朱宇軒,陳麗瓊

(湖南科技學院 智能制造學院,湖南 永州 425199)

1 背景及意義

隨著計算機科學與技術(shù)、通信技術(shù)方式、自動化控制等方面的發(fā)展,加濕器也由智能控制代替手動控制,逐漸變得更為自動、智能。此外,隨著智能家居的興起和發(fā)展,加濕器產(chǎn)品的類型也越來越多、造型更為炫目、產(chǎn)品類型也越來越細化。本文采用模擬單一的硬件控制電路,通過采集環(huán)境中的溫濕度值,在預設好的溫濕度閾值下讓設備自動運行,做好環(huán)境中空氣的監(jiān)控與加濕,同時也要防止干燒,避免不必要的問題[1]。

2 加濕器總體設計原理

家用型智能加濕器的最初設計目的是為了實現(xiàn)用溫濕度值與設定閾值的對比結(jié)果才控制加濕器的工作狀態(tài)。具體表現(xiàn)為:將溫濕度感應器采集到的數(shù)據(jù)送到MCU,MCU控制LCD屏顯示采集到的溫濕度數(shù)據(jù),并把數(shù)據(jù)與預先設置的溫濕度初始設置值進行比較,比較結(jié)果會控制繼電器的吸合和釋放,然后達到控制霧化片工作的狀態(tài);利用藍牙的數(shù)據(jù)透傳,可以設置溫濕度的閾值,主控制端通過修改后的閾值與采集到的溫濕度數(shù)據(jù)對比結(jié)果向繼電器發(fā)送指令。通過藍牙修改閾值的操作不會影響加濕器的正常工作[2]。

家用型加濕器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個系統(tǒng)是由主控制端、上位機(手機)、溫濕度采集感應器、LCD顯示器、藍牙接收器、蜂鳴器等模塊構(gòu)成;上位機與MCU的通信采用“主—從”的應答模式,其中上位機處于主模式的工作狀態(tài),MCU處于從模式的工作狀態(tài)。主控制端對數(shù)據(jù)進行集中處理:接收溫濕度數(shù)據(jù),發(fā)送工作指令信息,接收藍牙信息,控制LCD進行實時顯示。繼電器收到來自MCU的指令調(diào)整吸合和釋放的狀態(tài),從而控制霧化片驅(qū)動器是否通電[3-4]。

圖1 家用型加濕器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

3 加濕器系統(tǒng)硬件電路設計與實現(xiàn)

3.1 加濕器系統(tǒng)主控制模塊硬件電路設計

加濕器系統(tǒng)主控制端模塊采用STM32F407ZET6單片機為控制核心部件,這個模塊主要包括STM32F407ZET6單片機以及其外圍的電路、CC2541通信接口電路、USB轉(zhuǎn)串口電路和電源電路。主控制模塊主要是對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中處理,發(fā)送控制指令等。

3.2 加濕器系統(tǒng)的溫濕度模塊硬件電路設計

DHT11感應器的數(shù)據(jù)傳輸只有一個data引腳,是一種單總線串行發(fā)送數(shù)據(jù)的方式,所以它的數(shù)據(jù)輸入可以只由一根線完成。DHT11的data數(shù)據(jù)引腳連接STM32F407ZET6的PD6引腳,VDD接3.3 V的電源,GND接地。

3.3 加濕器系統(tǒng)的加濕模塊硬件電路設計

霧化片的1引腳要與繼電器相連,可以減少加濕模塊的損傷。2引腳與NPN的一個引腳相連,NPN的基極連接MCU的IO口,集電極連接繼電器的GND,發(fā)射極接加濕模塊的2引腳再接地。

3.4 加濕器系統(tǒng)的顯示模塊硬件電路設計

LCD1602液晶屏的D0-D7引腳分別接到單片機的PB8-PB15引腳,VO,VDD,VSS引腳分別接到10K的兩邊,然后接地、接5 V電壓;K引腳接地,A引腳接5 V電壓。接10 K電位器是為了分壓,調(diào)節(jié)LCD屏幕的對比率和亮度。

3.5 加濕器系統(tǒng)的藍牙模塊硬件電路設計

CC2541模塊通過UART_TX,UART_RX串口連接到STM32F4xx的PA9,PA10;22,21,13,14引腳接地,11,12引腳連接電容反饋電路,模塊通過異步串口串行通信方式透傳信息。

4 加濕器系統(tǒng)軟件程序設計與實現(xiàn)

根據(jù)家用型加濕器系統(tǒng)的設計原理、硬件電路設計以及系統(tǒng)設計的技術(shù)要求,本系統(tǒng)的軟件層的設計采用的是C語言實現(xiàn)的模塊化的設計思想,包含了主控制程序、藍牙通信程序、加濕控制程序、報警模塊程序、LCD顯示程序。上位機的透傳使用的是一款安卓4.0以上系統(tǒng)的藍牙調(diào)試器App,CC2541藍牙模塊與單片機的通信模式采用“主—從”的數(shù)據(jù)透傳工作模式,數(shù)據(jù)傳輸采用的是USART串口進行數(shù)據(jù)的透傳,數(shù)據(jù)無須通過校驗,波特率維持在9 600 bps,使用八位數(shù)據(jù)的傳輸。

主控制端對數(shù)據(jù)進行集中處理,采用while輪詢的方式收集DHT11采集到溫濕度信息,每次輪詢得到的數(shù)據(jù)與閾值進行比較,比較的結(jié)果形成一個指令,這個指令被送往加濕模塊和報警模塊,加濕模塊的繼電器通過這個指令決定是開啟繼電器的吸合狀態(tài)還是釋放狀態(tài),同時將信息送往顯示模塊,LCD1602顯示屏進行展示。

藍牙通信程序采用串口中斷的方式修改溫濕度的閾值,期間不會影響其他模塊的工作。

報警模塊根據(jù)主控制端送來的指令,如果超過閾值,報警模塊啟動報警模式,蜂鳴器會響2 s。

5 測試

加濕系統(tǒng)的測試包括硬件電路測試、藍牙透傳無線通信測試、上位機測試、溫濕度數(shù)據(jù)采集測試、顯示數(shù)據(jù)測試和軟硬件聯(lián)合測試,硬件電路測試包括對硬件電路的焊接測試,確保電路板和元器件在焊接后不會短路、反接等。通過測試,該加濕器能正常運行。

6 結(jié)語

根據(jù)加濕器系統(tǒng)的總體設計方案和技術(shù)要求,本文提出了主控制模塊、報警模塊、溫濕度采集模塊、報警模塊、顯示模塊等各模塊的具體設計方案,各模塊方案包括硬件電路設計和軟件層設計。實物制作必須嚴格按照硬件電路圖進行連線,以防造成反接,電路板焊接短路等意外情況。軟件層的設計需要按照模塊化設計思想,使用C語言在Keil開發(fā)平臺實現(xiàn)設計,該加濕器實現(xiàn)了設計的所有功能。