一種室內(nèi)智能加濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要： 傳統(tǒng)加濕器需要手動操作并且頻繁清洗水箱，針對其以上缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)的智能加濕系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)基本功能前提下，用戶可以根據(jù)自身需要設(shè)定濕度閾值，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)加濕智能化、自動化。水箱內(nèi)安裝紫外線消毒燈，有效抑制有害微生物隨水霧逸散到空氣中，降低水箱清洗頻率。該室內(nèi)智能加濕系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件電路以ST89C52單片機(jī)為核心，包括溫濕度檢測、液位檢測、LCD顯示、報(bào)警裝置與繼電器控制等模塊。軟件編程主要包含主程序和按鍵中斷程序。系統(tǒng)測試表明其具有較高的穩(wěn)定性和安全性，有效提升用戶生活環(huán)境舒適度，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： STC89C52; 智能加濕器; 自動控制; 超聲霧化; 紫外線

中圖分類號： TP23 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Desgn of ntellgent Humdfcaton System

Based on Sngle Chp Mcrocomputer

CHEN Weja

（School of Automaton， X`an Unversty of Posts & Telecommuncatons， X`an 710061）

Abstract： Tradtonal humdfer needs manual operaton and frequent cleanng of water tank. n vew of the above shortcomngs， an ntellgent humdfcaton system desgned n ths paper can set the humdty threshold accordng to the user's requrement. Under the premse of basc functons the system realzes the ntellgence and automaton of ndoor humdfcaton. Ultravolet lamp s nstalled n the water tank to prevent harmful mcroorgansms effectvely from escapng nto the ar wth water mst， and reduce the frequency of cleanng the water tank. The ndoor ntellgent humdfcaton system ncludes hardware desgn and software desgn. The hardware crcut s based on ST89C52 mcrocontroller， ncludng temperature and humdty detecton， lqud level detecton， LCD dsplay， alarm devce and electrc relay control module. Software programmng manly ncludes man program and key nterrupt program. The system test shows that t has hgh stablty and securty， and mproves the comfort of users' lvng envronment effectvely， but also has broad market applcaton prospects.

Key words： STC89C52; ntellgent humdfer; Automatc control; Ultrasound atomzaton; Ultravolet ray

0 引言

在科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，高科技為居民生活舒適度帶來了飛躍式的提升。區(qū)別于傳統(tǒng)家電功能單一操作復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)，智能家電在實(shí)現(xiàn)基本功能基礎(chǔ)上更注重節(jié)能性、智能性和多功能性。加濕器可以增加室內(nèi)空氣濕度，去除靜電減輕干燥空氣對咽喉、鼻粘膜的刺激，在北方冬季極大提高居住環(huán)境舒適度。[1]現(xiàn)今市面的加濕器大多依靠人工操作，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境濕度，容易引發(fā)加濕不及時(shí)或過度加濕的問題。針對以上，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種智能加濕器，當(dāng)室內(nèi)空氣濕度低于設(shè)定值時(shí)，啟動超聲波霧化裝置對空氣加濕，達(dá)到預(yù)定范圍后停止工作，并通過紫外線殺菌技術(shù)有效抑制水箱中細(xì)菌繁殖，降低清洗頻率，增加使用的安全性和便利性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文提出的智能加濕系統(tǒng)以STC89C52為主控芯片，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)按照功能劃分主要包括電源模塊、主控芯片及附屬電路、濕度傳感器、按鍵設(shè)置模塊、LCD 液晶顯示、液位檢測、繼電器驅(qū)動模塊及報(bào)警裝置。其中繼電器驅(qū)動模塊中包含超聲霧化器與紫外線燈。

系統(tǒng)開啟之后，用戶可以根據(jù)自身需要通過按鍵設(shè)定濕度理想值和水箱液位報(bào)警下限。當(dāng)傳感器測量的濕度值小于設(shè)定值時(shí)，啟動超聲霧化器增加空氣濕度;當(dāng)測量值大于設(shè)定值或水箱液位小于下限值時(shí)，系統(tǒng)自動關(guān)閉。報(bào)警裝置包括蜂鳴器和LED指示燈，當(dāng)加濕系統(tǒng)正常工作時(shí)，綠色LED燈亮;液位過低時(shí)紅色LED燈亮并啟動蜂鳴器，提示用戶向水箱加水。用戶可以通過按鍵控制加濕器進(jìn)入水箱消毒模式，開啟置于水箱內(nèi)的紫外線燈，30分鐘后自動關(guān)閉。溫濕度和液位的實(shí)時(shí)測量值和設(shè)定值在LCD上顯示，方便掌握加濕系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

STC89C52具有低成本、低功耗、高性能的特點(diǎn)，在醫(yī)療、家電、教育等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。該款微控制器片上資源豐富，完全滿足加濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。圖2為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理圖。

