少肌肉乳酸含量，促進(jìn)蛋白質(zhì)代謝，增強(qiáng)免疫力，使病毒失去攻擊能力。

由于空氣是由多種氣體構(gòu)成，在無外力作用下，各類氣體分子穩(wěn)定呈中性，在直流高壓電場作用下，形成高壓直流電壓，通過負(fù)高壓尖端放電，將周圍空氣電離，電離過程中正離子被吸引至負(fù)極場，而負(fù)離子受到排斥力的作用，離開負(fù)極場，形成運(yùn)動的負(fù)電壓區(qū)，同時在負(fù)極上形成穩(wěn)定放電的區(qū)域，在負(fù)離子場的帶動下，周圍空氣不斷涌入[6]，電離作用不斷擴(kuò)散速度最高可達(dá)到0.3~0.5m/s。

負(fù)離子發(fā)生器由MSP–430單片機(jī)主導(dǎo)產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過兩個串聯(lián)的三極管模塊進(jìn)行功率驅(qū)動，然后加到高頻升壓變壓器上，由變壓器的次級感應(yīng)接近萬伏的電壓，后經(jīng)高壓硅堆進(jìn)行整流，在末端接上碳纖維電極，在此處進(jìn)行電離產(chǎn)生空氣負(fù)離子。為了增加其產(chǎn)出率可以為其再并聯(lián)一個同樣的負(fù)離子發(fā)生器，以提高負(fù)離子凈化能力。

3.2.3 水電分離

傳統(tǒng)加濕器，由于水電不分，在底座水槽蓄滿水后，存在漏電的安全隱患，而當(dāng)施加高壓電場后危險幾率大大增加，所以需進(jìn)行水電分離，加濕凈化系統(tǒng)同時與加熱系統(tǒng)隔熱處理，與水箱分離位于機(jī)體下層，底座通過控制觸片給水箱供電，制霧過程在水箱獨(dú)立完成，加入水位報警當(dāng)水位過低向MSP430發(fā)送低水位信號霧化器停止工作，啟動蜂鳴器報警防止干燒。

■3.3 藍(lán)牙音箱播放功能

3.3.1 藍(lán)牙結(jié)構(gòu)

模塊安置在下層水箱模塊旁邊的隔層里，外殼鑲嵌鋼板音響網(wǎng)罩，AU6210主控芯片連接到430芯片的串行端口，允許430芯片通過藍(lán)牙連接與其他設(shè)備通信，以HT6873為主要功放直接驅(qū)動揚(yáng)聲器，整體模塊占空狹小，傳播范圍廣。HT6873是一款高保真，低EMI的，具有防削頂失真功能的單聲道免濾波D類功放，工作電壓5V。

3.3.2 藍(lán)牙音箱功能實現(xiàn)

AU6210主控芯片是音頻SOC芯片具有32.768kHz晶體，相較于大多為12MHz擁有更低的EMI輻射；HT6873免濾波D功放工作原理如圖3所示，使得模塊所需功耗達(dá)到最小，大大降低了脈沖信號的失真，同時HT6873內(nèi)置關(guān)斷功能，可保證待機(jī)時電流最小，過流（溫）保護(hù)，和欠壓異常保護(hù)等保持了聲音的高效穩(wěn)定傳輸。藍(lán)牙的連接也改善了傳統(tǒng)接線方式的多種不足，使得音箱可以更穩(wěn)定地輸出音頻，AU6210可將其中MP3文件送至解碼器解碼，且支持多設(shè)備掉電記憶，方便快捷。

圖3 藍(lán)牙電路工作流程圖

當(dāng)單片機(jī)輸入指令藍(lán)牙音箱工作，首先與設(shè)備進(jìn)項配對連接，連接成功后，主控芯片AU6210工作將音頻傳輸至喇叭上，當(dāng)喇叭接收到由音源設(shè)備輸出的電信號時，電流會通過喇叭上的線圈，并產(chǎn)生磁場反應(yīng)，通過線圈的交變電流，相互吸引（排斥），線圈受到喇叭上磁鐵的吸引向后（前）運(yùn)動，并發(fā)出聲音。

4 實驗

■4.1 功耗測試

在220V/50Hz的工作電壓下，加熱電路中低檔位功率800W，中檔功率1200W，高功率2000W；加濕電路功率20W，負(fù)離子凈化電路功率30W，音箱功率為5W。各系統(tǒng)共同工作時最大功耗約為2100W。MSP430擁有低功耗待機(jī)功能，在通電情況下，當(dāng)各功能關(guān)閉其功耗，MSP430通過電流僅為0.68~0.71μA。

■4.2 負(fù)離子濃度測試

封閉環(huán)境下，在70㎡，90㎡，110㎡空間大小內(nèi)，負(fù)離子濃度隨時間變化增加，如表1所示。即在通風(fēng)或非封閉條件下負(fù)離子濃度會低于測量值。

表1 負(fù)離子濃度測試

■4.3 溫濕度測試

溫度測試分別在70㎡，90㎡，110㎡的空間大小內(nèi)進(jìn)行測試，當(dāng)溫差處于不同檔位下，由不同檔位進(jìn)行加熱工作，由表2、3可以看出當(dāng)小空間室溫與設(shè)定溫度相差不大時，在5分鐘左右加熱片可加熱到預(yù)設(shè)溫度，并持續(xù)保溫，當(dāng)大空間室溫與設(shè)定溫度相差較大時也可在15分鐘內(nèi)加熱片可加熱到預(yù)設(shè)溫度。濕度測試為室溫26℃初始相對濕度為47%加濕到50%空間所需時間。

表2 溫度測試

表3 濕度測試

5 結(jié)論

出于提升空氣質(zhì)量的思考，本文提出了一種基于MSP430單片機(jī)的藍(lán)牙音箱及空氣調(diào)節(jié)器一體化設(shè)計思路，利用間歇性加熱，過熱保護(hù)，水電分離等技術(shù)解決當(dāng)下加熱、加濕器存在的安全隱患，利用負(fù)離子凈化方式，免除了頻繁更換濾芯及濾芯滋生細(xì)菌等問題，有利于人體健康。實驗表明：當(dāng)處于70㎡，90㎡，110㎡各空間加濕加熱凈化各功能都可在預(yù)定時間內(nèi)達(dá)到預(yù)期效果同時系統(tǒng)基于方便性將各種操作簡潔化，一鍵開啟。藍(lán)牙音箱可連接范圍約10m，為保證藍(lán)牙音箱的穩(wěn)定連接，增加音質(zhì)，信號連接范圍，后期將引入藍(lán)牙5.0技術(shù)[7]更新藍(lán)牙信箱設(shè)備。未來將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低功耗，解決“低功耗，大輸出”難題，同時增加加濕凈化自動停止功能，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)后可自動停止加濕或負(fù)離子產(chǎn)生。