基于單片機的智能濕控噴灑系統

紀慧超 馮國亮

(東北電力大學自動化工程學院,吉林 吉林 132012)

基于單片機的智能濕控噴灑系統

紀慧超 馮國亮

(東北電力大學自動化工程學院,吉林 吉林 132012)

為解決超聲波霧化片驅動過程中產生不必要能耗的問題，設計了一款基于C8051F410單片機的智能濕控噴灑系統。給出了系統的C8051F410外圍電路、PWM方向控制電路、SPWM合成電路和濾波電路。該系統通過溫/濕度傳感器對周圍環境溫/濕度進行檢測來自動調節電路產生的正弦交流電幅值，進而控制超聲波霧化片的噴灑量,實現智能溫/濕度監控，但應注意避免振鈴現象。

濕控噴灑系統 單片機 LC濾波 IR2110 振鈴現象

霧化是指將液體分散、撞擊形成不連續的液滴混于周圍氣流的現象。利用超聲波電源驅動壓電陶瓷片，可以有效地將液體霧化。霧化的關鍵在于超聲波電源，而隨著電子器件的不斷發展與更新，超聲波電源的驅動方式也在逐步改進與完善。傳統的超聲波電源驅動方式是通過調節分壓電阻來控制輸出電壓幅值的，因此電源驅動能耗較大。為解決超聲波電源驅動壓電陶瓷片霧化過程中產生不必要能耗的問題，在主流驅動方式(整流、功率放大、頻率跟蹤、匹配、驅動和保護)的基礎上，筆者將各部分功能利用IR2110芯片進行融合，利用較少外圍器件設計了一個基于C8051F410單片機的智能濕控噴灑系統及其外圍電路，使之輸出高效穩定的正弦波來驅動超聲波霧化片，同時結合外部溫/濕度傳感器，對環境溫度和濕度進行檢測，通過判斷反饋信號，利用模糊PID算法實時調節可編程計數器/定時器陣列輸出，從而控制正弦波的幅值，調節噴灑量，實現環境溫/濕度的智能監控。筆者重點介紹了系統的硬件電路設計。

1 系統總體方案

基于C8051F410的智能濕控噴灑系統總體方案如圖1所示。系統以C8051F410為核心，包括供電電源(為控制器提供工作電源)、環境溫/濕度測量模塊、遙控器、數碼顯示、聲光報警、PWM(脈沖寬度調制)方向控制電路、SPWM(正弦脈寬調制)合成電路及濾波電路等。PWM方向控制電路的功能是將C8051F410輸出的PWM信號和方向控制信號合成SPWM信號的正負半周控制信號。SPWM合成電路的功能是將PWM信號功率放大經LC低通濾波電路進行濾波后以高效的正弦形式輸出。利用遙控器實現手/自動切換、溫度閾值和輸出模式設置及聲音報警等功能。

圖1 基于C8051F410單片機的智能濕控噴灑系統總體方案

2 硬件電路部分

2.1C8051F410外圍電路

C8051F410單片機以高速8051為控制器內核，具有4個通用16位計數器/定時器、16位可編程計數器/定時器陣列及時鐘源內部振蕩器(24.5MHz)等內部資源。基于C8051F410芯片設計的C8051F410外圍電路如圖2所示，其中包括C8051F410片上系統工作所需的JATG接口、電源退耦、基準濾波和上電復位電路。

圖2 C8051F410外圍電路

將由定時器在設定時間內刷新的CODE碼表，通過交叉開關寄存器XBR0和XBR1跳過P0.5口，使P0.5口暫時不作為I/O引腳，而是連接內部資源可編程計數器陣列CEX0引腳輸出PWM波(圖3)[1]，從圖3中可以看到波形整齊無毛刺，為后續的電子器件快速開關作用奠定了基礎。

