基于STM32 單片機的空調智能除濕器設計與制作

張洪英，章安福，譚華納

（廣州市工貿技師學院，廣東廣州，510000）

0 引言

目前使用的空調絕大多具備了除濕功能，但是沒有自帶溫濕度感應器，無法在關閉空調的情況下實時檢測室內環境溫濕度，也就無法進行溫濕度的自動調節。如華南地區潮濕天氣時，墻壁極其容易掛上水汽，如果不能及時進行除濕處理，容易造成墻體發霉脫落、墻體裂痕等嚴重后果。而目前的除濕處理方法有以下三種：

（1）放置除濕劑、石灰包，能達到除濕的面積小于2平米，且要時常更換。

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

（3）手動開啟空調的除濕功能，當用戶不在家時，濕度升高，將無法及時開啟空調的除濕功能進行除濕，影響用戶體驗。

市場上除濕效果好的除濕器要么價格高、需要安裝，操作不便，要么無法及時響應對室內濕度進行調整。因此，要解決上述的問題需要提供一種空調的溫濕度自動控制的裝置以及控制方法，該裝置能自主開啟或關閉空調并且能開啟或關閉除濕功能。

1 系統整體設計

本系統組成可以概括為環境檢測和終端控制。主要包括單片機控制單元、溫度傳感器、濕度傳感器、通信模塊、按鈕輸入模塊、存儲模塊。溫濕度傳感器高頻自動探測環境溫濕值，由單片機控制單元完成數據分析，并通過通信模塊與空調之間進行交互。當室內存在多臺空調設備時，單片機控制單元根據傳感器采集的當前溫濕度值，確定發送控制指令開啟空調的數量，使溫濕度加快速度恢復正常范圍內。同時用戶可以通過按鈕輸入模塊調整輸入預設的溫濕度上下限閾值，而調整后溫濕度的上下閾值會存儲在存儲模塊中，在單片機控制單元分析溫濕度值是否處于正常范圍提供參考數值。系統整體設計如圖1 所示。

圖1 系統整體設計

■1.1 硬件電路設計

本系統中單片機控制單元采用意法半導體公司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字型，具有精度高、低功耗、穩定性好、成本低、已校準數字信號輸出等特點；通信模塊采用紅外線發射二極管和VS1838B 紅外接收管組成。

1.1.1 環境檢測電路設計

環境檢測由AM2302 濕敏電容數字溫濕度模塊、嵌入式微控制器STM32F103C8T6 組成。AM2302 溫濕度傳感器主要由一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件組成，兩個元件采集數據后經內置的高性能8 位單片機進行校注再通過單總線接口輸出，再由控制器進一步處理。AM2302溫濕度傳感器的工作電壓為3.3V～5.5V DC。環境檢測電路如圖2 所示。

圖2 環境檢測電路

1.1.2 終端控制電路設計

終端控制由單片機控制單元、通信模塊、按鈕輸入模塊組成，各模塊主要的功能為數據處理、數據發送、數據存儲。終端控制電路結構如圖3 所示。

圖3 終端控制電路

（1）由STM32F103C8T6 單片機控制單元負責數據處理，就如人類的大腦。它接收來自各種傳感器和外部設備的數據輸入，并根據用戶預先設定的程序邏輯對數據進行分析、計算和決策。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計

本系統的通信模塊主要作用有兩部分，一部分是當微控制器通過環境檢測感知到需要開啟或者關閉空調時，控制器就會通過發送脈沖的形式將相關的空調編碼協議通過紅外線發射二極管產生紅外光，從而實現對環境中空調的控制。為了確?？照{上的紅外接收管能夠正確并完整接收到由紅外線發射二極管產生的紅外波，運用了6 枚紅外發射二極管，實現多方位的信號傳播。紅外發射二極管與微控制器連接電路如圖5 所示。

圖5 紅外線發射二極管連接電路

通信模塊的另一部分是紅外線接收管的控制。面對眾多的空調品牌，本系統加入了空調編碼協議學習功能，做到在保證兼容主流品牌外還能通過紅外接收管學習任何雜牌空調的編碼協議，從而實現對各種品牌空調的控制。在本系統中所使用的紅外接收管為VS1838b。它內置了高速高靈敏度PN 光電二極管和低功耗、高增益前置放大IC，同時具備高強的抗干擾、低功耗等特點。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計

