基于單片機(jī)的智能型液體電蚊香控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉澤宇 徐燁楓 齊斌

摘 要：本文以單片機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款智能型液體電蚊香控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STC系列單片機(jī)作為主控制器，實(shí)現(xiàn)其濃度調(diào)節(jié)、自主定時(shí)、強(qiáng)制關(guān)停的功能;通過改變發(fā)熱元件的功率來調(diào)節(jié)液體電蚊香藥液的揮發(fā)濃度;通過DS1302時(shí)鐘芯片計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)液體電蚊香的定時(shí)功能。其中，定時(shí)功能包括自主定時(shí)關(guān)停及強(qiáng)制定時(shí)關(guān)停。在未啟動(dòng)自主定時(shí)狀態(tài)下，按鍵動(dòng)作累計(jì)時(shí)間超過設(shè)定值12 h，強(qiáng)制定時(shí)關(guān)停程序運(yùn)行，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)斷電。

關(guān)鍵詞：智能液體電蚊香;單片機(jī);藥液揮發(fā)濃度;智能關(guān)停

中圖分類號(hào)：TM925.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0021-04

Abstract： Based on the single-chip microcomputer， this paper designed an intelligent liquid electric mosquito coil control system. The system uses STC series single-chip microcomputer as the main controller to realize the functions of concentration adjustment， independent timing， and forced shutdown; the volatilization concentration of the liquid electric mosquito-repellent incense is adjusted by changing the power of the heating element; the timing function of the liquid electric mosquito coil is realized through the timing of the DS1302 clock chip. Among them， the timing function includes autonomous timing shutdown and mandatory timing shutdown. In the state of not starting the autonomous timing， the cumulative time of the button action exceeds the set value for 12 hours， and the program is forced to shut down the program running regularly， so that the entire system is automatically powered off.

Keywords： smart liquid electric mosquito coil;single chip microcomputer;volatile concentration of liquid medicine;intelligent shutdown

據(jù)統(tǒng)計(jì)，液體電蚊香產(chǎn)品占驅(qū)蚊產(chǎn)品（包括液體電蚊香、電蚊香片、盤式蚊香和花露水等）市場(chǎng)份額的30%，足見使用液體電蚊香產(chǎn)品驅(qū)蚊深受廣大群眾喜愛。但是，液體電蚊香產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中存在一定的不足，主要體現(xiàn)在兩方面：一是液體電蚊香產(chǎn)品只具有單一揮灑濃度，無(wú)法區(qū)別對(duì)待不同地區(qū)蚊蟲的耐受藥液程度，對(duì)于某地區(qū)耐藥性低的蚊蟲，揮灑藥液濃度可能過量，造成浪費(fèi)，而對(duì)于某地區(qū)耐藥性高的蚊蟲，揮灑藥液濃度可能過低，達(dá)不到驅(qū)蚊效果。二是現(xiàn)有液體電蚊香產(chǎn)品僅能通過人工通斷電方式實(shí)現(xiàn)液體電蚊香的啟停功能，很多家庭使用后經(jīng)常會(huì)忘記關(guān)停液體電蚊香，造成浪費(fèi)和用電安全隱患[1]。

基于上述認(rèn)識(shí)，人們急需對(duì)液體電蚊香產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，以提高液體電蚊香的驅(qū)蚊效果，節(jié)約藥液使用量，保證安全用電。

1 工作原理概述

智能液體電蚊香需要實(shí)現(xiàn)濃度自由調(diào)節(jié)、自主定時(shí)和強(qiáng)制關(guān)停功能。下面分析具體工作原理。

