張洪英，章安福，譚華納

（廣州市工貿(mào)技師學(xué)院，廣東廣州，510000）

0 引言

目前使用的空調(diào)絕大多具備了除濕功能，但是沒(méi)有自帶溫濕度感應(yīng)器，無(wú)法在關(guān)閉空調(diào)的情況下實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境溫濕度，也就無(wú)法進(jìn)行溫濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。如華南地區(qū)潮濕天氣時(shí)，墻壁極其容易掛上水汽，如果不能及時(shí)進(jìn)行除濕處理，容易造成墻體發(fā)霉脫落、墻體裂痕等嚴(yán)重后果。而目前的除濕處理方法有以下三種：

（1）放置除濕劑、石灰包，能達(dá)到除濕的面積小于2平米，且要時(shí)常更換。

（2）購(gòu)買專用的除濕器，一般的品牌除濕器要上千元費(fèi)用，需要專門的放置地方，同時(shí)還需要人工倒水。

（3）手動(dòng)開啟空調(diào)的除濕功能，當(dāng)用戶不在家時(shí)，濕度升高，將無(wú)法及時(shí)開啟空調(diào)的除濕功能進(jìn)行除濕，影響用戶體驗(yàn)。

市場(chǎng)上除濕效果好的除濕器要么價(jià)格高、需要安裝，操作不便，要么無(wú)法及時(shí)響應(yīng)對(duì)室內(nèi)濕度進(jìn)行調(diào)整。因此，要解決上述的問(wèn)題需要提供一種空調(diào)的溫濕度自動(dòng)控制的裝置以及控制方法，該裝置能自主開啟或關(guān)閉空調(diào)并且能開啟或關(guān)閉除濕功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)組成可以概括為環(huán)境檢測(cè)和終端控制。主要包括單片機(jī)控制單元、溫度傳感器、濕度傳感器、通信模塊、按鈕輸入模塊、存儲(chǔ)模塊。溫濕度傳感器高頻自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫濕值，由單片機(jī)控制單元完成數(shù)據(jù)分析，并通過(guò)通信模塊與空調(diào)之間進(jìn)行交互。當(dāng)室內(nèi)存在多臺(tái)空調(diào)設(shè)備時(shí)，單片機(jī)控制單元根據(jù)傳感器采集的當(dāng)前溫濕度值，確定發(fā)送控制指令開啟空調(diào)的數(shù)量，使溫濕度加快速度恢復(fù)正常范圍內(nèi)。同時(shí)用戶可以通過(guò)按鈕輸入模塊調(diào)整輸入預(yù)設(shè)的溫濕度上下限閾值，而調(diào)整后溫濕度的上下閾值會(huì)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中，在單片機(jī)控制單元分析溫濕度值是否處于正常范圍提供參考數(shù)值。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

■1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中單片機(jī)控制單元采用意法半導(dǎo)體公司32 位低功耗嵌入式微控制器STM32F103C8T6；溫濕度傳感器采用AM2302 溫濕度模塊，該模塊屬于濕敏電容數(shù)字型，具有精度高、低功耗、穩(wěn)定性好、成本低、已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出等特點(diǎn)；通信模塊采用紅外線發(fā)射二極管和VS1838B 紅外接收管組成。

1.1.1 環(huán)境檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

環(huán)境檢測(cè)由AM2302 濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊、嵌入式微控制器STM32F103C8T6 組成。AM2302 溫濕度傳感器主要由一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度測(cè)溫元件組成，兩個(gè)元件采集數(shù)據(jù)后經(jīng)內(nèi)置的高性能8 位單片機(jī)進(jìn)行校注再通過(guò)單總線接口輸出，再由控制器進(jìn)一步處理。AM2302溫濕度傳感器的工作電壓為3.3V～5.5V DC。環(huán)境檢測(cè)電路如圖2 所示。

圖2 環(huán)境檢測(cè)電路

1.1.2 終端控制電路設(shè)計(jì)

終端控制由單片機(jī)控制單元、通信模塊、按鈕輸入模塊組成，各模塊主要的功能為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。終端控制電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 終端控制電路

（1）由STM32F103C8T6 單片機(jī)控制單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，就如人類的大腦。它接收來(lái)自各種傳感器和外部設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入，并根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的程序邏輯對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和決策。STM32F103C8T6 電氣原理圖如圖4 所示。

