基于STM32 單片機(jī)的空調(diào)智能除濕器設(shè)計與制作

張洪英，章安福，譚華納

（廣州市工貿(mào)技師學(xué)院，廣東廣州，510000）

0 引言

目前使用的空調(diào)絕大多具備了除濕功能，但是沒有自帶溫濕度感應(yīng)器，無法在關(guān)閉空調(diào)的情況下實(shí)時檢測室內(nèi)環(huán)境溫濕度，也就無法進(jìn)行溫濕度的自動調(diào)節(jié)。如華南地區(qū)潮濕天氣時，墻壁極其容易掛上水汽，如果不能及時進(jìn)行除濕處理，容易造成墻體發(fā)霉脫落、墻體裂痕等嚴(yán)重后果。而目前的除濕處理方法有以下三種：

（1）放置除濕劑、石灰包，能達(dá)到除濕的面積小于2平米，且要時常更換。

（2）購買專用的除濕器，一般的品牌除濕器要上千元費(fèi)用，需要專門的放置地方，同時還需要人工倒水。

（3）手動開啟空調(diào)的除濕功能，當(dāng)用戶不在家時，濕度升高，將無法及時開啟空調(diào)的除濕功能進(jìn)行除濕，影響用戶體驗(yàn)。

市場上除濕效果好的除濕器要么價格高、需要安裝，操作不便，要么無法及時響應(yīng)對室內(nèi)濕度進(jìn)行調(diào)整。因此，要解決上述的問題需要提供一種空調(diào)的溫濕度自動控制的裝置以及控制方法，該裝置能自主開啟或關(guān)閉空調(diào)并且能開啟或關(guān)閉除濕功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)組成可以概括為環(huán)境檢測和終端控制。主要包括單片機(jī)控制單元、溫度傳感器、濕度傳感器、通信模塊、按鈕輸入模塊、存儲模塊。溫濕度傳感器高頻自動探測環(huán)境溫濕值，由單片機(jī)控制單元完成數(shù)據(jù)分析，并通過通信模塊與空調(diào)之間進(jìn)行交互。當(dāng)室內(nèi)存在多臺空調(diào)設(shè)備時，單片機(jī)控制單元根據(jù)傳感器采集的當(dāng)前溫濕度值，確定發(fā)送控制指令開啟空調(diào)的數(shù)量，使溫濕度加快速度恢復(fù)正常范圍內(nèi)。同時用戶可以通過按鈕輸入模塊調(diào)整輸入預(yù)設(shè)的溫濕度上下限閾值，而調(diào)整后溫濕度的上下閾值會存儲在存儲模塊中，在單片機(jī)控制單元分析溫濕度值是否處于正常范圍提供參考數(shù)值。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計

■1.1 硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)中單片機(jī)控制單元采用意法半導(dǎo)體公司32 位低功耗嵌入式微控制器STM32F103C8T6；溫濕度傳感器采用AM2302 溫濕度模塊，該模塊屬于濕敏電容數(shù)字型，具有精度高、低功耗、穩(wěn)定性好、成本低、已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出等特點(diǎn)；通信模塊采用紅外線發(fā)射二極管和VS1838B 紅外接收管組成。

1.1.1 環(huán)境檢測電路設(shè)計

環(huán)境檢測由AM2302 濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊、嵌入式微控制器STM32F103C8T6 組成。AM2302 溫濕度傳感器主要由一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件組成，兩個元件采集數(shù)據(jù)后經(jīng)內(nèi)置的高性能8 位單片機(jī)進(jìn)行校注再通過單總線接口輸出，再由控制器進(jìn)一步處理。AM2302溫濕度傳感器的工作電壓為3.3V～5.5V DC。環(huán)境檢測電路如圖2 所示。

圖2 環(huán)境檢測電路

1.1.2 終端控制電路設(shè)計

終端控制由單片機(jī)控制單元、通信模塊、按鈕輸入模塊組成，各模塊主要的功能為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲。終端控制電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 終端控制電路

（1）由STM32F103C8T6 單片機(jī)控制單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，就如人類的大腦。它接收來自各種傳感器和外部設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入，并根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的程序邏輯對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算和決策。STM32F103C8T6 電氣原理圖如圖4 所示。

