基于STC89C52的智能溫控霧化裝置設計

劉肯，陳浩源，韓旭東

廣州城市理工學院汽車與交通工程學院，廣東廣州 510400

0 引言

智能溫控霧化裝置為一種通過超聲波霧化片霧化水，并吸收環(huán)境溫度使其蒸發(fā)，以此達到降溫、除塵、增濕的裝置，用以一定幅度提升環(huán)境降溫的能力。利用電子可以高頻振蕩的特性讓其產生出人體所不能感知高頻震動，再利用陶瓷霧化片的高頻諧振的特性，將液態(tài)水分子成功吹到霧化片出口。

智能溫控霧化裝置可以單獨用于房屋建筑內調節(jié)環(huán)境溫度、濕度等方面；可以作為車載汽車加濕器設備使用，起到增加汽車室內的濕度、滋潤干燥的空氣的作用;可選擇配合一些植物精油或藥液使用，有效緩解駕駛疲勞、去除汽車中的異味、滋潤肌膚、美容養(yǎng)顏、抑制細菌傳播、避免引起呼吸道疾病、使車內環(huán)境更舒適；也可以選擇性地分布在校園等室內地方，進行小面積的整體降溫、除塵、增濕。

1 整體系統(tǒng)設計

基于設計目標和預期方案，從宏觀來講，所設計的整體系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，圖1為系統(tǒng)總體控制框圖。

圖1 系統(tǒng)總體控制框圖

對于核心控制器的選取，通過查閱資料，選擇STC89C52單片機為核心控制芯片，加上其他的模塊一起組成溫控噴霧裝置的整個系統(tǒng)，其中包含中控部分、輸入部分和輸出部分。

(1)中控部分

中控部分采用了STC89C52單片機，其主要作用是獲取輸入部分數據，經過內部處理，控制輸出部分。

(2)輸入部分

輸入部分由5個模塊構成：①供電電路模塊，給整個系統(tǒng)進行供電；②DHT11溫濕度檢測模塊，通過該模塊可獲取當前溫濕度；③獨立按鍵，通過3個獨立按鍵切換界面和調節(jié)噴霧擋位及設置溫度限定值;④紅外接收模塊，可通過紅外遙控;⑤時鐘模塊，可通過定時控制霧化啟動。

(3)輸出部分

輸出部分由3個模塊構成：①LCD1602顯示模塊,通過該模塊可以顯示當前溫度值、噴霧量狀態(tài)、手動/自動模式以及設置噴霧擋位及溫度限定值界面；②霧化片驅動模塊和霧化片，通過霧化片驅動模塊，配上低電平控制，即可完成噴霧擋位調節(jié)；③蜂鳴器報警，當溫濕度不在設定范圍內的話，則蜂鳴器進行間斷性報警。

LED指示燈需配合3個霧化模塊使用。其系統(tǒng)的運行模式為：此霧化裝置首先經過溫濕度傳感器DHT11對外圍的環(huán)境溫濕度進行實時識別并檢測，然后將采取的數據傳遞給單片機進行解析處理，配合專用驅動IC SJ303來實現對霧化片的嵌入式智能化控制輸出。用戶可按動輕觸按鍵自行設定合適的溫度最大最小值，傳感器可以感知當前外界環(huán)境的溫度是否處于用戶設定范圍內，裝置根據所處的環(huán)境溫度數值，自動判斷是否轉換弱擋、中擋和強擋等合適的擋位。假若檢測到所處的環(huán)境溫度數值高于設定的最大值時，鳴警器開始運作，增加噴霧片的霧化量;假若傳感器感知到外界環(huán)境溫度低于設定的最小溫度時，鳴警器開始運作，且霧化片停止工作。因此實現了霧化片的噴霧量大小控制隨溫度變化而變化，進而不需要人為的頻繁操作，即一定程度上實現了噴霧的智能化、自動化控制。此外，該裝置還預留了手動操作設置模式，方便根據不同的環(huán)境需求進行修改。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件電路的最主要組成部分有：以單片機組成的最小系統(tǒng)模塊、溫濕度檢測電路設計、超聲波霧化片驅動電路、蜂鳴器鳴叫警示電路、按鍵控制電路、紅外接收設計等模塊。下面對這幾個組成部分進行詳細的介紹。

2.1 溫濕度檢測電路設計

由于智能霧化裝置在長期的運行過程中，需要對所處的外界環(huán)境因素進行實時采集，并根據不同情況做出快速的處理反應，且需要一定的抗干擾能力。故根據工作需求，最終選用DHT11數字溫濕度傳感器，此傳感器具有專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，并具有極快的響應速度、卓越的抗干擾能力、極優(yōu)的性價比若干優(yōu)點。

溫濕度檢測模塊電路如圖2所示。由圖可以看出，溫濕度傳感器I/O與STC89C52的P1.6控制端口相連，這樣單片機STC89C52可以將溫濕度傳感器檢測的環(huán)境溫濕度通過該端口讀入并顯示，同時控制霧化片的噴霧量大小。圖中的是DHT11的上拉電阻，其作用是單片機讀取數據結束時，上拉電阻將I/O重新拉回高電平狀態(tài)。供電電壓為3～5.5 V，電流平均為0.2 mA。

