蘆照烜，徐鳳珍，龍順宇

（海南熱帶海洋學(xué)院 海洋信息工程學(xué)院，海南三亞， 572022）

0 引言

近年來，隨著社會(huì)進(jìn)步以及人們對(duì)于生活水平的要求不斷提高，生活舒適度日漸受到人們的關(guān)注，而空氣濕度是影響人們生活舒適度的關(guān)鍵因素之一。人生活在相對(duì)濕度45%～65%的環(huán)境中最感舒適[1]。當(dāng)室內(nèi)濕度過大時(shí)，人體皮膚周圍的水蒸氣壓力較大，當(dāng)濕度過小時(shí)，人體的皮膚變得粗糙干裂，免疫力下降[2]。以USB供電，利用單片機(jī)通過掃頻獲取頻率，再產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路使霧化片高頻諧振將液態(tài)水分子打散產(chǎn)生水霧，以調(diào)節(jié)空氣濕度。反饋網(wǎng)絡(luò)傳遞電壓信號(hào)，使該霧化器工作更加穩(wěn)定，同時(shí)也防止了霧化片的損壞（干燒）。通過移動(dòng)終端的藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制以及定時(shí)功能，使霧化器更便捷易用。本文以調(diào)節(jié)空氣濕度從而提高人們生活舒適度為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種低功耗，低成本，簡(jiǎn)單易用的超聲波霧化器，以滿足人們的日常生活需求。

1 系統(tǒng)框架及功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多功能超聲波霧化器由STC8H8K64U單片機(jī)為控制核心，主控控制水位檢測(cè)報(bào)警的響應(yīng)，實(shí)時(shí)讀取DHT20溫濕度檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)，以及通過藍(lán)牙透?jìng)髂K接收移動(dòng)終端的信息，從而實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)報(bào)警，顯示環(huán)境溫濕度，通過藍(lán)牙連接移動(dòng)終端中距離控制等智能化功能，單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)控制MOSFET開關(guān)經(jīng)過三腳升壓電感后驅(qū)動(dòng)霧化片，使固有頻率為108kHz左右的微孔霧化片產(chǎn)生高頻諧振將液態(tài)水分子打散成自然飄逸的霧化顆粒，以調(diào)節(jié)空氣濕度。本文超聲波霧化器系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 超聲波霧化器系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、霧化片驅(qū)動(dòng)電路、采樣信號(hào)處理電路、LCD顯示液晶、藍(lán)牙透?jìng)髂K、DHT20溫濕度傳感器等。STC8單片機(jī)接收經(jīng)過采樣信號(hào)處理電路的模擬信號(hào)，再通過發(fā)出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)霧化片工作，形成反饋控制，DHT20溫濕度傳感器將獲得的空氣中的溫濕度信息傳遞給STC8單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理后在LCD液晶上顯示，藍(lán)牙透?jìng)髂K近距離接收從移動(dòng)終端獲得的信息，該系統(tǒng)采用5V供電?？蓱?yīng)用于調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度等一般場(chǎng)景。

■2.1 霧化片驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

霧化片驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。由單片機(jī)發(fā)出占空比為50%的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)，電壓信號(hào)流入三角電感產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)把電信號(hào)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)打散液態(tài)水分子形成自然飄逸的水霧。

圖2 霧化片驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖3為霧化片驅(qū)動(dòng)電路等效電路圖，霧化片可看作固有頻率為108kHz左右的陶瓷壓電片，圖中SW1等效于MOSFET開關(guān)，Rq、Cq和Lq組成RLC串聯(lián)電路，當(dāng)電路未到達(dá)霧化片固有頻率時(shí)，XL≠XC，由公式(1)、(2)：

圖3 霧化片驅(qū)動(dòng)電路等效電路圖

圖中C0為靜態(tài)電容，Rq為動(dòng)態(tài)電阻，Cq為動(dòng)態(tài)電容，Lq為動(dòng)態(tài)電感。

式中Z為串聯(lián)諧振電路的總電抗，R為Rq的阻值，XL為L(zhǎng)q感抗，XC為Cq容抗值，φ為阻抗角。得阻抗角φ不為0，霧化片兩端電壓存在相位差，霧化量小，霧化速率低。當(dāng)該電路工作在霧化片固有頻率時(shí)，霧化片內(nèi)部RLC串聯(lián)電路諧振，XL=XC，阻抗角為0，電抗為0，電感和電容在互相交換能量（無功功率），電流最大。RLC串聯(lián)電路此時(shí)顯純電阻特性，電阻max為150Ω。而動(dòng)態(tài)電阻Rq、靜態(tài)電容C0和三腳升壓電感組成RLC并聯(lián)諧振電路如圖4所示。