圖4 STM32F103C8T6 電氣原理圖

（2）通信模塊控制電路設(shè)計

本系統(tǒng)的通信模塊主要作用有兩部分，一部分是當(dāng)微控制器通過環(huán)境檢測感知到需要開啟或者關(guān)閉空調(diào)時，控制器就會通過發(fā)送脈沖的形式將相關(guān)的空調(diào)編碼協(xié)議通過紅外線發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外光，從而實(shí)現(xiàn)對環(huán)境中空調(diào)的控制。為了確保空調(diào)上的紅外接收管能夠正確并完整接收到由紅外線發(fā)射二極管產(chǎn)生的紅外波，運(yùn)用了6 枚紅外發(fā)射二極管，實(shí)現(xiàn)多方位的信號傳播。紅外發(fā)射二極管與微控制器連接電路如圖5 所示。

圖5 紅外線發(fā)射二極管連接電路

通信模塊的另一部分是紅外線接收管的控制。面對眾多的空調(diào)品牌，本系統(tǒng)加入了空調(diào)編碼協(xié)議學(xué)習(xí)功能，做到在保證兼容主流品牌外還能通過紅外接收管學(xué)習(xí)任何雜牌空調(diào)的編碼協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)對各種品牌空調(diào)的控制。在本系統(tǒng)中所使用的紅外接收管為VS1838b。它內(nèi)置了高速高靈敏度PN 光電二極管和低功耗、高增益前置放大IC，同時具備高強(qiáng)的抗干擾、低功耗等特點(diǎn)。紅外接收管與微控制器連接電路如圖6 所示。

圖6 紅外接收管連接電路

（3）按鈕輸入模塊控制電路設(shè)計

在本系統(tǒng)中按鈕輸入模塊主要地作用：

（1）第一次使用空調(diào)除濕器時測試與空調(diào)的對頻。

（2）空調(diào)除濕器沒有相對應(yīng)的空調(diào)編碼協(xié)議時用于開啟學(xué)習(xí)功能，學(xué)習(xí)該空調(diào)的編碼協(xié)議。按鈕輸入模塊的連接電路非常簡單如圖7 所示。

圖7 按鈕輸入模塊連接電路

■1.2 系統(tǒng)控制設(shè)計

本系統(tǒng)中環(huán)境檢測的數(shù)據(jù)采集傳感器AM2302 采用了簡化的單總線通信，通過單數(shù)據(jù)總線（SDA）一次能傳送40 位數(shù)據(jù)。具體通信格式如表1 所示。AM2302 溫濕度傳感器在上電后會等待2s 將不穩(wěn)定的信號過濾掉，再進(jìn)行環(huán)境溫濕度的檢測并記錄數(shù)據(jù)。待3s 過后微控制器將會根據(jù)I/O 電平的變化接收40 位數(shù)據(jù)。在完成一次溫濕度采集后，微控制先將40 位數(shù)據(jù)中的溫濕度各16 位二進(jìn)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行10 進(jìn)制轉(zhuǎn)換（進(jìn)制轉(zhuǎn)換示例如表2 所示），隨后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際的數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)時，微控制器就會通過紅外發(fā)射二極管給空調(diào)發(fā)送開機(jī)和開啟除濕功能的指令，使空調(diào)對環(huán)境進(jìn)行除濕處理。在空調(diào)除濕的過程，微控制器進(jìn)入等待狀態(tài)，等待AM2302 溫濕度傳感器實(shí)時檢測環(huán)境溫濕度小于程序中預(yù)設(shè)溫濕度值時，微控制器進(jìn)入指令發(fā)送狀態(tài)，通過紅外發(fā)射二極管向空調(diào)發(fā)送關(guān)機(jī)的指令。為了節(jié)約資源，在完成一次空調(diào)自主除濕后，可以使空調(diào)退出濕度或溫度調(diào)整模式，在關(guān)閉空調(diào)后本系統(tǒng)會進(jìn)入休眠狀態(tài)，默認(rèn)為1 小時。待休眠期過后，微控制器會再次進(jìn)入溫濕度檢測狀態(tài)，監(jiān)測環(huán)境溫濕度狀態(tài)，一直往復(fù)執(zhí)行。該過程即為本系統(tǒng)的運(yùn)行過程，流程圖如圖8 所示。

