劉肯，陳浩源，韓旭東

廣州城市理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)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(dá)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(chǎn)生出人體所不能感知高頻震動(dòng)，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(dú)用于房屋建筑內(nèi)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、濕度等方面；可以作為車載汽車加濕器設(shè)備使用，起到增加汽車室內(nèi)的濕度、滋潤(rùn)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(rùn)肌膚、美容養(yǎng)顏、抑制細(xì)菌傳播、避免引起呼吸道疾病、使車內(nèi)環(huán)境更舒適；也可以選擇性地分布在校園等室內(nèi)地方，進(jìn)行小面積的整體降溫、除塵、增濕。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于設(shè)計(jì)目標(biāo)和預(yù)期方案，從宏觀來(lái)講，所設(shè)計(jì)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(duì)于核心控制器的選取，通過查閱資料，選擇STC89C52單片機(jī)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(gè)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(jī)，其主要作用是獲取輸入部分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部處理，控制輸出部分。

(2)輸入部分

輸入部分由5個(gè)模塊構(gòu)成：①供電電路模塊，給整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電；②DHT11溫濕度檢測(cè)模塊，通過該模塊可獲取當(dāng)前溫濕度；③獨(dú)立按鍵，通過3個(gè)獨(dú)立按鍵切換界面和調(diào)節(jié)噴霧擋位及設(shè)置溫度限定值;④紅外接收模塊，可通過紅外遙控;⑤時(shí)鐘模塊，可通過定時(shí)控制霧化啟動(dòng)。

(3)輸出部分

輸出部分由3個(gè)模塊構(gòu)成：①LCD1602顯示模塊,通過該模塊可以顯示當(dāng)前溫度值、噴霧量狀態(tài)、手動(dòng)/自動(dòng)模式以及設(shè)置噴霧擋位及溫度限定值界面；②霧化片驅(qū)動(dòng)模塊和霧化片，通過霧化片驅(qū)動(dòng)模塊，配上低電平控制，即可完成噴霧擋位調(diào)節(jié)；③蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)溫濕度不在設(shè)定范圍內(nèi)的話，則蜂鳴器進(jìn)行間斷性報(bào)警。

LED指示燈需配合3個(gè)霧化模塊使用。其系統(tǒng)的運(yùn)行模式為：此霧化裝置首先經(jīng)過溫濕度傳感器DHT11對(duì)外圍的環(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別并檢測(cè)，然后將采取的數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)進(jìn)行解析處理，配合專用驅(qū)動(dòng)IC SJ303來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)霧化片的嵌入式智能化控制輸出。用戶可按動(dòng)輕觸按鍵自行設(shè)定合適的溫度最大最小值，傳感器可以感知當(dāng)前外界環(huán)境的溫度是否處于用戶設(shè)定范圍內(nèi)，裝置根據(jù)所處的環(huán)境溫度數(shù)值，自動(dòng)判斷是否轉(zhuǎn)換弱擋、中擋和強(qiáng)擋等合適的擋位。假若檢測(cè)到所處的環(huán)境溫度數(shù)值高于設(shè)定的最大值時(shí)，鳴警器開始運(yùn)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(shè)定的最小溫度時(shí)，鳴警器開始運(yùn)作，且霧化片停止工作。因此實(shí)現(xiàn)了霧化片的噴霧量大小控制隨溫度變化而變化，進(jìn)而不需要人為的頻繁操作，即一定程度上實(shí)現(xiàn)了噴霧的智能化、自動(dòng)化控制。此外，該裝置還預(yù)留了手動(dòng)操作設(shè)置模式，方便根據(jù)不同的環(huán)境需求進(jìn)行修改。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路的最主要組成部分有：以單片機(jī)組成的最小系統(tǒng)模塊、溫濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)、超聲波霧化片驅(qū)動(dòng)電路、蜂鳴器鳴叫警示電路、按鍵控制電路、紅外接收設(shè)計(jì)等模塊。下面對(duì)這幾個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.1 溫濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

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

溫濕度檢測(cè)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(jī)STC89C52可以將溫濕度傳感器檢測(cè)的環(huán)境溫濕度通過該端口讀入并顯示，同時(shí)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(jī)讀取數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)，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(cè)模塊電路