在本系統中按鈕輸入模塊主要地作用：

（1）第一次使用空調除濕器時測試與空調的對頻。

（2）空調除濕器沒有相對應的空調編碼協議時用于開啟學習功能，學習該空調的編碼協議。按鈕輸入模塊的連接電路非常簡單如圖7 所示。

圖7 按鈕輸入模塊連接電路

■1.2 系統控制設計

本系統中環境檢測的數據采集傳感器AM2302 采用了簡化的單總線通信，通過單數據總線（SDA）一次能傳送40 位數據。具體通信格式如表1 所示。AM2302 溫濕度傳感器在上電后會等待2s 將不穩定的信號過濾掉，再進行環境溫濕度的檢測并記錄數據。待3s 過后微控制器將會根據I/O 電平的變化接收40 位數據。在完成一次溫濕度采集后，微控制先將40 位數據中的溫濕度各16 位二進制的數據進行10 進制轉換（進制轉換示例如表2 所示），隨后將轉換后的數據與預設的溫濕度數據進行比較，當實際的數據大于預設的數據時，微控制器就會通過紅外發射二極管給空調發送開機和開啟除濕功能的指令，使空調對環境進行除濕處理。在空調除濕的過程，微控制器進入等待狀態，等待AM2302 溫濕度傳感器實時檢測環境溫濕度小于程序中預設溫濕度值時，微控制器進入指令發送狀態，通過紅外發射二極管向空調發送關機的指令。為了節約資源，在完成一次空調自主除濕后，可以使空調退出濕度或溫度調整模式，在關閉空調后本系統會進入休眠狀態，默認為1 小時。待休眠期過后，微控制器會再次進入溫濕度檢測狀態，監測環境溫濕度狀態，一直往復執行。該過程即為本系統的運行過程，流程圖如圖8 所示。

表1 AM2302通信格式

表2 溫濕度值數據轉換示例

圖8 系統控制流程圖

在本系統中還有4 盞不同的指示燈，分別是電源指示燈、濕度指示燈、開機指示燈和信號指示燈，它們各自擔負著特定的功能。首先，電源指示燈用于反映主電路板的電源狀態，為用戶提供了電源工作狀態的直觀指示。其次，濕度指示燈的作用是濕度傳感器探測到超過預設值的濕度水平時點亮，使用戶能夠快速察覺到濕度升高的情況。第三，當紅外發射管向空調發送開機指令時，開機指示燈會亮起，同時信號燈也會閃爍。這個聯動效應旨在提醒用戶系統正在啟動。最后，當需要進行學習代碼的功能時，用戶只需按下按鍵三下，信號指示燈會開始閃爍，這表明裝置已進入學習狀態，可以開始學習空調遙控內置的控制代碼以控制空調。一旦紅外接收管接收到紅外信號，信號指示燈停止閃爍，標志著學習過程成功完成。4 盞指示燈連接電路如圖9 所示。

圖9 指示燈連接電路

2 實驗

為了更好展現本系統實驗成果，我們采用了綜合的實驗方法，結合了實際的實驗實物和理論模型。通過綜合方法，我們能深入研究并驗證系統的性能，同時也能夠通過理論環境中探索系統潛在行為。

■2.1 實驗環境設置

考慮到現實中空調設備通常被安裝在室內、機房或商店等地方，為了更好展示本研究的實驗成果，我們隨機選定環境以及空調進行實驗，以確保研究的可實際應用性。在使用或實驗過程中，要確?？刂破骶嚯x空調設備不超過5 米，以確保其處于紅外發送范圍內。

同時采用先進的傳感器和監測設備來實時監測室內環境參數。這些傳感器被分布在實驗室不同的位置，以捕獲各種環境變化，以便了解空調除濕器在實際室內環境中的性能表現。

■2.2 自動調節過程

為了確保模擬實際情況下環境濕度達到實驗標準，我們在實驗過程中使用濕潤的紙巾或毛巾覆蓋在濕度傳感器上，以確保其采集到的數據能夠符合實驗標準要求。如圖10 所示，展示了實際的環境溫濕度。左邊為環境溫度；右邊為環境濕度。

圖10 實測室內環境參數

隨著環境濕度上升，當濕度傳感器的閾值大于80%，紅外發射二極管就會發射開啟空調除濕信號，開啟空調除濕功能；當濕度傳感器的閾值小于65%，紅外發射二極管就會發射關閉空調信號，關閉空調。執行特性如圖11 所示。

圖11 控制器執行情況與濕度關系

圖12 空調智能除濕器實物

3 結語

本研究基于STM32 單片機開發了一款空調智能除濕器，該裝置通過環境檢測和終端控制實現自動檢測環境濕度變化和智能控制功能。經過多次實驗驗證，我們證明了該裝置的性能穩定性和安全可靠性，成功解決了季節氣候變化帶來的潮濕問題，并實現了實時監測和調節，從而降低了能源浪費。這一智能家居產品充分滿足了用戶的生活需求，同時也克服了同類產品的技術缺陷，成為國內首個具備自動檢測和智能控制功能的空調自動除濕控制裝置。目前，該裝置已經在市場上取得了不錯的銷售成績，累計銷售量已超過16284 臺。

未來，我們計劃將這一設計應用到空調產品制造中，將其嵌入空調設備，同時還有擴展功能的潛力，可以實現多區域協同控制，以更好地滿足用戶的需求。這一研究為智能家居領域的發展提供了有力地支持，并為未來的研究和應用提供了有價值的經驗。