同樣當(dāng)XL=XC，諧振頻率計(jì)算公式同RLC串聯(lián)諧振公式一樣，在圖4中，RLC并聯(lián)諧振時(shí)，電容C0和電感L1、L2在互相交換能量，此時(shí)的C0和L1、L2對(duì)外界電路來說相當(dāng)于“虛斷”，電流只從電阻流過，電抗依然為0，電流最大。所以本文選擇三腳電感時(shí)，盡量選擇了電感值和霧化片靜態(tài)電容匹配的三腳升壓電感。本文中的三腳升壓電感共797μH，靜態(tài)電容3200pF，理論上該霧化片驅(qū)動(dòng)電路并聯(lián)諧振頻率應(yīng)接近霧化片的串聯(lián)諧振頻率108kHz。由諧振頻率公式：

圖4 霧化片內(nèi)部諧振后等效電路圖

計(jì)算得，f≈99.7kHz（計(jì)算過程中保留了小數(shù)點(diǎn)后1位，計(jì)算結(jié)果比實(shí)際偏大），所以我們選擇的三腳升壓電感是偏小的，理想情況下，三角電感和靜態(tài)電容匹配，計(jì)算所得的諧振頻率f應(yīng)為108kHz。

■2.2 采樣信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的采樣信號(hào)處理電路由交流偏置放大和峰值檢測(cè)兩部分組成，由于驅(qū)動(dòng)霧化片所需要的電壓信號(hào)波形是正弦波，所以經(jīng)過采樣電阻的電壓信號(hào)為交流弱信號(hào)，利用霧化片驅(qū)動(dòng)電路諧振時(shí)，電抗為零，電流最大的特性，利用歐姆定律可知此時(shí)采樣電阻上的電壓最大，但單片機(jī)無法采集交流信號(hào)，應(yīng)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行一定的處理?？紤]到電源限制，使用了交流偏置放大，僅一個(gè)+5V的電源即可滿足采樣信號(hào)處理需求，經(jīng)過放大后的信號(hào)再經(jīng)過峰值檢測(cè)，最終轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以采集的直流電壓信號(hào)，再經(jīng)過STC8內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，至此單片機(jī)完成霧化片工作反饋信號(hào)的采集。如圖5所示。

圖5 采樣信號(hào)處理電路原理圖

初級(jí)放大采用集成運(yùn)放電路可以提高電路的穩(wěn)定性，減少外圍器件的使用以及調(diào)試的復(fù)雜性[3]。圖中電路U2.1采用的是直流全反饋交流同向放大電路，電容隔交通直，使得只對(duì)交流有放大作用，對(duì)直流沒有。對(duì)直流通路來講，相當(dāng)于一個(gè)電壓跟隨器，同時(shí)該電路為同向放大電路，具有較高的輸入阻抗，能很好將輸出的靜態(tài)電壓工作點(diǎn)提高，只放大交流信號(hào)。

僅對(duì)直流分析，輸出端電壓可由式(5)：

我們要獲得2.5V的輸出電壓，而供電電壓為+5V，由Uo=Ui/2，只要R7=R8就可得到相應(yīng)的電壓值。

僅對(duì)交流分析輸出信號(hào)的幅值電壓可由式2：

其中Rf為RF2，Rg為RF1。Uo=10*Ui，即(Rf+Rg+1/jωC)/(Rg+1/jωC)=10，為了盡可能地把隔直電容對(duì)反饋網(wǎng)絡(luò)的影響減小，以使電路更加穩(wěn)定，所以1/jωC應(yīng)盡可能小，對(duì)于隔直電容C參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)輸入的頻率為100kHz左右，可得ω=2πf=618.5k。電容阻值Zc=1/jωC，當(dāng)C取100μF時(shí)，電容阻抗Zc≈0.016Ω，Zc遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Rg，所以電容對(duì)反饋網(wǎng)絡(luò)電阻的影響很小，可以忽略不計(jì)，滿足設(shè)計(jì)要求。

從而電阻公式化簡(jiǎn)為(Rf+Rg)/Rg=10，這里取Rf=30k,Rg=3k。高速的應(yīng)用中會(huì)應(yīng)用100～1k之間，但會(huì)增大電流消耗，便攜設(shè)計(jì)中阻值在1～10M之間，但會(huì)增大系統(tǒng)噪聲，故此電路中都采用1～100k的電阻。

隨后對(duì)輸入信號(hào)的峰值信號(hào)進(jìn)行提取，傳統(tǒng)峰值采集電路存在兩個(gè)主要缺陷：(1)存在二極管的正向?qū)▔航担?2)電容器易受后續(xù)電路的影響，導(dǎo)致電荷泄漏，保持時(shí)間與精度就無法保證[4]。當(dāng)交流信號(hào)V+出現(xiàn)正增量時(shí)，U2.2運(yùn)放u+和u-之間出現(xiàn)差值，運(yùn)放開始輸出電壓輸出二極管給電容充電，（如果沒有U2.3）當(dāng)輸出電壓接近V+峰值時(shí)，u+與u-之間差值趨近于0，運(yùn)放進(jìn)入負(fù)飽和，輸出電壓就接近地。加第二個(gè)運(yùn)放后有效避免了運(yùn)放進(jìn)入負(fù)飽和狀態(tài)導(dǎo)致的輸出信號(hào)失真。電路仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 采樣信息處理電路仿真結(jié)果

