智能加濕器設(shè)計(jì)

葛亞齊 劉建粉

摘 要

基于智能家居理念，設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52單片機(jī)的智能加濕器。智能加濕器有兩種模式，自動(dòng)模式下通過(guò)傳感器采集周圍溫濕度數(shù)據(jù)并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的濕度閾值自動(dòng)調(diào)節(jié)工作狀態(tài);手動(dòng)模式下通過(guò)手機(jī)APP查看溫濕度信息并遠(yuǎn)程控制加濕器工作狀態(tài)。該加濕器具備濕度閾值設(shè)置、自調(diào)節(jié)噴霧大小、防干燒、自啟停及實(shí)時(shí)顯示溫濕度等功能，使用便利，能提高人們的生活舒適度。

關(guān)鍵詞

智能加濕器;單片機(jī);傳感器;WiFi;Android

中圖分類號(hào)： TM925.1;TP368.1;TP212 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.035

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求也提出了更高要求，良好的室內(nèi)環(huán)境不僅有助人體健康，同時(shí)也能給工作生活帶來(lái)愉快的心情[1]。加濕器的使用可以有效改變空氣濕度，給人們提供舒適的環(huán)境。

參考市面的加濕器，并對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。利用DHT11采集溫濕度并通過(guò)LCD1602顯示，設(shè)置按鍵來(lái)控制環(huán)境濕度閾值并實(shí)現(xiàn)智能加濕，手機(jī)APP通過(guò)ESP8266WiFi可以查看溫濕度信息并控制加濕器的運(yùn)行和停止，防干燒功能使系統(tǒng)更安全可靠。

1 工作原理

根據(jù)用戶需求分析，設(shè)計(jì)的智能加濕器應(yīng)滿足以下要求：采集周圍環(huán)境的溫濕度并實(shí)時(shí)顯示;按鍵設(shè)置濕度閾值，在閾值范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加濕或停止;通過(guò)開發(fā)的手機(jī)APP可以查看溫濕度，并可控制加濕器的工作或停止;當(dāng)加濕器即將發(fā)生干燒時(shí)，加濕器停止工作。為實(shí)現(xiàn)上述要求。本次選用搭載了STC89C52芯片的BST-M51開發(fā)板，DHT11作為溫濕度采集模塊，LCD1602液晶屏為顯示模塊，按鍵為設(shè)置模塊，選用1路5v繼電器作為驅(qū)動(dòng)模塊，ESP8266-01s作用手機(jī)與單片機(jī)之間的通信模塊。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在系統(tǒng)流程中可以看出，Android ?APP終端和STC主控芯片作為客戶端，依靠WiFi模塊服務(wù)端進(jìn)行互相通信。STC主控芯片檢測(cè)溫濕度發(fā)送給APP顯示;APP發(fā)送數(shù)據(jù)控制繼電器開關(guān);STC單片機(jī)控制LCD顯示溫濕度并通過(guò)按鍵掃描控制繼電器工作。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52主控芯片

STC89C52芯片包含中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM），定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、I/O接口、EEPROM 、看門狗等模塊，是一款功能強(qiáng)大的系統(tǒng)芯片[2]。STC 89C52芯片采用5v供電，在XTAL1和XTAL2引腳兩端跨接頻率為11.0592MHz的晶振作為時(shí)鐘電路。

為了使本次設(shè)計(jì)占用空間小且集成程度高，故本系統(tǒng)選擇了搭載STC89C52芯片的BST-M51主板，該主板集成了按鍵、燈光、通信接口、LCD顯示屏接口以及多種電壓的接口，模塊定義IO口即可使用。P3.0和P3.1作為通信接口連接ESP8266WiFi。P1作為L(zhǎng)ED燈的IO口，P2.2連接DHT11傳感器，P2.1連接繼電器模塊。

