基于STM32的空氣加濕器系統設計

朱宇軒,陳麗瓊

(湖南科技學院 智能制造學院,湖南 永州 425199)

1 背景及意義

隨著計算機科學與技術、通信技術方式、自動化控制等方面的發展,加濕器也由智能控制代替手動控制,逐漸變得更為自動、智能。此外,隨著智能家居的興起和發展,加濕器產品的類型也越來越多、造型更為炫目、產品類型也越來越細化。本文采用模擬單一的硬件控制電路,通過采集環境中的溫濕度值,在預設好的溫濕度閾值下讓設備自動運行,做好環境中空氣的監控與加濕,同時也要防止干燒,避免不必要的問題[1]。

2 加濕器總體設計原理

家用型智能加濕器的最初設計目的是為了實現用溫濕度值與設定閾值的對比結果才控制加濕器的工作狀態。具體表現為:將溫濕度感應器采集到的數據送到MCU,MCU控制LCD屏顯示采集到的溫濕度數據,并把數據與預先設置的溫濕度初始設置值進行比較,比較結果會控制繼電器的吸合和釋放,然后達到控制霧化片工作的狀態;利用藍牙的數據透傳,可以設置溫濕度的閾值,主控制端通過修改后的閾值與采集到的溫濕度數據對比結果向繼電器發送指令。通過藍牙修改閾值的操作不會影響加濕器的正常工作[2]。

家用型加濕器系統的總體結構如圖1所示,整個系統是由主控制端、上位機(手機)、溫濕度采集感應器、LCD顯示器、藍牙接收器、蜂鳴器等模塊構成;上位機與MCU的通信采用“主—從”的應答模式,其中上位機處于主模式的工作狀態,MCU處于從模式的工作狀態。主控制端對數據進行集中處理:接收溫濕度數據,發送工作指令信息,接收藍牙信息,控制LCD進行實時顯示。繼電器收到來自MCU的指令調整吸合和釋放的狀態,從而控制霧化片驅動器是否通電[3-4]。

圖1 家用型加濕器系統的總體結構

3 加濕器系統硬件電路設計與實現

3.1 加濕器系統主控制模塊硬件電路設計

加濕器系統主控制端模塊采用STM32F407ZET6單片機為控制核心部件,這個模塊主要包括STM32F407ZET6單片機以及其外圍的電路、CC2541通信接口電路、USB轉串口電路和電源電路。主控制模塊主要是對系統數據的集中處理,發送控制指令等。

3.2 加濕器系統的溫濕度模塊硬件電路設計

DHT11感應器的數據傳輸只有一個data引腳,是一種單總線串行發送數據的方式,所以它的數據輸入可以只由一根線完成。DHT11的data數據引腳連接STM32F407ZET6的PD6引腳,VDD接3.3 V的電源,GND接地。

3.3 加濕器系統的加濕模塊硬件電路設計

霧化片的1引腳要與繼電器相連,可以減少加濕模塊的損傷。2引腳與NPN的一個引腳相連,NPN的基極連接MCU的IO口,集電極連接繼電器的GND,發射極接加濕模塊的2引腳再接地。

3.4 加濕器系統的顯示模塊硬件電路設計

LCD1602液晶屏的D0-D7引腳分別接到單片機的PB8-PB15引腳,VO,VDD,VSS引腳分別接到10K的兩邊,然后接地、接5 V電壓;K引腳接地,A引腳接5 V電壓。接10 K電位器是為了分壓,調節LCD屏幕的對比率和亮度。

3.5 加濕器系統的藍牙模塊硬件電路設計

CC2541模塊通過UART_TX,UART_RX串口連接到STM32F4xx的PA9,PA10;22,21,13,14引腳接地,11,12引腳連接電容反饋電路,模塊通過異步串口串行通信方式透傳信息。

4 加濕器系統軟件程序設計與實現

根據家用型加濕器系統的設計原理、硬件電路設計以及系統設計的技術要求,本系統的軟件層的設計采用的是C語言實現的模塊化的設計思想,包含了主控制程序、藍牙通信程序、加濕控制程序、報警模塊程序、LCD顯示程序。上位機的透傳使用的是一款安卓4.0以上系統的藍牙調試器App,CC2541藍牙模塊與單片機的通信模式采用“主—從”的數據透傳工作模式,數據傳輸采用的是USART串口進行數據的透傳,數據無須通過校驗,波特率維持在9 600 bps,使用八位數據的傳輸。

主控制端對數據進行集中處理,采用while輪詢的方式收集DHT11采集到溫濕度信息,每次輪詢得到的數據與閾值進行比較,比較的結果形成一個指令,這個指令被送往加濕模塊和報警模塊,加濕模塊的繼電器通過這個指令決定是開啟繼電器的吸合狀態還是釋放狀態,同時將信息送往顯示模塊,LCD1602顯示屏進行展示。

藍牙通信程序采用串口中斷的方式修改溫濕度的閾值,期間不會影響其他模塊的工作。

報警模塊根據主控制端送來的指令,如果超過閾值,報警模塊啟動報警模式,蜂鳴器會響2 s。

5 測試

加濕系統的測試包括硬件電路測試、藍牙透傳無線通信測試、上位機測試、溫濕度數據采集測試、顯示數據測試和軟硬件聯合測試,硬件電路測試包括對硬件電路的焊接測試,確保電路板和元器件在焊接后不會短路、反接等。通過測試,該加濕器能正常運行。

6 結語

根據加濕器系統的總體設計方案和技術要求,本文提出了主控制模塊、報警模塊、溫濕度采集模塊、報警模塊、顯示模塊等各模塊的具體設計方案,各模塊方案包括硬件電路設計和軟件層設計。實物制作必須嚴格按照硬件電路圖進行連線,以防造成反接,電路板焊接短路等意外情況。軟件層的設計需要按照模塊化設計思想,使用C語言在Keil開發平臺實現設計,該加濕器實現了設計的所有功能。