圖2 溫濕度檢測模塊電路

2.2 霧化片驅動模塊設計

針對智能溫控噴霧系統(tǒng)，設計的霧化片驅動模塊電路如圖3所示。

圖3 超聲波霧化片驅動模塊電路

超聲波霧化片專用驅動芯片是依據COMS工藝所制造的專用高度集成電路。其內部組件含有高平PWM發(fā)生器、DC-DC升壓控制器、MCU內核等資源。該集成化電路通過驅動兩個低內阻N溝道MOSFET，進而實現了前端DC-DC的高效升壓及超聲霧化片的驅動。

工作環(huán)境:電壓為5 V(直流電壓); 溫度為-30～80 ℃。

電路原理:元器件電子電路中的控制輸出、DC-DC升壓電路和超聲波霧化片驅動功能由超聲波霧化片專用驅動芯片提供。在此電子電路中，小功率貼片電感、肖特基二極管D3、三極管Q6和電解電容共同構成DC-DC升壓電路，電阻和提供反饋信號。輸入直流電壓5 V由前端電路將其升壓至20 V，以滿足超聲波霧化器的驅動電壓要求；由小功率貼片電感、三極管Q7和超聲波霧化片組成后端電路，以此形成無源高壓諧振電路從而驅動超聲波霧化片進入工作狀態(tài)；再者為預防直流電流加載到霧化片的兩端，在電子電路中加入電容和以起到隔絕直流電流的有效作用。同時，采用電容作為超聲霧化片的分流電容，穩(wěn)定超聲波霧化器兩端的電壓，防止超聲霧化片產生故障。

超聲波霧化片專用驅動芯片有一個電路電信號EN輸入端口，假若接入低電平之時，芯片就進入工作狀態(tài);假若接入高電平或懸空之時，芯片就進入待機狀態(tài)。另外芯片的SCAN端口為掃頻測試端口，每按下按鍵一次都將進行一次試頻率掃描，掃描結束之后待機。

2.3 蜂鳴器鳴叫警示電路

蜂鳴器鳴叫警示電路如圖4所示。蜂鳴器通過STC89C52芯片的引腳P2.1端口進行控制。當溫濕度傳感器檢測到的溫度數值低于或濕度高于設定最小值時，霧化器自動關閉，蜂鳴器發(fā)聲鳴響，提示用戶當前溫度下降或濕度升高；相反，芯片引腳 P2.1端口輸出無效電平信號，蜂鳴器不發(fā)聲警示鳴叫。當溫濕度傳感器檢測到的溫度數值高于設定的最大值時，單片機的引腳P2.1端口輸出有效電平，溫控霧化自動轉為強擋，蜂鳴器發(fā)聲鳴響。

圖4 蜂鳴器鳴叫警示電路

2.4 紅外接收部分設計

在紅外接收部分方面，簡而言之，此電子元器件采用的是成品的塑料封裝的紅外接收頭HS0038A和輸出波形相同的成品遙控器。意在通過此遙控方式來控制噴霧擋位的調節(jié)，方便用戶遠程控制噴霧裝置，極大提高了便利性。紅外接收模塊電路如圖5所示。

圖5 紅外接收模塊電路

2.5 獨立按鍵模塊電路

獨立按鍵模塊電路如圖6所示。

圖6 獨立按鍵模塊電路

采用S2輕觸按鍵來查看溫度的設定，小于10 ℃停止；10～20 ℃是一個低擋位的狀態(tài)；20～30 ℃是一個中擋位的狀態(tài)；30～40 ℃是一個強擋位。所以總共有4個擋位：停止、低擋、中擋、強擋。并且溫度設定是可以通過按鍵更改的，通過S3輕觸按鍵加，S4輕觸按鍵減。但是設定的限值差絕對值要大于1 ℃。自動模式是通過溫度的改變來控制，當然也可以手動模式來調節(jié)，手動模式就是在溫度檢測顯示界面按下S3輕觸按鍵，從而改成手動模式狀態(tài)，然后通過S4輕觸按鍵自行調節(jié)擋位。想調回自動模式就再按一下S3按鍵。

3 軟件設計

此軟件結構系統(tǒng)設計采用Keil u Vision5運行編譯，該系統(tǒng)架構有3個部分:一是發(fā)送系統(tǒng)，二是接收系統(tǒng)，三是執(zhí)行系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)是該程序的內核，它運行的是所設定的固定命令，但是用戶可以通過發(fā)送程序指令給接收系統(tǒng)，進而通過接收系統(tǒng)對執(zhí)行系統(tǒng)進行調整和控制。在用戶控制該系統(tǒng)時，系統(tǒng)會給予用戶及時的反饋提醒，實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

4 結束語

以STC89C5芯片為核心控制器所設計的智能調節(jié)溫控噴霧裝置,宏觀上總體實現了識別、檢測并顯示外部環(huán)境溫度濕度數值,再者依據外部環(huán)境因素數值的變化自動調節(jié)霧化程度,減少了人們對噴霧裝置使用的精力消耗,促進了噴霧裝置智能化的發(fā)展。該噴霧裝置使得之前的笨拙噴霧有較大的進步,可以進行定時定量的或者不同的溫度環(huán)境控制下實現智能化噴霧。不僅減少了人工成本,較之前的笨拙持續(xù)噴霧更經濟實惠且節(jié)約用水，更加適用于無人化、智能化、經濟化的當今世界場景。