基于單片機技術的智能速熱殺菌烘干器設計

張晨曦，楊雪強，徐浩然，張鵬舉，楊松濤

（黑龍江科技大學 黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引言

烘干器是一種用途非常廣泛的生產(chǎn)、生活工具，常用于日常生活中的干手、干鞋以及廚房用品的烘干消毒。除此，食品谷物生產(chǎn)行業(yè)、工件加工行業(yè)、公共場所以及居家生活都離不開烘干器?，F(xiàn)有常見的烘干器存在結(jié)構(gòu)復雜、元件較多、輻射較強、功耗高、效果較差、效果單一、后期維修任務大等問題[1]。本系統(tǒng)采用單片機集成控制，減少部分元器件，降低電路復雜程度，使后期的維修難度也大大降低?？紤]疫情防控的要求和日常生活中干手、干鞋、廚具烘干消毒的需求，本文采用石墨烯加熱模塊既能實現(xiàn)提高烘干器的效率又可以殺菌消毒。采用檢測模塊、單片機STC12C5A60S2控制系統(tǒng)、藍牙顯示和按鍵模塊，完成高效節(jié)能自助式的烘干任務[2]。因此，在疫情時代的大背景下，這款高效節(jié)能、殺菌、操作簡單、烘干效果顯著的烘干器顯得尤為重要。

1 智能速熱殺菌烘干器總體設計結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)總體設計主要是通過溫、濕度檢測模塊采集外部環(huán)境的主要參數(shù)，再經(jīng)過STC12C5A60S2主控系統(tǒng)完成對溫度、濕度等數(shù)據(jù)的處理整合與分析，并通過LCD顯示模塊實時顯示。同時，用戶可以根據(jù)實際需求通過按鍵模塊更改石墨烯加熱模塊的功率[3]，從而改變溫度、濕度的設定值，利用石墨烯材料的特性自動高效地完成殺菌任務。通過軟件編程，當溫度達到設定的上限值后，系統(tǒng)會自動控制，使溫度恒定不變，避免多種安全隱患的發(fā)生。為提升用戶體驗感，系統(tǒng)通過藍牙傳輸技術連接手機和單片機，利用單片機對手機上傳輸?shù)男畔⑦M行分析運算，將包括溫濕度在內(nèi)的各種狀態(tài)信息上傳至手機，用戶可以通過軟件控制工作時長以及系統(tǒng)的運行和停止，實現(xiàn)便攜式監(jiān)測和人機交互功能[4]。系統(tǒng)總體設計框圖見圖1。

繼電器與電機模塊：繼電器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動開關且具有分隔功能的電控制元件，其具有高級輸入回路和高級被輸出回路。本系統(tǒng)采用電磁式繼電器，與單片機P2.4端口連接，除此以外，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征或工作原理一般還可以分為感應式、電子式、高頻式以及電動式繼電器等。它可以增大整個電路的作用范圍，通過用小電流控制大電流的方式，以達到控制大功率電路的目的。在控制電路中，三極管往往是電子電路的核心部件，其可以控制繼電器銜點的閉合與斷開，從而控制電機運轉(zhuǎn)。當激勵量的變化達到一定限度時，被控量發(fā)生既定的階躍變化，工作狀態(tài)改變，避免意外發(fā)生。故在電路中可以起到調(diào)節(jié)電路、安全保護及電路轉(zhuǎn)換等作用。

檢測模塊：溫濕度檢測模塊采用DHT11，溫度測量范圍在-20～+55 ℃，精度為±2 ℃，濕度測量范圍在5%RH～90%RH，精度為±5%RH，供電電壓為3.3～3.5 V，輸出為單總線數(shù)字信號，該模塊具有響應快、功耗低、抗干擾能力強及性價比高的優(yōu)點，同時，利用專用的溫濕度傳感及數(shù)字模塊采集技術，能夠保證產(chǎn)品具有極高可靠性和長期穩(wěn)定性。

藍牙模塊：本系統(tǒng)采用的是一款高性能，且能夠在主機與從機模式間自主切換的主從一體式HC05藍牙模塊，見圖2。其所支持的標準波特率和控制波特率范圍廣，默認值一般為115 200 bit/s，同時也支持SPP藍牙串口協(xié)議，無需MAX232協(xié)議，可以與各種類型的單片機直接連接。其接口電平為3.3～3.6 V。該系統(tǒng)具有性價比高、占用空間小、功耗低、反應靈敏等諸多優(yōu)點。

顯示模塊：本設計采用的是LCD1602點陣型液晶顯示器。其是一種較為常用的工業(yè)字符型液晶顯示模塊，主體主要由控制驅(qū)動主電路、擴展驅(qū)動電路、字符型液晶顯示屏組成，并與少量電容、電阻元件等共同裝配在PCB板上而成，具有功耗低、體積小、重量輕及性價比高等優(yōu)勢。

2 主要硬件電路原理設計

圖3為系統(tǒng)硬件電路圖，當開關閉合，電源電路供電后，系統(tǒng)整體開始運行，檢測模塊是通過溫濕度傳感器監(jiān)測環(huán)境溫濕度變化，與單片機P1.0端口連接，當環(huán)境溫度在-20 ℃～55 ℃之間，濕度在5%RH～90%RH之間時，檢測模塊通過V/I轉(zhuǎn)換為電流信號傳遞給主控制器，并實時顯示在1602LCD屏上。與此同時，P2.3端口連接的石墨烯加熱模塊與P2.4端口連接的電機模塊也通電正常運行，吹出熱風，達到干燥物體的基本目標，用戶可以根據(jù)自身需求通過按鍵電路調(diào)控溫度。HC05藍牙模塊與RXD、TXD串口連接，用戶使用軟件下達的指令通過串口傳遞給單片機，單片機對接收到的指令進行運算與處理，實現(xiàn)用戶與單片機的遠程通信。系統(tǒng)的程序是通過下載程序電路與RXD、TXD串口相連，然后下載到STC12C5A60S2單片機中。當在使用過程中系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)時，用戶可通過復位按鍵對系統(tǒng)完成初始化。