圖4 STM32F103C8T6 電氣原理圖

（2）通信模塊控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的通信模塊主要作用有兩部分，一部分是當(dāng)微控制器通過(guò)環(huán)境檢測(cè)感知到需要開啟或者關(guān)閉空調(diào)時(shí)，控制器就會(huì)通過(guò)發(fā)送脈沖的形式將相關(guān)的空調(diào)編碼協(xié)議通過(guò)紅外線發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中空調(diào)的控制。為了確?？照{(diào)上的紅外接收管能夠正確并完整接收到由紅外線發(fā)射二極管產(chǎn)生的紅外波，運(yùn)用了6 枚紅外發(fā)射二極管，實(shí)現(xiàn)多方位的信號(hào)傳播。紅外發(fā)射二極管與微控制器連接電路如圖5 所示。

圖5 紅外線發(fā)射二極管連接電路

通信模塊的另一部分是紅外線接收管的控制。面對(duì)眾多的空調(diào)品牌，本系統(tǒng)加入了空調(diào)編碼協(xié)議學(xué)習(xí)功能，做到在保證兼容主流品牌外還能通過(guò)紅外接收管學(xué)習(xí)任何雜牌空調(diào)的編碼協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種品牌空調(diào)的控制。在本系統(tǒng)中所使用的紅外接收管為VS1838b。它內(nèi)置了高速高靈敏度PN 光電二極管和低功耗、高增益前置放大IC，同時(shí)具備高強(qiáng)的抗干擾、低功耗等特點(diǎn)。紅外接收管與微控制器連接電路如圖6 所示。

圖6 紅外接收管連接電路

（3）按鈕輸入模塊控制電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中按鈕輸入模塊主要地作用：

（1）第一次使用空調(diào)除濕器時(shí)測(cè)試與空調(diào)的對(duì)頻。

（2）空調(diào)除濕器沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的空調(diào)編碼協(xié)議時(shí)用于開啟學(xué)習(xí)功能，學(xué)習(xí)該空調(diào)的編碼協(xié)議。按鈕輸入模塊的連接電路非常簡(jiǎn)單如圖7 所示。

圖7 按鈕輸入模塊連接電路

■1.2 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中環(huán)境檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集傳感器AM2302 采用了簡(jiǎn)化的單總線通信，通過(guò)單數(shù)據(jù)總線（SDA）一次能傳送40 位數(shù)據(jù)。具體通信格式如表1 所示。AM2302 溫濕度傳感器在上電后會(huì)等待2s 將不穩(wěn)定的信號(hào)過(guò)濾掉，再進(jìn)行環(huán)境溫濕度的檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù)。待3s 過(guò)后微控制器將會(huì)根據(jù)I/O 電平的變化接收40 位數(shù)據(jù)。在完成一次溫濕度采集后，微控制先將40 位數(shù)據(jù)中的溫濕度各16 位二進(jìn)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行10 進(jìn)制轉(zhuǎn)換（進(jìn)制轉(zhuǎn)換示例如表2 所示），隨后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際的數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)時(shí)，微控制器就會(huì)通過(guò)紅外發(fā)射二極管給空調(diào)發(fā)送開機(jī)和開啟除濕功能的指令，使空調(diào)對(duì)環(huán)境進(jìn)行除濕處理。在空調(diào)除濕的過(guò)程，微控制器進(jìn)入等待狀態(tài)，等待AM2302 溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫濕度小于程序中預(yù)設(shè)溫濕度值時(shí)，微控制器進(jìn)入指令發(fā)送狀態(tài)，通過(guò)紅外發(fā)射二極管向空調(diào)發(fā)送關(guān)機(jī)的指令。為了節(jié)約資源，在完成一次空調(diào)自主除濕后，可以使空調(diào)退出濕度或溫度調(diào)整模式，在關(guān)閉空調(diào)后本系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，默認(rèn)為1 小時(shí)。待休眠期過(guò)后，微控制器會(huì)再次進(jìn)入溫濕度檢測(cè)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度狀態(tài)，一直往復(fù)執(zhí)行。該過(guò)程即為本系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，流程圖如圖8 所示。