2.1 電源模塊

系統(tǒng)中超聲霧化器和紫外線燈需要24 V直流電源供電，其他部分則需要5 V電壓供電。為方便操作選擇電源適配器提供24 V電壓，并通過降壓調(diào)節(jié)器輸出5 V電壓。MP2303是單片的同步整流調(diào)節(jié)器，集成度高使用方便。

2.2 溫濕度檢測與LCD顯示

DHT11溫濕度傳感器通過單線口發(fā)送串行數(shù)據(jù)，并且內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換功能直接向單片機(jī)輸出數(shù)字量。傳感器外部電路簡化，抗干擾性能較好，檢測精度高可靠性高。LCD需要顯示室內(nèi)空氣的實(shí)時(shí)溫濕度、水箱水位實(shí)時(shí)測量值和用戶設(shè)定閾值。LCD1602可以同時(shí)顯示32個(gè)字符，滿足設(shè)計(jì)要求，控制簡單使用成本低。

2.3 按鍵與報(bào)警電路

系統(tǒng)中應(yīng)用3個(gè)輕觸開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的設(shè)定。S1與單片機(jī)P1.5引腳相接，該按鍵為菜單選擇按鍵，通過此按鍵選擇操作項(xiàng)目。主頁面下短按S1按鍵時(shí)，屏幕光標(biāo)跳轉(zhuǎn)。按鍵S2與單片機(jī)P1.6引腳相接，實(shí)現(xiàn)數(shù)值加操作。按鍵S3與單片機(jī)P1.7引腳相接，實(shí)現(xiàn)數(shù)值減操作。主頁面下長按S1鍵啟動紫外線燈開啟水箱消毒模式。

報(bào)警電路包括蜂鳴器和兩個(gè)LED指示燈。D1為綠色LED指示燈，接單片機(jī)P2.2引腳，D1亮表示正常工作;紅色LED指示燈D2接P2.1引腳，D2亮表示水位過低。蜂鳴器與三極管Q1接電阻R6，接單片機(jī)P1.4引腳，P1.4端口輸出為低電平的時(shí)候，蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)出聲報(bào)警信號。

2.4 液位檢測模塊

液位檢測的目的是防止加濕器干燒。最常用的防干燒方法有兩種，熱熔斷法和電流檢測法。第一種在最嚴(yán)重發(fā)熱的元件處添加熱熔斷體;當(dāng)熔斷體熔斷后需要及時(shí)更換，增加成本影響使用效果。第二種檢測加濕器工作電流，當(dāng)電流超過安全上限后自動關(guān)機(jī);檢測電流實(shí)時(shí)性差，容易帶來誤操作影響正常工作。[2]系統(tǒng)采用超聲波測距的方法實(shí)時(shí)監(jiān)測水箱水位，在水位達(dá)到安全下限時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，提高加濕器的安全性和穩(wěn)定性?？刂齐娐方o予超聲波發(fā)射器觸發(fā)信號，超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，當(dāng)波傳播到水面后以原來波速反射。收到反射波時(shí)模塊輸出響應(yīng)信號，通過觸發(fā)信號與響應(yīng)信號之間的時(shí)間差求得待測距離，在通過水箱高度算出水位高度。

HC-SR04模塊測量范圍2 cm到4 m，測距精度3 mm，完全滿足家用加濕器水箱容量使用要求。模塊共四個(gè)管腳，TRG為觸發(fā)控制信號輸入接單片機(jī)P3.6引腳，ECHO回響信號輸出接P3.7引腳。

2.5 繼電器驅(qū)動模塊

超聲霧化片通過超聲波高頻振蕩將水霧化為1到5 μm的超微粒子，經(jīng)風(fēng)動裝置擴(kuò)散到空氣中，達(dá)到加濕的目的。[3]相比于傳統(tǒng)加熱型加濕器，超聲霧化器加濕成本低、效率高、安全性高，在醫(yī)療、美容、清洗等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為了提高超聲霧化穩(wěn)定性，這里選擇產(chǎn)品化的超聲波霧化頭。實(shí)物如圖3所示，在正確的使用情況下，霧化頭的使用壽命可達(dá)3 000 h，且替換方便。

選用繼電器來實(shí)現(xiàn)對超聲波霧化頭的控制。當(dāng)單片機(jī)P2.2引腳輸出為低電平信號時(shí)，三極管就導(dǎo)通繼電器吸合，超聲波霧化頭得電開始工作;P2.2引腳輸出為高電平信號時(shí)，此時(shí)三極管截止繼電器失電斷開，超聲波霧化頭斷電停止工作。

