基于數字控制的智能加濕器設計

陳松鵬，陳松，吳奇洲

（廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建廈門，361024）

基于數字控制的智能加濕器設計

陳松鵬，陳松，吳奇洲

（廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建廈門，361024）

市場上現有的加濕器存在功能單一、加濕控制精度不高、無溫濕度檢測、無法實現干燒告警等不足。本文以STC90C51單片機為控制芯片，基于KeiluVision4采用C語言編程，通過DHT11溫濕傳感器電路對環境溫濕度進行檢測，經2.4吋液晶彩屏顯示實時數據，自動控制超聲波加濕器的工作狀態，實現智能調控和人性化的定量設置。

單片機STC90C51；智能溫濕度控制；超聲波加濕器

0 引言

加濕器在很多行業中隨處可見，隨著科技的進步，國內外在溫濕度檢測領域的技術越來越成熟，溫濕度的檢測也朝著智能化、小型化和低功耗的方向發展[1,2]。傳統的加濕器大多采用手動開啟模式，結構簡單，功能單一，只能手動調節霧量的大小，無法實時精確了解溫濕度狀況，導致很難達到理想的舒適度感受[3-5]。由于單片機具有集成度高、性能穩定且操作簡便等優點，以單片機為基礎的智能加濕器在各個方面都具有優越性。本文以STC90C51單片機控制芯片，自動控制超聲波加濕器的工作狀態，實現智能調控和人性化的定量設置。

1 整體結構分析

本系統采用帶8K字節閃存、可編程的STC90C51作為控制芯片構成加濕器的智能控制器，加濕器原理框圖如圖1所示。

本系統具有自動/手動兩檔，可以根據用戶需要設置最佳相對濕度。室內相對溫濕度的檢測選取數字濕度傳感器DHT11，單片機讀取傳感器輸入的相對濕度數據，通過液晶屏顯示，同時將測得值與初始化值或用戶輸入的濕度值進行比較，控制加濕程度。當環境溫度超過閾值時，加濕器主電路的繼電器跳開，切除主電路并啟動聲光報警系統，蜂鳴器發出聲音，LED彩燈閃爍；當環境濕度低于設定值時，通過接通不同阻值的電阻，改變霧化顆粒的大小及霧化量，環境濕度較低則實現較快速的加濕，濕度接近設定值則緩慢加濕，實現不同程度的加濕器效果；當濕度達到最佳相對濕度值后停止加濕，防止過度加濕。在加濕過程中如果水位過低，則與水位監測配套的干簧管動作，停止加濕，達到防干燒的目的。系統整體方案如圖2所示。

圖1 加濕器原理框圖

圖2 系統整體方案

智能加濕系統主要包含加濕器供電回路，單片機復位模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊、獨立鍵盤模塊、TFT液晶彩屏顯示模塊、加濕器霧化電路模塊。DHT11傳感器采樣電路如圖3所示。DHT11傳感器通電后，需要等待至少1s，在等待期間不需要給STC90C51單片機發送任何指令。

圖3 DHT11傳感器應用電路

加濕器的電源分兩部分。第一部分將交流電壓220V通過本文設計的整流降壓電路降低到12V和5V，分別為加濕器的風機與單片機模塊供電。電源第二級是將12V的直流電通過升壓電路升高至24V，為振蕩模塊提供電路。升壓電路采用XL6009實現，電路輸出電壓為

加濕器霧化模塊電路為正弦波振蕩電路。在沒有外加輸入信號的情況下，依靠電路自激勵振蕩產生正弦波輸出電壓[6]。

當晶體不起振時，等效于一個靜態電容Co。當晶體起振時，機械振動的慣性等效為電感L，晶體的彈性等效為電容C，晶片的摩擦損耗等效為電阻R。

圖4 晶振片頻率特性

如圖4所示，當fs＜f＜fp時石英晶體呈感性，使得整個電路等效為一個電容三點式正弦波振蕩電路，電路以設計好的頻率產生正弦波（fs為晶體的串聯諧振頻率，fp為晶體的并聯諧振頻率）。

石英晶體正弦波振蕩電路分為并聯型與串聯型。其中并聯型石英晶體正弦波振蕩電路又稱為皮爾斯晶體振蕩電路。

霧化片為電路的一個元器件，同時也是電路的負載。電路由直流24V供電。在三極管的發射集添加了一個0.1uH的電感。其原因在于在發射極串接一個適量的電感使晶體管的c-e和b-e間都構成為一個串聯諧振電路，其諧振頻率稍高于晶振頻率，從而提高其容抗對頻率變化斜率，進一步提高整個電路頻率穩定性。圖5為根據實物測得的霧化片輸出電壓波形。