表1 AM2302通信格式

表2 溫濕度值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換示例

圖8 系統(tǒng)控制流程圖

在本系統(tǒng)中還有4 盞不同的指示燈，分別是電源指示燈、濕度指示燈、開機(jī)指示燈和信號指示燈，它們各自擔(dān)負(fù)著特定的功能。首先，電源指示燈用于反映主電路板的電源狀態(tài)，為用戶提供了電源工作狀態(tài)的直觀指示。其次，濕度指示燈的作用是濕度傳感器探測到超過預(yù)設(shè)值的濕度水平時點(diǎn)亮，使用戶能夠快速察覺到濕度升高的情況。第三，當(dāng)紅外發(fā)射管向空調(diào)發(fā)送開機(jī)指令時，開機(jī)指示燈會亮起，同時信號燈也會閃爍。這個聯(lián)動效應(yīng)旨在提醒用戶系統(tǒng)正在啟動。最后，當(dāng)需要進(jìn)行學(xué)習(xí)代碼的功能時，用戶只需按下按鍵三下，信號指示燈會開始閃爍，這表明裝置已進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，可以開始學(xué)習(xí)空調(diào)遙控內(nèi)置的控制代碼以控制空調(diào)。一旦紅外接收管接收到紅外信號，信號指示燈停止閃爍，標(biāo)志著學(xué)習(xí)過程成功完成。4 盞指示燈連接電路如圖9 所示。

圖9 指示燈連接電路

2 實(shí)驗(yàn)

為了更好展現(xiàn)本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成果，我們采用了綜合的實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)實(shí)物和理論模型。通過綜合方法，我們能深入研究并驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，同時也能夠通過理論環(huán)境中探索系統(tǒng)潛在行為。

■2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

考慮到現(xiàn)實(shí)中空調(diào)設(shè)備通常被安裝在室內(nèi)、機(jī)房或商店等地方，為了更好展示本研究的實(shí)驗(yàn)成果，我們隨機(jī)選定環(huán)境以及空調(diào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確保研究的可實(shí)際應(yīng)用性。在使用或?qū)嶒?yàn)過程中，要確?？刂破骶嚯x空調(diào)設(shè)備不超過5 米，以確保其處于紅外發(fā)送范圍內(nèi)。

同時采用先進(jìn)的傳感器和監(jiān)測設(shè)備來實(shí)時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。這些傳感器被分布在實(shí)驗(yàn)室不同的位置，以捕獲各種環(huán)境變化，以便了解空調(diào)除濕器在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境中的性能表現(xiàn)。

■2.2 自動調(diào)節(jié)過程

為了確保模擬實(shí)際情況下環(huán)境濕度達(dá)到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，我們在實(shí)驗(yàn)過程中使用濕潤的紙巾或毛巾覆蓋在濕度傳感器上，以確保其采集到的數(shù)據(jù)能夠符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。如圖10 所示，展示了實(shí)際的環(huán)境溫濕度。左邊為環(huán)境溫度；右邊為環(huán)境濕度。

圖10 實(shí)測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

隨著環(huán)境濕度上升，當(dāng)濕度傳感器的閾值大于80%，紅外發(fā)射二極管就會發(fā)射開啟空調(diào)除濕信號，開啟空調(diào)除濕功能；當(dāng)濕度傳感器的閾值小于65%，紅外發(fā)射二極管就會發(fā)射關(guān)閉空調(diào)信號，關(guān)閉空調(diào)。執(zhí)行特性如圖11 所示。

圖11 控制器執(zhí)行情況與濕度關(guān)系

圖12 空調(diào)智能除濕器實(shí)物

3 結(jié)語

本研究基于STM32 單片機(jī)開發(fā)了一款空調(diào)智能除濕器，該裝置通過環(huán)境檢測和終端控制實(shí)現(xiàn)自動檢測環(huán)境濕度變化和智能控制功能。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們證明了該裝置的性能穩(wěn)定性和安全可靠性，成功解決了季節(jié)氣候變化帶來的潮濕問題，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)測和調(diào)節(jié)，從而降低了能源浪費(fèi)。這一智能家居產(chǎn)品充分滿足了用戶的生活需求，同時也克服了同類產(chǎn)品的技術(shù)缺陷，成為國內(nèi)首個具備自動檢測和智能控制功能的空調(diào)自動除濕控制裝置。目前，該裝置已經(jīng)在市場上取得了不錯的銷售成績，累計銷售量已超過16284 臺。

未來，我們計劃將這一設(shè)計應(yīng)用到空調(diào)產(chǎn)品制造中，將其嵌入空調(diào)設(shè)備，同時還有擴(kuò)展功能的潛力，可以實(shí)現(xiàn)多區(qū)域協(xié)同控制，以更好地滿足用戶的需求。這一研究為智能家居領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力地支持，并為未來的研究和應(yīng)用提供了有價值的經(jīng)驗(yàn)。