一般情況下超聲霧化器釋放的水霧中含有大量細(xì)菌雜質(zhì)，這些污染物被人體吸入后容易帶來健康隱患。為防止水中的微生物散布到空氣中，在水箱中放置紫外線消毒燈。紫外線可以有效破壞細(xì)菌病毒中遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，使生物體喪失復(fù)制繁殖能力，從而達(dá)到殺菌消毒的效果。[4-5]外線殺菌作用較強(qiáng)，但對物體的穿透能力很弱，因此不會穿透水箱影響外部動植物。紫外線燈需要通過逆變器接入電路中，同樣用繼電器控制紫外線燈的開啟和停止。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序主要包括主程序和按鍵中斷程序。圖4為系統(tǒng)主程序流程圖。

單片機(jī)上電后系統(tǒng)初始化，包括打開中斷允許、啟動定時(shí)器。啟動溫濕度傳感器讀取當(dāng)前環(huán)境溫濕度，超聲波測距模塊測量出到液面距離，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸送給LCD顯示。判定液位高度是否大于設(shè)定的液位最低值，若不滿足要求，加濕系統(tǒng)啟動聲光報(bào)警模塊，提示用戶及時(shí)加水，單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)。用戶加水后重新上電啟動單片機(jī)。液位大于設(shè)定值時(shí)，判斷當(dāng)前濕度是否小于設(shè)定值，滿足條件開啟霧化器進(jìn)行加濕;若當(dāng)前環(huán)境濕度大于設(shè)定值則關(guān)閉霧化器。等待10 s之后進(jìn)入下一次讀取循環(huán)。在水箱中水充足的前提下，系統(tǒng)自動檢測空氣濕度并自動開啟和關(guān)閉霧化器，擺脫手動操作。

加濕系統(tǒng)通過按鍵S1進(jìn)入中斷程序，中斷程序流程圖如圖5。

計(jì)時(shí)2 s之后重新判斷S1鍵是否按下，判斷為真則用戶長按S1鍵，開啟紫外線燈進(jìn)入水箱消毒模式。結(jié)束中斷程序之后返回主程序，與此同時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，30分鐘后自動關(guān)閉紫外線燈，完成水箱消毒。若用戶沒有長按S1，LCD顯示進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定頁面，通過S1鍵選擇需要更改的參數(shù)，S2和S3鍵分別實(shí)現(xiàn)+1和-1操作。在該頁面3s之內(nèi)無操作自動返回主顯示頁面，中斷程序結(jié)束返回主程序。

4 系統(tǒng)測試

基于單片機(jī)的智能加濕系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。在接通電源后，LCD1602液晶顯示屏顯示室內(nèi)環(huán)境的當(dāng)前溫濕度值。將超聲波測距模塊遠(yuǎn)離液面模擬水箱水位降低到安全值以下情況時(shí)，霧化器立即停止工作，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警， 紅色 LED 指示燈亮起。將超聲波測距模塊移開液面至一定距離重新上電，霧化器重新開始加濕工作。

圖7為LCD顯示主頁面，顯示參數(shù)包括當(dāng)前溫濕度、液位高度和設(shè)定的濕度與液位閾值。圖8為參數(shù)設(shè)定界面，使用S1鍵移動光標(biāo)選擇改變的參數(shù)，再通過S2、S3鍵設(shè)置目標(biāo)濕度值。目標(biāo)濕度值小于當(dāng)前實(shí)際濕度值時(shí)，霧化器開始加濕工作，目標(biāo)濕度值大于等于實(shí)際濕度值時(shí)，霧化器停止加濕工作。

經(jīng)過對外部元件與控制系統(tǒng)的硬件及軟件環(huán)節(jié)的調(diào)試，本次設(shè)計(jì)的智能加濕系統(tǒng)可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，達(dá)到了對空氣濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，實(shí)現(xiàn)加濕器的自動化智能化，提高安全性與穩(wěn)定性。

5 總結(jié)

本文應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)了智能加濕系統(tǒng)，通過軟件編程控制外部元件，改進(jìn)了傳統(tǒng)加濕器防干燒功能并加入水箱消毒功能。試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)了預(yù)期要求，填補(bǔ)室內(nèi)空氣濕度智能調(diào)節(jié)的空白。但是仍然存在需要改進(jìn)的部分，比如部分器件需要安裝在水箱中，加濕系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的大量水汽可能影響其正常工作和使用壽命。為克服此問題，對后期機(jī)械封裝提出了較高要求。放眼未來市場，智能加濕器一定會以其低廉的成本突出的安全性與實(shí)用性獲得更廣闊的應(yīng)用前景。

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（收稿日期： 2019.07.18）

基金項(xiàng)目：陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018ZDXM-GY-039）;陜西省科技廳基金資助項(xiàng)目（2016ZCKJ3-091）;西安市科技局基金資助項(xiàng)目（201805040YD18CG24）

作者簡介：陳維佳（1990-），女， 唐山， 碩士， 助理工程師，研究方向：儀器儀表與自動化控制。文章編號：1007-757X（2020）01-0064-04