基于STM32的智能超聲波霧化器研究

韓冰　陳智鍵　李繼嵐　李婉璐　蔡雄友

關(guān)鍵詞：超聲波霧化器；STM32；智能系統(tǒng)

中圖分類號：TN492；TB559 文獻標識碼：A

0引言

近年來流行病高發(fā)，許多場所需要消毒設(shè)備進行消殺工作，消殺的方式有很多種，其中采用超聲波霧化器方式進行噴灑消毒是一種高效率的方法。超聲波霧化片是以壓電陶瓷為工作原理設(shè)計的換能裝置，其用途非常廣泛。例如，歐姆龍公司研發(fā)的一款NE-U22醫(yī)用霧化器，是由電容三點式產(chǎn)生一個頻率為180 kHz的振蕩電壓加載于超聲換能器兩端，從而產(chǎn)生霧化效果。饒東升設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng)的超聲波霧化器。黃普威研究了針刺放血療法配合咽超聲波霧化吸入法治療急喉痹風(fēng)熱外襲證。于鴻飛設(shè)計了一款濕度智能調(diào)節(jié)霧化器。此外，還有將其應(yīng)用在機器人霧化器噴涂、海水淡化、太陽照射下霧化偏光等方面的研究。

本研究采用STM32芯片為主控芯片，設(shè)置輸入／輸出（input/output，I/O）口，輸出為脈沖寬度變調(diào)（pulse width modulation，PWM）模式，使其輸出108 kHz左右的方波，該信號不足以驅(qū)動霧化器進行噴霧，也不能直接驅(qū)動MOS管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET），故需要設(shè)計功率放大電路。該放大電路主要由EG2132驅(qū)動芯片、MOS管和變壓器組成，其能夠驅(qū)動霧化器使液體液化。本產(chǎn)品是一款智能加濕系統(tǒng)，用溫度傳感器和濕度傳感器分別將室內(nèi)的溫度和濕度轉(zhuǎn)化成電信號傳輸?shù)絊TM32單片機，同時系統(tǒng)將自動檢測客戶自定義的溫度值和濕度值，若客戶未設(shè)定，系統(tǒng)自動調(diào)取默認的參數(shù)進行工作。該系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制系統(tǒng)，在工作過程中，當(dāng)室內(nèi)溫度值和濕度值達到用戶設(shè)定值或者系統(tǒng)默認值時，霧化器停止運行，并保持設(shè)定的溫度值和濕度值；若室內(nèi)溫度值和濕度值低于設(shè)定值，霧化器則進行工作，將室內(nèi)的溫度和濕度保持在一個恒定的值。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計由電源模塊、濕度傳感器、人體紅外傳感器、STM32F103C8T6芯片模塊、Wi-Fi模塊、繼電器電路、驅(qū)動模塊、霧化片等組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

STM32F103C8T6芯片主要作用包括濕度感應(yīng)控制、人體紅外感應(yīng)控制以及輸出108 kHz方波驅(qū)動霧化器實現(xiàn)液體霧化。其中溫濕度模塊、人體紅外模塊可根據(jù)客戶需求設(shè)置優(yōu)先級。手機可通過Wi-Fi模塊控制繼電器實現(xiàn)遠程控制霧化器的啟停。

2系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要是利用Keil C語言編程，采用模塊化程序設(shè)計，主要包括繼電器控制程序、中斷控制繼電器函數(shù)、串口通信、PWM、人體感應(yīng)傳感器和濕度傳感器。系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

主控板主要作用是作為濕度傳感器模塊、人體紅外傳感器模塊的響應(yīng)主控部分。當(dāng)需要實現(xiàn)霧化時，則通過單片機PWM模塊輸出108 kHz的方波讓霧化器工作。STM32F103C8T6主控板如圖3所示。

（1） Wi-Fi模塊。使用ESP8266-OIS可以實現(xiàn)手機與Wi-Fi的無線通信，主要實現(xiàn)步驟如下：首先連接硬件電路ESP8266-OIS，通過IO0連接到微控制單元（microcontroller unit，MCU）的串口。ESP8266-OIS的供電電壓為3.3V。其次，對ESP8266工作模式進行配置，通過命令設(shè)計使ESP8266在Station模式（站點工作模式）下工作。Station模式可以連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。最后，采用Android開發(fā)工具對手機APP進行設(shè)計，再將手機APP與ESP8266建立Socket連接。通過APP發(fā)送控制命令，ESP8266模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。對通信效果進行測試：使用手機連接ESP8266創(chuàng)建的SoftAP熱點。發(fā)送一個測試控制指令，驗證兩者是否能夠進行正常通信。通過此APP，可以利用ESP8266實現(xiàn)手機與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的無線互聯(lián)。Wi-Fi模塊的輸出可以直接驅(qū)動繼電器，通過繼電器的通斷控制驅(qū)動模塊的供電部分，進而實現(xiàn)控制霧化器的通斷。

（2）濕度傳感器。采用的是一款常用的濕度傳感器DH11，其主要工作原理如下：DH11內(nèi)置一個電容式的濕敏器，根據(jù)濕敏器電容值變化來檢測空氣中的相對濕度。信號轉(zhuǎn)換的過程是將濕敏器的電容值轉(zhuǎn)化為電頻信號，再經(jīng)過特定集成電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量輸出。當(dāng)傳感器輸出的信號是標準數(shù)字信號時，可以直接連接STM32F103C8T6單片機的I/O口進行數(shù)據(jù)讀取。輸出形式為Serial數(shù)據(jù)，由8 bit數(shù)據(jù)位組成，其中濕度數(shù)據(jù)占高8位，狀態(tài)數(shù)據(jù)占低8位。傳感器檢測濕度的測量范圍是20%～90% RH，測量精度可達到士5% RH。該模塊可以直接與STM32F103C8T6單片機連接，對其串口數(shù)據(jù)進行讀取以獲取當(dāng)前濕度值。該傳感器的工作電壓范圍為3.3～5.5V，工作溫度范圍為0～60℃。綜上，DH11是一款使用方便、穩(wěn)定、可靠且經(jīng)濟的濕度傳感器。