圖5 霧化片輸出電壓波形

2 軟件程序設計

在完成初始化后，對各鍵盤設置進行掃描，然后DHT11傳感器采集數據.采集過程:首先數據口連接端P2.0，P2.0作為溫濕傳感器輸入端，P2.0輸出低電平，延時18ms之后，P2.0輸出高電平，等待延時40ms之后，讀P2.0引腳是否為低電平；如果不是低電平就重新讀取，如果是低電平就執行判斷從機高電平是否結束；如果沒有結束就繼續循環，如果信號結束，單片機I/O開始對輸入的高低電平進行解析，完成數據接收。單片機經過調用指針數據及液晶顯示子程序，將其溫濕度值以及實時時鐘，文字說明等一系列必要的參數顯示。同時單片機通過比對初始化值或人為設置值與實時溫濕度值，判斷是否超出閾值，決定后續各模塊是否動作。當溫度超過閾值（初始值為42℃）時，則控制加濕器主電路的繼電器跳開，切除主電路并且啟動聲光報警系統，蜂鳴器發出聲音，LED彩燈閃爍；當環境濕度低于設定值（初始化值為40%RH）的1/2時，通過繼電器模塊控制并聯一個1k的電阻在霧化片的兩端，改變BU406的基極通過較大電流，實現霧化片較高頻率的振蕩（超過1.7MHz），工作在重度加濕狀態；當環境濕度介于1/2的設定值及設定值之間時，通過繼電器模塊控制并聯一個3k的電阻在霧化片兩端，實現一個低于1.7MHz的振蕩，實現較小的霧化水平；當環境濕度高于設定范圍值時，加濕器停止工作，鼓風機停轉。詳細軟件流程圖如圖6所示。

3 結論

基于單片機，通過DHT11溫濕傳感器電路對環境溫濕度進行檢測，經TFT-2.4-(R61526-8Pin) 彩屏對實時數據進行顯示；外部獨立鍵盤，對溫濕度初始化值可進行設置，通過傳感器采集數據與設定值或初始化值的對比，自動控制外圍模塊的工作狀態，實現智能調控和人性化的定量設置；其他電路模塊實現加濕器的出霧量控制，振蕩水霧顆粒的大小控制，干簧管防干燒、聲光報警、緊急狀況的的主電路切除，并增設電子時鐘、加濕時間可設定，彌補了市場上加濕器產品的不足。

[1]李雯婷.基于單片機的工業加濕器控制系統[D].成都理工大學,2010.

[2]錢亮.加濕器及其種類[J].中外輕工科技. 200004.

[3]鐘勇潮.基于C51單片機的平衡控制系統設計[J].科技廣場,2013(12).

[4]樊亞玲，楊宏亮.多功能加濕器控制系統的設計與實現[J]. 2014, 34(3).

[5]童詩白、華成英主編；清華大學電子學教研組.模擬電子技術基礎（第四版）.北京：高等教育出版社，2006.5.

[6]徐振江.超聲霧化器中皮爾斯晶振電路射極電感的穩頻作用[J].天津理工學院學報,1992(02):61-65.

Design of Smart Humidifier Based on Digital Control

Chen Songpeng, Chen Song, Wu Qizhou
(Xiamen University of technology, College of electrical engineering and automation, Xiamen Fujian, 361024)

Humidifier has been commonly used in the market, the existence of single function, stay in the manual adjustment of the working state, no detection of temperature and humidity, humidification control accuracy is not high, unable to realize dry fire alarm, no liquid crystal display and so on. The stc90c51 SCM control chip, KeiluVision4 using the C programming language based on, through DHT11 temperature and humidity sensor circuit of environmental temperature and humidity were detected. The TFT-2.4- R61526-8Pin 2.4-inch screen of real-time data display, range of temperature and humidity in the initialization can be by an external control settings (independent keyboard) unit of the van Wai adjust settings.

Microcontroller STC90C51; Smart temperature and humidity control; Ultrasonic humidifier

圖6 軟件設計流程圖

廈門理工學院高層次人才科技類項目(YKJ14006R)，廈門理工學院大學生創新創業訓練計劃資助項目。