2.2 溫濕度采集模塊

環(huán)境溫濕度采集使用DHT11溫濕度傳感器。這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，可以同時(shí)采集溫度和濕度。讀出溫濕度數(shù)據(jù)在進(jìn)行校驗(yàn)后可以進(jìn)行使用，具有精度高、可靠性高的特點(diǎn)。使用時(shí)將DATA口接入單片機(jī)，5v供電即可。

2.3 顯示模塊

溫濕度信息顯示采用液晶屏LCD1602實(shí)現(xiàn)。LCD1602是一款藍(lán)屏、帶背光白字體的顯示屏，是專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字元、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊。采用標(biāo)準(zhǔn)的16位引腳，通過(guò)RS、R/W和E端的電平控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀操作和寫操作。

2.4 繼電器控制模塊

本次采用1路5v繼電器控制電路通斷，繼電器最大的特點(diǎn)是可以通過(guò)很小的電流來(lái)控制大電流的通斷，一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。輸入端有DC+、DC-和IN三個(gè)接口，輸出端有NO、COM、NC三個(gè)接口。由于單片機(jī)IO口電流很小，所以選擇低電平觸發(fā)方式，輸入端用單片機(jī)來(lái)控制，輸出端用來(lái)控制加濕器。

2.5 WiFi通信模塊

本系統(tǒng)通信模塊為ESP8266-01sWiFi模塊。該模塊共有8個(gè)引腳，3種工作模式，分別是AP模式、station模式以及混合模式。WiFi模塊包含基礎(chǔ)網(wǎng)（Infra）和自組網(wǎng)（Adhoc）兩種類型的拓?fù)鋄3]。本次設(shè)計(jì)主要使用AP模式。AP 是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。將WiFi模塊作為服務(wù)器，單片機(jī)和手機(jī)作為客戶端，連接WiFi模塊進(jìn)行相互通信。WiFi通信屬于串口通信，所以直接將ESP8266與單片機(jī)直連，VCC連接3.3V電源接口，GND與單片機(jī)共地，TX-RX，RX-TX，CH-PO置高，連接3.3V電源。通過(guò)單片機(jī)向芯片寫入AT命令進(jìn)行WiFi配置，然后開啟系統(tǒng)中斷，接收WiFi模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷數(shù)據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 溫濕度采集實(shí)現(xiàn)

溫濕度的采集分為3個(gè)步驟。第一步：主機(jī)先發(fā)送開始信號(hào)，等待1S的延時(shí)后，從機(jī)會(huì)返回一個(gè)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答。第二步：主機(jī)信號(hào)線拉高準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。第三部：開始接收數(shù)據(jù)（一次接收40位）。最后，主機(jī)信號(hào)拉低讀取結(jié)束，開始校驗(yàn)數(shù)據(jù)。在接收的40位數(shù)據(jù)中，前16位與濕度相關(guān)，中間16位與溫度相關(guān)，最后8位是校驗(yàn)位，只有校驗(yàn)成功后才能得到準(zhǔn)確的數(shù)值。校驗(yàn)成功把接收到的溫濕度數(shù)據(jù)按位拆分，方便顯示和發(fā)送。

3.2 溫濕度及閾值顯示

當(dāng)溫濕度讀取成功后，將數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上。經(jīng)過(guò)測(cè)試，LCD1602每一行最多可顯示16個(gè)字符，最多顯示兩行。于是我們將LCD的顯示操作專門寫為函數(shù)，按照數(shù)組的方式按位寫入顯示屏上。例如顯示濕度值在第一行直接調(diào)用lcd1602_ char（1，7，dat_r[0]）;lcd1602_char（1，8，dat_r[1]）;dat_r[0]和dat_r[1]分別為濕度的十位與個(gè)位，方便使用和查看。

3.3 智能加濕實(shí)現(xiàn)