一是利用單片機(jī)的不同引腳，設(shè)計(jì)溫度調(diào)節(jié)電路。系統(tǒng)通過控制晶體二極管觸發(fā)導(dǎo)通以及電阻大小控制電壓，進(jìn)而得到三種揮灑濃度所需的溫度，并使用單片機(jī)控制顯示“高”“中”“低”擋位的LED燈發(fā)光。晶體二極管作為電壓控制元件，功耗低且性能比較穩(wěn)定，方便改變電壓來調(diào)節(jié)PTC加熱器的加熱方式。二是采用DS1302時(shí)鐘芯片，對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分和秒進(jìn)行計(jì)時(shí)。用戶可根據(jù)周圍環(huán)境自主設(shè)定時(shí)間，通過按鍵1與按鍵2實(shí)現(xiàn)小時(shí)的增減，通過按鍵3與按鍵4實(shí)現(xiàn)分鐘的增減。累計(jì)時(shí)間達(dá)到自主設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷電。三是為了確保在未啟動(dòng)自主定時(shí)狀態(tài)下的安全，設(shè)定最大使用時(shí)間12 h，當(dāng)檢測(cè)到按鍵動(dòng)作后的計(jì)時(shí)超過12 h，系統(tǒng)將會(huì)強(qiáng)制斷電。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與分析

智能液體電蚊香的電路系統(tǒng)主要由電源電路、最小電路、時(shí)鐘電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路和溫度調(diào)節(jié)電路組成，總體框圖如圖1所示。

2.1 電源電路

如圖2所示，電源電路主要由整流濾波電路和串聯(lián)穩(wěn)壓電路組成，經(jīng)過降壓—整流—濾波—穩(wěn)壓，將電路輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)換為約5 V的直流電。先通過變壓器降壓，再通過4個(gè)二極管組成的單相橋式整流電路，將正弦交流電壓[Ui]轉(zhuǎn)換成單相直流脈動(dòng)電壓[Uo];由于[Uo]仍為周期性變化電壓，含有直流與各種頻率的交流成分，人們需要采用電容濾波電路濾除脈動(dòng)直流中的交流成分，增加直流成分;最后接入LM7805三端穩(wěn)壓器以及兩個(gè)電容C3、C4，對(duì)整流后的直流電壓進(jìn)一步進(jìn)行穩(wěn)定。

2.2 最小電路

該系統(tǒng)采用的是STC89C51單片機(jī)，其內(nèi)部主要有中央處理器（CPU）、振蕩電路、總線控制、中斷控制、Flash存儲(chǔ)器、內(nèi)部存儲(chǔ)器（RAM）、并行I/O接口、定時(shí)器和串行I/O接口。最小電路由STC89C51單片機(jī)、電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成[2]。STC89C51單片機(jī)的工作電壓范圍為4.0～5.5 V，電源電路給單片機(jī)供5 V直流電;時(shí)鐘電路向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)，其晶振頻率設(shè)定為12 MHz;復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，高電平有效，采用混合復(fù)位電路連接，將上電復(fù)位電路和手動(dòng)復(fù)位電路結(jié)合。

2.3 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路采用的是DS1302時(shí)鐘芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄;由于單片機(jī)計(jì)時(shí)，不僅要占用硬件資源，還要設(shè)置中斷，步驟煩瑣，所以不采用單片機(jī)計(jì)時(shí)。DS1302時(shí)鐘芯片工作時(shí)采用SPI總線驅(qū)動(dòng)方式，必須外接時(shí)鐘振蕩電路，X1與X2外接36 728 Hz晶振;為芯片提供時(shí)鐘脈沖。VCC1作為主電源，VCC2作為備用電源，給DS1302供電。RST為復(fù)位信號(hào)，低電平有效;SCLK為串行時(shí)鐘引腳，I/O為串行數(shù)據(jù)引腳，三者皆受單片機(jī)所控制，電路如圖3所示。

2.4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

繼電器在電路中有自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路的作用。鑒于單片機(jī)I/O口不能直接接入220 V的交流電，因此采用繼電器的控制方式（見圖4），將強(qiáng)電控制轉(zhuǎn)化為弱電控制。系統(tǒng)利用PNP型三極管的電流放大作用，通過電阻將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔?。也就是說，控制電路采用PNP型三極管作為驅(qū)動(dòng)，若單片機(jī)端口輸出低電平，則三極管Q1發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，繼電器線圈得電，常開閉合，常閉斷開。

