電器與工具
智能加濕器PCBA設計開發(fā)
隨著社會的發(fā)展，人們對于舒適生活的要求越來越高，對智能家居的期待越來越迫切。夏季的空調給人們帶來涼爽的同時，干燥問題也隨之而來，到了冬季，北方的人們會由于環(huán)境中濕度不足感到身體不適，研究表明：50%~60%的環(huán)境空氣相對濕度對人體的健康最有利，人們的抗病能力也最強，人們也會感到舒適，因此，加濕器應運而生。但是傳統(tǒng)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(jié)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，一款能自動控制超聲波加濕器的工作狀態(tài)、可以實現(xiàn)智能調控和人性化的定量設置的智能移動加濕器成為人們的真正需求。本文設計的加濕器以簡易機器人為平臺，擺脫了傳統(tǒng)固定式加濕器的束縛，運用嵌入式單片機原理，實現(xiàn)了加濕器的智能化工作，可以使室內(nèi)濕度保持均勻，符合現(xiàn)代人的生活方式。
一、智能加濕器工作原理
根據(jù)用戶需求分析，本文設計的加濕器滿足以下要求：在監(jiān)控到相應的濕度范圍后自動開始或停止工作；可以實現(xiàn)在整個房間內(nèi)的自由移動，保證駕駛均勻；當加濕器即將發(fā)生干燒時，啟動聲光報警；根據(jù)監(jiān)控到的濕度數(shù)值，自動調整噴霧大??；實時顯示室內(nèi)濕度；可以由用戶自定義設置最佳濕度值。為實現(xiàn)這些要求，加濕器主要分為7個模塊進行協(xié)調工作：以單片機為核心的中央控制模塊、以DHT11為核心的傳感器模塊、以L298N為核心的智能驅動模塊、以LED液晶屏為核心的顯示模塊、聲光報警模塊、電源模塊和外設獨立鍵盤，具體結構如圖1所示。傳感器模塊將實時監(jiān)測室內(nèi)濕度，將其在LED顯示屏上顯示，并將數(shù)據(jù)傳送到中央控制器，一旦室內(nèi)濕度達到用戶所設定的最佳相對濕度，中央控制器將發(fā)送命令使加濕器和底部小車停止工作；當室內(nèi)濕度下降到設定的最低濕度以下后，加濕器和小車將再次工作，在這期間，加濕器會根據(jù)室內(nèi)的濕度情況自動選擇適當?shù)膰婌F大小，以保證室內(nèi)舒適；當加濕器內(nèi)的水位下降到預設最低水位后，加濕器將停止加濕，并由聲光報警模塊發(fā)出警報，提醒用戶及時加水，防止干燒。
二、智能加濕器硬件設計
（1）中央控制模塊：基于單片機的中央控制模塊有兩個，一個負責控制加濕器的濕度監(jiān)測和加濕器的工作狀態(tài)，另一個則是控制底部簡易小車的相關功能，例如避障、轉彎、啟動、停止等，兩個單片機之間用一個繼電器連接控制，以加濕器上的單片機為主，控制簡易小車上的單片機發(fā)送命令。選用的單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代51單片機，工作電壓為5.5~3.5V，內(nèi)部有8路高速10位A/D轉換，可以直接將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)在單片機內(nèi)部進行模擬到數(shù)字的轉換，省去了外部的A/D轉換模塊。
（2）智能驅動模塊：由于步進電機精度比普通電機高，易于控制，所以本文設計的加濕器采用步進電機和L298N電機驅動芯片。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅動，可直接對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉、停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求，調試時再依照芯片手冊，用程序輸入對應的碼值就能夠實現(xiàn)對應的動作。驅動模塊的電路原理如圖2所示。
（3）電源模塊：本設計中用到的電源有5V的單片機電源、5V的電機驅動芯片電源和7.2V的電機電源，但是只用了兩節(jié)3.6V的鋰電池供電，因此，在電源模塊中還需增加一個7805壓降電路來降低電壓，維持電路的正常工作。
（4)報警模塊：報警模塊的電路如圖3所示，當水位傳感器檢測到加濕器內(nèi)的水位下降到設定最低水位之后，由中央控制模塊發(fā)送命令，即發(fā)出低電平，則蜂鳴器發(fā)出“嘀嘀”的報警聲。
（5)傳感器模塊：傳感器模塊以DHT11為核心，DHT11是一個已經(jīng)存儲了校準數(shù)字信號的溫濕度傳感器，包括一個感濕元件和一個測溫元件，并且這兩元件在內(nèi)部與一個高性能的8位單片機相連接，完成溫濕度的采集。
（6）LED顯示模塊：本設計中采用了液晶顯示屏作為輸出狀態(tài)顯示，其具有穩(wěn)定性好、不易閃爍燈優(yōu)點。中央控制模塊接收到溫濕度傳感器發(fā)送的濕度信息后，在單片機內(nèi)部，利用已有的8位高速A/D轉換模塊將信息轉換為數(shù)字信號后，輸入共陰極工作的液晶顯示屏上顯示。
三、智能加濕器程序設計
本文介紹的加濕器將軟件設計分為兩個大部分，一部分為底部簡易小車：小車左右兩邊各安裝了一個紅外避障傳感器。當左右兩側都沒有檢測到障礙物時，則小車前進；如果左側檢測到障礙物而右側沒有障礙物，則讓小車右轉；若右側檢測到障礙物而左側沒有障礙物，則讓小車左轉；當左右兩側都檢測到障礙物時，則讓小車先停止，再后退50ms；另一部分為加濕器：先初始化LCD屏幕、開機界面等；掃描按鍵，根據(jù)用戶選擇的模式進行工作。其中加濕器的工作模式分為監(jiān)控模式和濕度預設模式，其調節(jié)模式分為自動模式和手動調節(jié)模式。在監(jiān)控模式的自動控制模式下，繼電器根據(jù)預設濕度值上/下限與當前濕度值的比較結果決定是否進行加濕，控制加濕器工作。本系統(tǒng)限定了預設濕度值的范圍為0~100%RH。利用1602LCD顯示出當前濕度和預設濕度值。此外當水位低于設定的最小值時，系統(tǒng)將會驅動蜂鳴器報警，以防止干燒。
結語
本文利用了模塊化的設計方法，成功設計了一款可在室內(nèi)自由移動、自動調節(jié)噴霧大小的智能加濕器，在保證室內(nèi)加濕均勻的條件下，又可以做到有效預警防止加濕器干燒、實時顯示室內(nèi)濕度。先用C語言編程，經(jīng)過Keil4、AltiumDisgner等軟件的仿真調試以及實際測試，證明本文設計的加濕器有效地解決了傳統(tǒng)加濕器的上述問題，使得加濕器向智能家居方向又邁進了一步，且其成本低、操作簡單，具有一定的實際應用價值。
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