圖3 PWM波形

2.2PWM方向控制電路

根據IR2110的控制時序圖[2]，設計PWM方向控制電路如圖4所示。首先需要將單片機輸出的PWM波經過電路變換轉換為在同一時刻具有正負輸出的PWM波，所以將單片機的I/O口與邏輯電路結合[3]，當輸出正半波時，使U1B非門的Q+輸入為低電平，U1B的4引腳輸出為高電平，這樣PWM經過U2A與非門后即可輸出反相的PWM波(即PWM+)。然后將輸出的PWM+信號一路給SPWM合成電路的輸入端，另一路給U1A非門的輸入，使U1A非門的輸出端PWM+_1與PWM+的邏輯在同時刻相反。PWM-和PWM-_1的輸出由Q-的電平控制，控制方式與上述方法類似。

圖4 PWM方向控制電路

圖5為PWM波進入IR2110前的波形。當單片機控制輸出正半軸時，PWM波經過與非門輸出的波形PWM+為圖5中的上半部波形[4]；將PWM+波形經過非門取反后得到圖5中的下半部波形。由圖5可知，經過處理后的PWM波在相同時間內其邏輯電平剛好相反，可以很好地控制芯片IR2110。當單片機輸出負半軸時同理可以得到如圖5所示的波形。

圖5 PWM方向控制波形

2.3SPWM合成電路

SPWM合成電路(圖6)由電平轉換電路、半橋控制電路和功率驅動電路組成[5,6]。控制電路產生的SPWM信號包括正負兩個半周，正半周控制信號PWM+和負半周控制信號PWM-經由三極管Q2和Q4構成的電平轉換電路實現5～12V的電平轉換，然后輸入到半橋控制電路IR2110(u1和u2)。其中，u1驅動功率開關Q1和Q3實現SPWM的正半周功率輸出，u2驅動功率開關Q5和Q6實現SPWM的負半周功率輸出，輸出電流能力與MOSFET管Q1、Q3、Q5和Q6的特性參數相關[7]。根據待驅動的霧化片的交流工作電壓，在MOSFET管上施加相應的直流電壓，使經過濾波輸出的正弦波的幅值與直流電壓值相近；再對超聲波霧化片的額定功率加以考慮，選用比額定電壓和額定功率稍大的直流電源可以使控制器能夠滿幅輸出。

圖6 SPWM合成電路

2.4濾波電路

圖7 LC無源低通濾波電路

經LC無源低通濾波電路濾波后的正弦波如圖8所示，可以看出，濾波后的波形平滑無雜波，頻率可以達到工頻交流電的頻率(50Hz)。當濕度隨著周圍環境發生變化時，正弦波的幅值也隨之改變。由于正弦波的穩定輸出，能夠使得超聲波霧化片穩定地工作在額定條件下，實現精確的智能濕控噴灑。

圖8 濾波后的正弦波

3 振鈴現象

圖9所示為功率驅動輸出的OUT+對地波形，可以看出MOSFET管發生了振鈴現象[9]，這是由等效串聯電感和MOSFET管的極間寄生電容發生諧振所致。等效串聯電感由器件本身的引腳與走線引起，而器件引腳的等效電感與MOSFET管極間寄生電容不可避免，最終導致了振鈴現象。因此，在電路設計過程中要使濾波電路的電容、電感匹配，在布線時，盡量讓走線寬而短，以減少走線等效電感，從而減少振鈴現象的發生。

圖9 振鈴現象

4 結束語

筆者基于C8051F410單片機設計了一個智能濕控噴灑系統及其硬件電路。由單片機16位可編程計數器/定時器陣列輸出的PWM波經過外部電路升壓后輸出給IR2110來增加輸出功率，然后對SPWM波進行濾波，利用濾波后的高效穩定的正弦波驅動超聲波霧化片對環境溫/濕度進行調節。

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DesignofIntelligentHumidityControlandSprayingSystemBasedonMCU

JI Hui-chao, FENG Guo-liang

(SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012，China)

For purpose of reducing energy consumption in driving ultrasonic atomizers, a C8051F410 MCU-based intelligent humidity control and spraying system was designed; and the system’s peripheral circuits,

TH862

A

1000-3932(2016)05-0517-05

2016-04-07(修改稿)