智能加濕器PCBA設(shè)計(jì)開發(fā)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于舒適生活的要求越來越高，對(duì)智能家居的期待越來越迫切。夏季的空調(diào)給人們帶來涼爽的同時(shí)，干燥問題也隨之而來，到了冬季，北方的人們會(huì)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(duì)濕度對(duì)人體的健康最有利，人們的抗病能力也最強(qiáng)，人們也會(huì)感到舒適，因此，加濕器應(yīng)運(yùn)而生。但是傳統(tǒng)的加濕器大多采用手動(dòng)開啟模式，結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，只能手動(dòng)調(diào)節(jié)霧量的大小，無法實(shí)時(shí)精確了解溫濕度狀況，導(dǎo)致很難達(dá)到理想的舒適度感受，一款能自動(dòng)控制超聲波加濕器的工作狀態(tài)、可以實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控和人性化的定量設(shè)置的智能移動(dòng)加濕器成為人們的真正需求。本文設(shè)計(jì)的加濕器以簡易機(jī)器人為平臺(tái)，擺脫了傳統(tǒng)固定式加濕器的束縛，運(yùn)用嵌入式單片機(jī)原理，實(shí)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(shè)計(jì)的加濕器滿足以下要求：在監(jiān)控到相應(yīng)的濕度范圍后自動(dòng)開始或停止工作；可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)房間內(nèi)的自由移動(dòng)，保證駕駛均勻；當(dāng)加濕器即將發(fā)生干燒時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警；根據(jù)監(jiān)控到的濕度數(shù)值，自動(dòng)調(diào)整噴霧大??；實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)濕度；可以由用戶自定義設(shè)置最佳濕度值。為實(shí)現(xiàn)這些要求，加濕器主要分為7個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)工作：以單片機(jī)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(qū)動(dòng)模塊、以LED液晶屏為核心的顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、電源模塊和外設(shè)獨(dú)立鍵盤，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器模塊將實(shí)時(shí)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(dá)到用戶所設(shè)定的最佳相對(duì)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(dāng)室內(nèi)濕度下降到設(shè)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(huì)根據(jù)室內(nèi)的濕度情況自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)膰婌F大小，以保證室內(nèi)舒適；當(dāng)加濕器內(nèi)的水位下降到預(yù)設(shè)最低水位后，加濕器將停止加濕，并由聲光報(bào)警模塊發(fā)出警報(bào)，提醒用戶及時(shí)加水，防止干燒。

二、智能加濕器硬件設(shè)計(jì)

（1）中央控制模塊：基于單片機(jī)的中央控制模塊有兩個(gè)，一個(gè)負(fù)責(zé)控制加濕器的濕度監(jiān)測和加濕器的工作狀態(tài)，另一個(gè)則是控制底部簡易小車的相關(guān)功能，例如避障、轉(zhuǎn)彎、啟動(dòng)、停止等，兩個(gè)單片機(jī)之間用一個(gè)繼電器連接控制，以加濕器上的單片機(jī)為主，控制簡易小車上的單片機(jī)發(fā)送命令。選用的單片機(jī)是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代51單片機(jī)，工作電壓為5.5~3.5V，內(nèi)部有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，可以直接將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，省去了外部的A/D轉(zhuǎn)換模塊。

（2）智能驅(qū)動(dòng)模塊：由于步進(jìn)電機(jī)精度比普通電機(jī)高，易于控制，所以本文設(shè)計(jì)的加濕器采用步進(jìn)電機(jī)和L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無須隔離電路。通過單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求，調(diào)試時(shí)再依照芯片手冊(cè)，用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理如圖2所示。

（3）電源模塊：本設(shè)計(jì)中用到的電源有5V的單片機(jī)電源、5V的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片電源和7.2V的電機(jī)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(gè)7805壓降電路來降低電壓，維持電路的正常工作。

（4)報(bào)警模塊：報(bào)警模塊的電路如圖3所示，當(dāng)水位傳感器檢測到加濕器內(nèi)的水位下降到設(shè)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(bào)警聲。

（5)傳感器模塊：傳感器模塊以DHT11為核心，DHT11是一個(gè)已經(jīng)存儲(chǔ)了校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)的溫濕度傳感器，包括一個(gè)感濕元件和一個(gè)測溫元件，并且這兩元件在內(nèi)部與一個(gè)高性能的8位單片機(jī)相連接，完成溫濕度的采集。

（6）LED顯示模塊：本設(shè)計(jì)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(diǎn)。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(jī)內(nèi)部，利用已有的8位高速A/D轉(zhuǎn)換模塊將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(shè)計(jì)

本文介紹的加濕器將軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)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(gè)紅外避障傳感器。當(dāng)左右兩側(cè)都沒有檢測到障礙物時(shí)，則小車前進(jìn)；如果左側(cè)檢測到障礙物而右側(cè)沒有障礙物，則讓小車右轉(zhuǎn)；若右側(cè)檢測到障礙物而左側(cè)沒有障礙物，則讓小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)左右兩側(cè)都檢測到障礙物時(shí)，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(jī)界面等；掃描按鍵，根據(jù)用戶選擇的模式進(jìn)行工作。其中加濕器的工作模式分為監(jiān)控模式和濕度預(yù)設(shè)模式，其調(diào)節(jié)模式分為自動(dòng)模式和手動(dòng)調(diào)節(jié)模式。在監(jiān)控模式的自動(dòng)控制模式下，繼電器根據(jù)預(yù)設(shè)濕度值上/下限與當(dāng)前濕度值的比較結(jié)果決定是否進(jìn)行加濕，控制加濕器工作。本系統(tǒng)限定了預(yù)設(shè)濕度值的范圍為0~100%RH。利用1602LCD顯示出當(dāng)前濕度和預(yù)設(shè)濕度值。此外當(dāng)水位低于設(shè)定的最小值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，以防止干燒。

結(jié)語

本文利用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，成功設(shè)計(jì)了一款可在室內(nèi)自由移動(dòng)、自動(dòng)調(diào)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(yù)警防止加濕器干燒、實(shí)時(shí)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(diào)試以及實(shí)際測試，證明本文設(shè)計(jì)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(jìn)了一步，且其成本低、操作簡單，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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