（3）人體紅外傳感器模塊。在模塊內(nèi)置有雙橢圓球式聚光鏡，通過調(diào)整紅外接收管的位置，聚集人體發(fā)出的紅外線信號，從而檢測出移動的人體。該傳感器的輸出信號是邏輯信號，當(dāng)檢測到人體時，輸出高電平；檢測不到人體時，輸出低電平。該模塊輸出可以直接連接到STM32F103C8T6單片機，單片機可通過讀取電平狀態(tài)，從而實現(xiàn)人體檢測。

（4）電源模塊。霧化器驅(qū)動電路供電電壓為12V，所以電路板采用12 V電源供電。由于芯片和傳感器模塊采用3.3 V供電電壓，故本電源模塊采用LM2596-3.3V芯片實現(xiàn)從12 V到3.3 V供電電壓的轉(zhuǎn)換。

（5）驅(qū)動電路。霧化器驅(qū)動電路如圖4所示，從單片機的I/O口直接輸出的方波信號不能直接驅(qū)動霧化器，因此需要專門設(shè)計霧化器的驅(qū)動電路。該電路采用EG2132作為MOS管的驅(qū)動芯片，輸入信號的頻率可以達到500 kHz。該芯片低壓端的輸入電壓范圍為11～20 V，頻率可以達到500 kHz。其高壓端的輸入電壓可以達到300 V。本設(shè)計以該芯片的低壓端作為驅(qū)動電壓，12 V的電壓源直接供電，Lo口作為低壓端的輸出口直接驅(qū)動MOS管。

EG2132芯片的功能包括處理輸入邏輯信號、控制方波出現(xiàn)的死區(qū)時間、轉(zhuǎn)換高低電平的功能。在輸入端高電平達到閾值2.5 V時，認為輸入的信號為高電平；當(dāng)?shù)碗娖降陀陂撝?.0 V時則認為是低電平。STM32F103C8T6單片機輸出的方波高電平的電壓為3.3 V，低電平的電壓為OV，所以單片機的I/O口可以直接驅(qū)動芯片的輸入口。該芯片的邏輯信號的輸出電流小，可以使STM32F103C8T6輸出邏輯信號直接連接到EG2132的輸入口。在芯片中輸入邏輯信號與輸出控制信號之間存在傳導(dǎo)延時，低端輸出時的開通傳導(dǎo)延時為410 ns、輸出關(guān)斷的傳導(dǎo)延時為140 ns。低端輸出開通的上升時間為180 ns、關(guān)斷的下降時間為100 ns。該芯片為一款國產(chǎn)芯片，價格便宜，能夠滿足IR7843的MOS管驅(qū)動芯片的要求。

3實際測試

對實際的電路進行測試，測試點為MOS管的漏極和源極，其中漏極是接地的，源極是接在變壓器一側(cè)的，測試輸出的電壓波形如圖5所示，頻率為108 kHz。在調(diào)試過程中，輸出為30%～70%均會使得霧化器噴霧，但當(dāng)占空比小于40%時，噴霧量不是很足；當(dāng)占空比大于40%時，霧化器的霧化效率不高，主要的能量損失會在變壓器和MOS管，由于導(dǎo)通的時間過長，MOS管的發(fā)熱量變大，嚴重時可能導(dǎo)致電路的損毀。因此在設(shè)計時選用了占空比在40%的方波。

如圖6所示，采用的磁芯為一個大功率的磁芯，在磁芯的選擇中需要注意其存在的磁飽和現(xiàn)象。如果僅僅需要驅(qū)動一個霧化片，選擇一個小的磁芯可以有效地控制電路板的體積和成本。如果需要同時驅(qū)動多個霧化片，則需要分析和計算負載的功率，從而選擇和設(shè)計磁芯，避免由于負載過大導(dǎo)致磁芯的飽和。

在調(diào)試過程中如果出現(xiàn)磁芯的飽和，此時霧化器不會噴霧，而且MOS管和磁芯會快速升溫，很快燒毀MOS管。本設(shè)計在經(jīng)過計算后，選擇了合適的磁芯直接驅(qū)動三噴頭的調(diào)試霧化器。如圖6所示，噴霧效果良好，達到了設(shè)計的目標且能夠滿足實際需求。在霧化的產(chǎn)品中可以選擇霧化不同液體并應(yīng)用到相應(yīng)場合，如霧化酒精、消毒液等，該裝置就是一個霧化消毒器；當(dāng)被霧化的液體是水時，那么該裝置就是一個加濕器。

4結(jié)論

軟硬件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明：本研究采用STM32F103C8T6主控芯片、人體感應(yīng)傳感器、溫濕度傳感器、繼電器控制程序、中斷控制繼電器函數(shù)、串口通信等模塊設(shè)計了一款多功能智能超聲波霧化消毒器。輸出模塊是STM32單片機的PWM模塊，產(chǎn)生頻率為108 kHz左右，選用占空比為40%的方波，輸出端經(jīng)過EG2132的信號放大輸出到驅(qū)動MOS管，通過對變壓器的設(shè)計便可以實現(xiàn)驅(qū)動霧化器的功能，產(chǎn)生良好的噴霧效果，能較好地達到加濕和消毒的目的。