■2.3 單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)要求，需要實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)報(bào)警，檢測(cè)溫濕度，以及通過藍(lán)牙透?jìng)髂K接收移動(dòng)終端的信息，顯示環(huán)境溫濕度，通過按鍵設(shè)置霧化時(shí)間，霧化等級(jí)等功能，本文選擇了利用單片機(jī)引腳信號(hào)控制蜂鳴器實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)報(bào)警，溫濕度傳感器DHT20來檢測(cè)溫濕度，藍(lán)牙透?jìng)髂KHC-06負(fù)責(zé)藍(lán)牙通信，LCD液晶顯示霧化設(shè)定的值以及一些參數(shù)，通過MicroUSB接口5V供電，單片機(jī)及外圍電路如圖7所示。

圖7 單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)

電路中的U4為DHT20傳感器，溫度范圍為-40℃～+80℃±0.5℃，濕度范圍為0～100%RH±3%RH（25℃）滿足一般場(chǎng)景應(yīng)用。在測(cè)量精度、供電電壓、測(cè)量范圍、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性等方面的性能參數(shù)相較DHT11都有大幅提升。具有出廠標(biāo)定、低功耗、高精度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，采用完全校準(zhǔn)的數(shù)字I2C接口，響應(yīng)迅速，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。

電路中的H1為HC-06藍(lán)牙透?jìng)髂K，該模塊只能工作在從機(jī)模式，不能主動(dòng)建立連接，硬件上用CSR (Cambridge Silicon Radio)公司的BC417143芯片，支持藍(lán)牙2.1+EDR規(guī)范，未連接任何設(shè)備時(shí)，可通過AT指令設(shè)置該模塊的波特率、配置密碼等，移動(dòng)終端連接成功后，可以短距離和單片機(jī)進(jìn)行無線通信，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)隨時(shí)控制霧化器的效果。此外，電路中的KEY1～KEY4分別連接單片機(jī)的GPIO口，配合LCD1602實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，單片機(jī)P32控制蜂鳴器實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在霧化片掃頻程序、水位檢測(cè)編程。系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

■3.1 霧化片掃頻程序設(shè)計(jì)

通過上文對(duì)霧化片等效電路的分析，單片機(jī)輸出PWM信號(hào)頻率對(duì)霧化片的霧化速率，霧化量大小有著舉足輕重的作用。更有研究表明，霧化片阻抗最小時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振頻率能使霧化片的霧化性能更好[5]。掃頻程序流程如圖9所示。

圖9 掃頻程序流程圖

開始掃頻，單片機(jī)發(fā)出所要掃取頻率PWM信號(hào)，并接收從采樣信號(hào)處理電路的AD采樣值，存入數(shù)組中，所要掃取的頻率結(jié)束后，比較獲取采樣值最大的頻率作為掃頻獲取的最終霧化片最佳諧振頻率，掃頻過程進(jìn)行單片機(jī)程序化可得如下源碼：

■3.2 水位檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

水位檢測(cè)對(duì)霧化器來說至關(guān)重要，霧化片長(zhǎng)時(shí)間干燒會(huì)減少霧化片壽命甚至導(dǎo)致霧化片直接燒毀。本文根據(jù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)霧化片在缺水后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)采樣電壓信號(hào)上升并保持。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定水位檢測(cè)程序思路：在霧化器開始工作后設(shè)定中斷每2分鐘進(jìn)行一次采樣并把上次采樣值和這次采樣值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判定霧化片是否干燒。如果干燒，單片機(jī)停止輸出PWM信號(hào)并控制蜂鳴器提醒用戶。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的超聲波霧化器實(shí)現(xiàn)了霧化器智能的優(yōu)化，手動(dòng)設(shè)置霧化等級(jí)后實(shí)測(cè)如圖10所示。霧化器實(shí)測(cè)波形如圖11所示。

圖10 霧化器實(shí)測(cè)圖

圖11 霧化器實(shí)測(cè)波形圖

5 結(jié)語

本文給出的多功能超聲波霧化器設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了水位檢測(cè)、移動(dòng)終端近距離控制、霧化時(shí)間的設(shè)定等功能，可滿足醫(yī)療、車載、美容等場(chǎng)景的應(yīng)用。根據(jù)本文研究霧化片等效電路過程中發(fā)現(xiàn)霧化片在最佳諧振點(diǎn)時(shí)，霧化片兩端電壓相位差為零，用相位檢測(cè)電路可實(shí)現(xiàn)硬件自動(dòng)追蹤，降低成本。在改變霧化強(qiáng)度時(shí)，利用占空比調(diào)節(jié)方法發(fā)現(xiàn)與霧化情況并非線性變化，并且波形畸變降低霧化效率。反饋網(wǎng)絡(luò)電阻采用電阻串并連接方式，可以提高反饋網(wǎng)絡(luò)電阻的精度，進(jìn)一步提高放大電路的精度。這些方面可進(jìn)一步改進(jìn)對(duì)接實(shí)際要求。