2.5 溫度調(diào)節(jié)電路

本研究利用PTC加熱器熱阻小、熱轉(zhuǎn)換率高、安全性能好的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)溫度調(diào)節(jié)電路。加熱器由PTC陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成，采用U形波紋狀散熱片，在內(nèi)部溫度過高、PTC加熱器得不到充分散熱的情況下，其功率會(huì)自動(dòng)急速下降，使表面溫度維持在居里溫度左右，具有恒溫作用。

由于加熱元件工作電壓為220 V，而單片機(jī)無(wú)法提供超過5 V的電壓，所以本設(shè)計(jì)采用繼電器間接控制，選用STC89C51單片機(jī)的三個(gè)引腳分別控制三個(gè)不同的繼電器KM1、KM2、KM3，從而間接控制液體電蚊香三種不同的工作模式。電路圖如圖5所示。低濃度模式下，線圈KM1得電，KM1常開觸點(diǎn)閉合，KM1常閉觸點(diǎn)斷開;利用晶體二極管的單向?qū)ㄌ匦裕辜訜崞骷訜釡囟认陆担≧1在電路中起限流作用）;正常模式下，KM2線圈得電，通過電阻R2、電阻R3與加熱元件串聯(lián);高濃度模式下，KM3線圈得電，電源通過R2與加熱元件串聯(lián)。

3 原理數(shù)值分析

本研究通過試驗(yàn)測(cè)定獲得揮發(fā)芯棒上端不同溫度下的液體電蚊香揮灑濃度數(shù)據(jù)。查閱液體電蚊香驅(qū)蚊成分濃度的上、下界限，設(shè)計(jì)人員擬確定“高”“中”“低”三種有效揮灑濃度值。本設(shè)計(jì)根據(jù)“高”“中”“低”三種有效揮灑濃度值，確定相應(yīng)驅(qū)動(dòng)PTC加熱器加熱的三種電壓;利用單片機(jī)的不同引腳，分別控制晶體二極管觸發(fā)導(dǎo)通以及電阻元件控制電壓，進(jìn)而得到三種揮灑濃度;使用單片機(jī)控制顯示“高”“中”“低”擋位的LED燈發(fā)光。晶體二極管作為電壓控制元件，功耗低且性能比較穩(wěn)定，方便改變電壓來調(diào)節(jié)PTC加熱器的加熱。

3.1 溫度參數(shù)

液體電蚊香加熱器內(nèi)部，220 V電源一端通過一個(gè)電阻接到PTC陶瓷加熱片的一端，另一端回到電源。因采用PTC陶瓷加熱，其本身就有恒溫作用，所以此處暫不考慮溫度補(bǔ)償。系統(tǒng)利用電阻產(chǎn)生的熱量，通過熱傳遞裝置將其熱量傳到電加熱器的導(dǎo)熱板上，導(dǎo)熱板的溫度隨著電阻的溫度變化，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其發(fā)熱溫度控制在160～170 ℃。

3.2 揮發(fā)濃度參數(shù)

液體電蚊香主要成分為菊酯化合物[3]，參考右旋丙炔菊酯（ETOC）和SR-生物丙烯菊酯（EBT）的發(fā)揮率以及生物效果測(cè)定結(jié)果，在保證液體電蚊香驅(qū)蚊效果的情況下，其ETOC理想發(fā)揮率不小于0.57 mg/h，EBT理想發(fā)揮率不小于1.22 mg/h（此處暫不考慮溶液由多種原料復(fù)配所帶來的影響）。

對(duì)于一瓶45 mL的液體電蚊香，若每天通電6～10 h，則可以使用45 d;若每天24 h不間斷使用，則可以使用15～20 d。液體電蚊香儲(chǔ)液瓶示意圖如圖6所示，其小時(shí)數(shù)應(yīng)處于區(qū)間[（μ-σ，μ+σ）]內(nèi)，其中，[μ]、[σ]用式（1）和式（2）表示，經(jīng)計(jì)算，其可用時(shí)間為（390±83.516）h。