智能加濕功能是通過(guò)DHT11采集的濕度與按鍵設(shè)置的濕度閾值來(lái)對(duì)比。初始化閾值為68，按下按鍵K2閾值加1，按下按鍵K3閾值減1。當(dāng)室內(nèi)濕度低于閾值時(shí)繼電器控制加濕器工作，濕度高于濕度閾值加濕器停止工作。將功能函數(shù)放入主函數(shù)循環(huán)中可以實(shí)現(xiàn)智能加濕。

3.4 WiFi通信實(shí)現(xiàn)

本次WiFi使用的AP模式，在使用之前要進(jìn)行一系列AT指令配置以符合單片機(jī)使用要求。WiFi通信屬于串口通信，通信中數(shù)據(jù)的收發(fā)都是通過(guò)中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在串口初始化后，單片機(jī)通過(guò)系統(tǒng)中斷一位一位接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，將接受的消息全部存入數(shù)組Recive_table[]中，經(jīng)過(guò)對(duì)WiFi模塊的調(diào)試發(fā)現(xiàn)，WiFi發(fā)送信息的格式為+IPD，x，y：+所發(fā)數(shù)據(jù)，即數(shù)組第10位也就是Recive_table[9]為客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)Recive_ table[9]數(shù)據(jù)為0時(shí)繼電器低電平被觸發(fā)，Recive_table[9]數(shù)據(jù)為1時(shí)繼電器高電平關(guān)閉。

3.5 Android終端實(shí)現(xiàn)

Android終端主要任務(wù)是與單片機(jī)進(jìn)行通信。當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)程序需要通信時(shí)，它們可以通過(guò)使用Socket類建立套接字連接。在客戶端使用Socket類建立指定服務(wù)器IP和端口號(hào)連接的套接字，構(gòu)造方法為Socket（host_IP，port）。由于Socket對(duì)象可能發(fā)生IOException異常，因此在建立Socket對(duì)象時(shí)要使用try-catch結(jié)構(gòu)處理異常[4]。

Socket對(duì)象建立完成后發(fā)送數(shù)據(jù)控制加濕器，接收單片機(jī)發(fā)來(lái)的溫濕度數(shù)據(jù)。其中按鍵監(jiān)聽和彈窗顯示是在主線程中完成，建立socket連接和收發(fā)數(shù)據(jù)都是在子線程中完成。

Android的發(fā)送數(shù)據(jù)是使用Socket中的getOutputStream方法，通過(guò)WiFi分配的ip和端口建立socket連接，客戶端的Socket對(duì)象上的getOutputStream方法得到的輸出流，其實(shí)就是發(fā)送給服務(wù)器端的數(shù)據(jù)。新建一個(gè)打印輸出流，使用print（數(shù)據(jù)）和flush（）方法將數(shù)據(jù)發(fā)到服務(wù)端。

Android的接收溫濕度是使用Socket中的getInputStream方法，和getOutputStream類似，使用getInputStream方法得到輸入流其實(shí)就是從服務(wù)器端（ESP8266）發(fā)回的溫濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)讀出來(lái)使用控件TextView的setText（）方法顯示溫濕度。具體流程如圖2所示。

4 結(jié)論

智能加濕器以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)傳感器和控制算法，顯示環(huán)境溫濕度并可以根據(jù)濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)智能加濕。Android開發(fā)的APP終端可以通過(guò)ESP8266WiFi模塊和單片機(jī)雙向通信，既可以控制加濕器開關(guān)也可以接收環(huán)境溫濕度，滿足人們生活方便舒適需要。

參考文獻(xiàn)

[1]袁萌，王彥淞.室內(nèi)空氣溫濕度對(duì)人體熱舒適性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑節(jié)能，2014（8）：17-20.

[2]陳大新.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[J].C51，2014，20（1）：30-35.

[3]紅心物聯(lián)科技.物聯(lián)網(wǎng)WiFi模塊工作的STA和AP模式詳細(xì)介紹[EB/OL]. http：//www.hx-wulian.com/archives/239， 2014-04-23.

[4]張思民.Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2018.