2.2 霧化片驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)智能溫控噴霧系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的霧化片驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖3所示。

圖3 超聲波霧化片驅(qū)動(dòng)模塊電路

超聲波霧化片專用驅(qū)動(dòng)芯片是依據(jù)COMS工藝所制造的專用高度集成電路。其內(nèi)部組件含有高平PWM發(fā)生器、DC-DC升壓控制器、MCU內(nèi)核等資源。該集成化電路通過驅(qū)動(dòng)兩個(gè)低內(nèi)阻N溝道MOSFET，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了前端DC-DC的高效升壓及超聲霧化片的驅(qū)動(dòng)。

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(qū)動(dòng)功能由超聲波霧化片專用驅(qū)動(dòng)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(gòu)成DC-DC升壓電路，電阻和提供反饋信號(hào)。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(qū)動(dòng)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(wú)源高壓諧振電路從而驅(qū)動(dòng)超聲波霧化片進(jìn)入工作狀態(tài)；再者為預(yù)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(shí)，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(chǎn)生故障。

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

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(jìn)行控制。當(dāng)溫濕度傳感器檢測(cè)到的溫度數(shù)值低于或濕度高于設(shè)定最小值時(shí)，霧化器自動(dòng)關(guān)閉，蜂鳴器發(fā)聲鳴響，提示用戶當(dāng)前溫度下降或濕度升高；相反，芯片引腳 P2.1端口輸出無(wú)效電平信號(hào)，蜂鳴器不發(fā)聲警示鳴叫。當(dāng)溫濕度傳感器檢測(cè)到的溫度數(shù)值高于設(shè)定的最大值時(shí)，單片機(jī)的引腳P2.1端口輸出有效電平，溫控霧化自動(dòng)轉(zhuǎn)為強(qiáng)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(shè)計(jì)

在紅外接收部分方面，簡(jiǎn)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(lái)控制噴霧擋位的調(diào)節(jié)，方便用戶遠(yuǎn)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(dú)立按鍵模塊電路

獨(dú)立按鍵模塊電路如圖6所示。

圖6 獨(dú)立按鍵模塊電路

采用S2輕觸按鍵來(lái)查看溫度的設(shè)定，小于10 ℃停止；10～20 ℃是一個(gè)低擋位的狀態(tài)；20～30 ℃是一個(gè)中擋位的狀態(tài)；30～40 ℃是一個(gè)強(qiáng)擋位。所以總共有4個(gè)擋位：停止、低擋、中擋、強(qiáng)擋。并且溫度設(shè)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(shè)定的限值差絕對(duì)值要大于1 ℃。自動(dòng)模式是通過溫度的改變來(lái)控制，當(dāng)然也可以手動(dòng)模式來(lái)調(diào)節(jié)，手動(dòng)模式就是在溫度檢測(cè)顯示界面按下S3輕觸按鍵，從而改成手動(dòng)模式狀態(tài)，然后通過S4輕觸按鍵自行調(diào)節(jié)擋位。想調(diào)回自動(dòng)模式就再按一下S3按鍵。

3 軟件設(shè)計(jì)

此軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Keil u Vision5運(yùn)行編譯，該系統(tǒng)架構(gòu)有3個(gè)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(nèi)核，它運(yùn)行的是所設(shè)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(jìn)而通過接收系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和控制。在用戶控制該系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給予用戶及時(shí)的反饋提醒，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以STC89C5芯片為核心控制器所設(shè)計(jì)的智能調(diào)節(jié)溫控噴霧裝置,宏觀上總體實(shí)現(xiàn)了識(shí)別、檢測(cè)并顯示外部環(huán)境溫度濕度數(shù)值,再者依據(jù)外部環(huán)境因素?cái)?shù)值的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)霧化程度,減少了人們對(duì)噴霧裝置使用的精力消耗,促進(jìn)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(jìn)步,可以進(jìn)行定時(shí)定量的或者不同的溫度環(huán)境控制下實(shí)現(xiàn)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(jīng)濟(jì)實(shí)惠且節(jié)約用水，更加適用于無(wú)人化、智能化、經(jīng)濟(jì)化的當(dāng)今世界場(chǎng)景。