2.1 主控制電路

為了實現(xiàn)高效率、低能耗、低成本的自動有效控制目標，本設計采用STC12C5A60S2系列單片機作為烘干器的主控制器。其是新一代8051單片機，與普通8051相比較，響應速度更快，可以滿足絕大多數(shù)設備對控制條件的要求，極大地縮短開發(fā)時間。另外，可以根據(jù)客戶需求加密程序，且指令代碼與普通的8051單片機也完全兼容。片內(nèi)含有大量的基于FLASH工藝的程序存儲器，STC12C5A60S2單片機具有超高的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)運算能力，對系統(tǒng)下達的運算指令能高效分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速化處理[5]。

2.2 時鐘電路和復位電路設計

圖4為時鐘電路，其與XTAL1與XTAL2兩個引腳相連接，主要用來調(diào)控烘干計時的時間變化和溫度變化，單片機必須要在時鐘電路的驅(qū)動下才能正常工作。其工作原理是通過外接一個振蕩器（本設計采用石英晶體振蕩器），使其產(chǎn)生具有特定頻率的時鐘信號，并將時鐘信號送到單片機內(nèi)部各單元，用來控制單片機內(nèi)部各個單元的協(xié)調(diào)工作，以此提高單片機的工作效率。本設計中電容C24、C25的作用是調(diào)控振蕩器頻率以及輔助振蕩器起振。晶振的頻率一般取值為12 MHz，用來保證一定的脈沖寬度。中央處理器中不同的功能指令主要就是依靠繁復的時鐘電路完成[6]。

圖5為復位電路，與單片機P4.7/RST引腳連接，主要完成系統(tǒng)初始化，其基本功能是使電路恢復到最開始的狀態(tài)，并保證單片機系統(tǒng)在電路運行中的穩(wěn)定性和可靠性，在系統(tǒng)電路通電后能夠提供復位信號，從而使系統(tǒng)電源趨于穩(wěn)定。并且，當系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，還可通過復位按鍵使整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，故復位電路還可用于系統(tǒng)的修復。此外，為防止電源開關在閉合或斷開的過程中產(chǎn)生不利的抖動，從而影響復位效果，因而一般在電源信號穩(wěn)定后還需加上特定的延時處理才可撤銷復位信號。

2.3 石墨烯加熱模塊設計

考慮傳統(tǒng)烘干器大都是采用PTC熱敏電阻加熱和電熱絲加熱，首先對于電熱絲加熱裝置來說，風溫上升雖快，但風溫高，風溫恒定性差，容易對手部或烘干物灼傷，且功率大耗電多。其次，對于PTC加熱裝置來說，其發(fā)熱功率隨著環(huán)境溫度呈負相關變化，溫度恒定性好，但溫度上升較慢，綜合對上述兩種加熱模塊性能的比較分析，從而本設計采用新型石墨烯材料加熱，該模塊與單片機P2.3端口連接。其充分利用石墨烯的高導熱、高電熱轉(zhuǎn)化能力及電阻的易控制性，不僅能夠充分利用電能，達到速熱以及通過石墨烯發(fā)熱時輻射的遠紅外線對手部烘干殺菌的效果，而且也完全符合現(xiàn)代化新型產(chǎn)品具備的節(jié)能性、高效性和安全環(huán)保性的要求。此外，用戶也可根據(jù)自身實際需求通過按鍵模塊調(diào)節(jié)加熱溫度。當系統(tǒng)開關打開后，加熱模塊和電機模塊開始運行，利用編程使按鍵延時去抖，避免出現(xiàn)按鍵不靈敏的情況。

3 軟件程序

系統(tǒng)編程采用的是模塊化設計，根據(jù)不同模塊的功能將程序分別編程，然后再進行整合，大大降低程序之間的干擾，便于系統(tǒng)仿真測試與程序改進[7]。系統(tǒng)通過對溫濕度傳感器及按鍵模塊完成數(shù)據(jù)的收集，并將數(shù)據(jù)傳遞給單片機，利用單片機主控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)整合處理，自動控制系統(tǒng)各部分元件正常運行，從而設計出能實現(xiàn)智能速熱殺菌的烘干器系統(tǒng)，見圖6。

用戶可以利用按鍵模塊調(diào)整溫濕度的設定值，自主靈活地控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對溫度的高低檢測，溫度過高時，電機正常運行，加熱模塊功率恒定，溫度保持穩(wěn)定不變，既能滿足烘干器的實際需求，又可以避免發(fā)生安全問題。藍牙模塊可以將主控系統(tǒng)與手機APP連接，實現(xiàn)遠距離控制，方便用戶使用，也便于人們掌握烘干器的實際情況。

4 結(jié)語

該烘干器采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，結(jié)合檢測模塊、藍牙模塊、顯示模塊及石墨烯加熱模塊等，結(jié)合社會背景，使烘干器智能化，其與傳統(tǒng)烘干器相比具有以下優(yōu)點。（1）系統(tǒng)集成化程度較高，操作簡單方便，可進行遠、近距離控制，運行相較穩(wěn)定；（2）利用石墨烯發(fā)熱過程中輻射的遠紅外線的抑菌殺菌功能、電熱轉(zhuǎn)化率高和升溫迅速且發(fā)熱均勻等特點，可以降低能耗，提升經(jīng)濟性、實用性和安全性；（3）智能化優(yōu)勢明顯，在實現(xiàn)人機交互，提高工作效率的同時，用戶體驗感也顯著提升。