朱宇軒,陳麗瓊

(湖南科技學(xué)院 智能制造學(xué)院,湖南 永州 425199)

1 背景及意義

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信技術(shù)方式、自動(dòng)化控制等方面的發(fā)展,加濕器也由智能控制代替手動(dòng)控制,逐漸變得更為自動(dòng)、智能。此外,隨著智能家居的興起和發(fā)展,加濕器產(chǎn)品的類型也越來越多、造型更為炫目、產(chǎn)品類型也越來越細(xì)化。本文采用模擬單一的硬件控制電路,通過采集環(huán)境中的溫濕度值,在預(yù)設(shè)好的溫濕度閾值下讓設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行,做好環(huán)境中空氣的監(jiān)控與加濕,同時(shí)也要防止干燒,避免不必要的問題[1]。

2 加濕器總體設(shè)計(jì)原理

家用型智能加濕器的最初設(shè)計(jì)目的是為了實(shí)現(xiàn)用溫濕度值與設(shè)定閾值的對(duì)比結(jié)果才控制加濕器的工作狀態(tài)。具體表現(xiàn)為:將溫濕度感應(yīng)器采集到的數(shù)據(jù)送到MCU,MCU控制LCD屏顯示采集到的溫濕度數(shù)據(jù),并把數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的溫濕度初始設(shè)置值進(jìn)行比較,比較結(jié)果會(huì)控制繼電器的吸合和釋放,然后達(dá)到控制霧化片工作的狀態(tài);利用藍(lán)牙的數(shù)據(jù)透?jìng)?可以設(shè)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(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果向繼電器發(fā)送指令。通過藍(lán)牙修改閾值的操作不會(huì)影響加濕器的正常工作[2]。

家用型加濕器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)是由主控制端、上位機(jī)(手機(jī))、溫濕度采集感應(yīng)器、LCD顯示器、藍(lán)牙接收器、蜂鳴器等模塊構(gòu)成;上位機(jī)與MCU的通信采用“主—從”的應(yīng)答模式,其中上位機(jī)處于主模式的工作狀態(tài),MCU處于從模式的工作狀態(tài)。主控制端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理:接收溫濕度數(shù)據(jù),發(fā)送工作指令信息,接收藍(lán)牙信息,控制LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。繼電器收到來自MCU的指令調(diào)整吸合和釋放的狀態(tài),從而控制霧化片驅(qū)動(dòng)器是否通電[3-4]。

圖1 家用型加濕器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

3 加濕器系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 加濕器系統(tǒng)主控制模塊硬件電路設(shè)計(jì)

加濕器系統(tǒng)主控制端模塊采用STM32F407ZET6單片機(jī)為控制核心部件,這個(gè)模塊主要包括STM32F407ZET6單片機(jī)以及其外圍的電路、CC2541通信接口電路、USB轉(zhuǎn)串口電路和電源電路。主控制模塊主要是對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中處理,發(fā)送控制指令等。

3.2 加濕器系統(tǒng)的溫濕度模塊硬件電路設(shè)計(jì)

DHT11感應(yīng)器的數(shù)據(jù)傳輸只有一個(gè)data引腳,是一種單總線串行發(fā)送數(shù)據(jù)的方式,所以它的數(shù)據(jù)輸入可以只由一根線完成。DHT11的data數(shù)據(jù)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(tǒng)的加濕模塊硬件電路設(shè)計(jì)

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(gè)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(fā)射極接加濕模塊的2引腳再接地。

3.4 加濕器系統(tǒng)的顯示模塊硬件電路設(shè)計(jì)

LCD1602液晶屏的D0-D7引腳分別接到單片機(jī)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(diào)節(jié)LCD屏幕的對(duì)比率和亮度。

3.5 加濕器系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊硬件電路設(shè)計(jì)

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?jìng)餍畔ⅰ?/p>

4 加濕器系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)家用型加濕器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、硬件電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求,本系統(tǒng)的軟件層的設(shè)計(jì)采用的是C語言實(shí)現(xiàn)的模塊化的設(shè)計(jì)思想,包含了主控制程序、藍(lán)牙通信程序、加濕控制程序、報(bào)警模塊程序、LCD顯示程序。上位機(jī)的透?jìng)魇褂玫氖且豢畎沧?.0以上系統(tǒng)的藍(lán)牙調(diào)試器App,CC2541藍(lán)牙模塊與單片機(jī)的通信模式采用“主—從”的數(shù)據(jù)透?jìng)鞴ぷ髂Ｊ?數(shù)據(jù)傳輸采用的是USART串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的透?jìng)?數(shù)據(jù)無須通過校驗(yàn),波特率維持在9 600 bps,使用八位數(shù)據(jù)的傳輸。

主控制端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較,比較的結(jié)果形成一個(gè)指令,這個(gè)指令被送往加濕模塊和報(bào)警模塊,加濕模塊的繼電器通過這個(gè)指令決定是開啟繼電器的吸合狀態(tài)還是釋放狀態(tài),同時(shí)將信息送往顯示模塊,LCD1602顯示屏進(jìn)行展示。

藍(lán)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(huì)影響其他模塊的工作。

報(bào)警模塊根據(jù)主控制端送來的指令,如果超過閾值,報(bào)警模塊啟動(dòng)報(bào)警模式,蜂鳴器會(huì)響2 s。

5 測(cè)試

加濕系統(tǒng)的測(cè)試包括硬件電路測(cè)試、藍(lán)牙透?jìng)鳠o線通信測(cè)試、上位機(jī)測(cè)試、溫濕度數(shù)據(jù)采集測(cè)試、顯示數(shù)據(jù)測(cè)試和軟硬件聯(lián)合測(cè)試,硬件電路測(cè)試包括對(duì)硬件電路的焊接測(cè)試,確保電路板和元器件在焊接后不會(huì)短路、反接等。通過測(cè)試,該加濕器能正常運(yùn)行。

6 結(jié)語

根據(jù)加濕器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和技術(shù)要求,本文提出了主控制模塊、報(bào)警模塊、溫濕度采集模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊等各模塊的具體設(shè)計(jì)方案,各模塊方案包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件層設(shè)計(jì)。實(shí)物制作必須嚴(yán)格按照硬件電路圖進(jìn)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(shè)計(jì)需要按照模塊化設(shè)計(jì)思想,使用C語言在Keil開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì),該加濕器實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的所有功能。