根據(jù)理想發(fā)揮率，人們可以近似得出不同組分的揮發(fā)濃度[c]（g/mL）。對(duì)于一瓶45 mL的液體電蚊香來說，ETOC揮發(fā)濃度處于區(qū)間（3.89×10-3，5.99×10-3）內(nèi)，EBT揮發(fā)濃度處于區(qū)間（8.309×10-3，12.837×10-3）內(nèi)。

由于液體電蚊香的揮發(fā)通過揮發(fā)芯棒來實(shí)現(xiàn)，在被加熱使用后，藥液沿?fù)]發(fā)芯棒上升的流動(dòng)速率變大，揮發(fā)芯棒受熱部位所吸附藥液的濃度也就越高，但實(shí)際的揮發(fā)濃度要小于流入揮發(fā)芯棒的藥液有效成分濃度值。假設(shè)累計(jì)已揮發(fā)掉[V]（mL）藥液，未被揮發(fā)芯棒吸附、可自由流動(dòng)藥液的有效成分的量為[m]（g），被揮發(fā)芯棒吸附、無(wú)法自由流動(dòng)藥液的有效成分的量為[W]（g），其中[m]與[W]的比值為常數(shù)[k];流入揮發(fā)芯棒的藥液有效成分濃度為[c1]（g/mL），流出揮發(fā)芯棒的藥液有效成分濃度為[c2]（g/mL），則可以得到以下公式：

對(duì)于該揮發(fā)芯棒而言，只有當(dāng)[V]足夠大時(shí)，[c1-c2]的值才可忽略不計(jì)，即在藥液被加熱足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，流入和流出芯棒藥液的有效成分的濃度差才近似相等。啟動(dòng)階段，[c1-c2]的值較大，為保證其揮發(fā)濃度符合濃度區(qū)間，人們要保證濃度取值偏大一些。已知ETOC的密度為1.084 g/mL，EBT的密度為1.05 g/mL，經(jīng)計(jì)算，ETOC的濃度為0.359%～0.553%，EBT的濃度為0.791%～1.223%，而市面上的液體電蚊香濃度一般保持在0.62%～1.24%，人體最適宜的濃度為0.8%左右。由于理論揮發(fā)濃度數(shù)值區(qū)間應(yīng)為實(shí)際發(fā)揮濃度數(shù)值區(qū)間的子區(qū)間，因此本研究確定，“高”“中”“低”三種濃度值分別為0.62%～0.69%、0.70%～0.89%和0.90%～1.10%。其間，揮發(fā)濃度與溫度的關(guān)系可近似等效為線性關(guān)系。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的智能型液體電蚊香控制系統(tǒng)可以根據(jù)外部環(huán)境條件（通風(fēng)、溫度、空間等），選擇不同的加熱溫度，利用不同的揮發(fā)濃度，有效地實(shí)現(xiàn)驅(qū)、滅蚊的作用。人們可以預(yù)設(shè)智能液體電蚊香的工作時(shí)間，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)斷電，減小液體藥物揮發(fā)而產(chǎn)生的氣體危害。影響揮發(fā)濃度預(yù)估值的因素較多，除了溶液本身，還有揮發(fā)芯棒的孔隙率，它會(huì)隨加熱時(shí)間的增加而降低，實(shí)際的揮發(fā)濃度不可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。但是，理論揮發(fā)濃度數(shù)值區(qū)間為實(shí)際發(fā)揮濃度數(shù)值區(qū)間的子區(qū)間。所以，本文根據(jù)市面上電熱蚊香的發(fā)熱元件功率（4.5～6.0 W）和發(fā)熱溫度（130～165 ℃）來確定揮發(fā)溫度與電壓。目前，越來越多的人認(rèn)識(shí)到電蚊香加熱器在智能啟停上的不足以及蚊蟲活動(dòng)規(guī)律的間歇性，提出定時(shí)或間歇使用液體電蚊香，這樣既能達(dá)到驅(qū)蚊目的，又可節(jié)約電能和驅(qū)蚊藥。目前，實(shí)現(xiàn)電蚊香加熱器智能啟停的技術(shù)主要有紅外線感應(yīng)[4]、藍(lán)牙通信[5]、單片機(jī)定時(shí)中斷等，其中，單片機(jī)處理方式具有成本低、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。

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