表1 AM2302通信格式

表2 溫濕度值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換示例

圖8 系統(tǒng)控制流程圖

在本系統(tǒng)中還有4 盞不同的指示燈，分別是電源指示燈、濕度指示燈、開機(jī)指示燈和信號(hào)指示燈，它們各自擔(dān)負(fù)著特定的功能。首先，電源指示燈用于反映主電路板的電源狀態(tài)，為用戶提供了電源工作狀態(tài)的直觀指示。其次，濕度指示燈的作用是濕度傳感器探測(cè)到超過(guò)預(yù)設(shè)值的濕度水平時(shí)點(diǎn)亮，使用戶能夠快速察覺(jué)到濕度升高的情況。第三，當(dāng)紅外發(fā)射管向空調(diào)發(fā)送開機(jī)指令時(shí)，開機(jī)指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)燈也會(huì)閃爍。這個(gè)聯(lián)動(dòng)效應(yīng)旨在提醒用戶系統(tǒng)正在啟動(dòng)。最后，當(dāng)需要進(jìn)行學(xué)習(xí)代碼的功能時(shí)，用戶只需按下按鍵三下，信號(hào)指示燈會(huì)開始閃爍，這表明裝置已進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，可以開始學(xué)習(xí)空調(diào)遙控內(nèi)置的控制代碼以控制空調(diào)。一旦紅外接收管接收到紅外信號(hào)，信號(hào)指示燈停止閃爍，標(biāo)志著學(xué)習(xí)過(guò)程成功完成。4 盞指示燈連接電路如圖9 所示。

圖9 指示燈連接電路

2 實(shí)驗(yàn)

為了更好展現(xiàn)本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成果，我們采用了綜合的實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)實(shí)物和理論模型。通過(guò)綜合方法，我們能深入研究并驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，同時(shí)也能夠通過(guò)理論環(huán)境中探索系統(tǒng)潛在行為。

■2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

考慮到現(xiàn)實(shí)中空調(diào)設(shè)備通常被安裝在室內(nèi)、機(jī)房或商店等地方，為了更好展示本研究的實(shí)驗(yàn)成果，我們隨機(jī)選定環(huán)境以及空調(diào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確保研究的可實(shí)際應(yīng)用性。在使用或?qū)嶒?yàn)過(guò)程中，要確?？刂破骶嚯x空調(diào)設(shè)備不超過(guò)5 米，以確保其處于紅外發(fā)送范圍內(nèi)。

同時(shí)采用先進(jìn)的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。這些傳感器被分布在實(shí)驗(yàn)室不同的位置，以捕獲各種環(huán)境變化，以便了解空調(diào)除濕器在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境中的性能表現(xiàn)。

■2.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程

為了確保模擬實(shí)際情況下環(huán)境濕度達(dá)到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中使用濕潤(rùn)的紙巾或毛巾覆蓋在濕度傳感器上，以確保其采集到的數(shù)據(jù)能夠符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。如圖10 所示，展示了實(shí)際的環(huán)境溫濕度。左邊為環(huán)境溫度；右邊為環(huán)境濕度。

圖10 實(shí)測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

隨著環(huán)境濕度上升，當(dāng)濕度傳感器的閾值大于80%，紅外發(fā)射二極管就會(huì)發(fā)射開啟空調(diào)除濕信號(hào)，開啟空調(diào)除濕功能；當(dāng)濕度傳感器的閾值小于65%，紅外發(fā)射二極管就會(huì)發(fā)射關(guān)閉空調(diào)信號(hào)，關(guān)閉空調(diào)。執(zhí)行特性如圖11 所示。

圖11 控制器執(zhí)行情況與濕度關(guān)系

圖12 空調(diào)智能除濕器實(shí)物

3 結(jié)語(yǔ)

本研究基于STM32 單片機(jī)開發(fā)了一款空調(diào)智能除濕器，該裝置通過(guò)環(huán)境檢測(cè)和終端控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境濕度變化和智能控制功能。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們證明了該裝置的性能穩(wěn)定性和安全可靠性，成功解決了季節(jié)氣候變化帶來(lái)的潮濕問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，從而降低了能源浪費(fèi)。這一智能家居產(chǎn)品充分滿足了用戶的生活需求，同時(shí)也克服了同類產(chǎn)品的技術(shù)缺陷，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)具備自動(dòng)檢測(cè)和智能控制功能的空調(diào)自動(dòng)除濕控制裝置。目前，該裝置已經(jīng)在市場(chǎng)上取得了不錯(cuò)的銷售成績(jī)，累計(jì)銷售量已超過(guò)16284 臺(tái)。

未來(lái)，我們計(jì)劃將這一設(shè)計(jì)應(yīng)用到空調(diào)產(chǎn)品制造中，將其嵌入空調(diào)設(shè)備，同時(shí)還有擴(kuò)展功能的潛力，可以實(shí)現(xiàn)多區(qū)域協(xié)同控制，以更好地滿足用戶的需求。這一研究為智能家居領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力地支持，并為未來(lái)的研究和應(yīng)用提供了有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。