基于单片机的智能湿控喷洒系统

纪慧超 冯国亮

(东北电力大学自动化工程学院,吉林 吉林 132012)

基于单片机的智能湿控喷洒系统

纪慧超 冯国亮

(东北电力大学自动化工程学院,吉林 吉林 132012)

为解决超声波雾化片驱动过程中产生不必要能耗的问题，设计了一款基于C8051F410单片机的智能湿控喷洒系统。给出了系统的C8051F410外围电路、PWM方向控制电路、SPWM合成电路和滤波电路。该系统通过温/湿度传感器对周围环境温/湿度进行检测来自动调节电路产生的正弦交流电幅值，进而控制超声波雾化片的喷洒量,实现智能温/湿度监控，但应注意避免振铃现象。

湿控喷洒系统 单片机 LC滤波 IR2110 振铃现象

雾化是指将液体分散、撞击形成不连续的液滴混于周围气流的现象。利用超声波电源驱动压电陶瓷片，可以有效地将液体雾化。雾化的关键在于超声波电源，而随着电子器件的不断发展与更新，超声波电源的驱动方式也在逐步改进与完善。传统的超声波电源驱动方式是通过调节分压电阻来控制输出电压幅值的，因此电源驱动能耗较大。为解决超声波电源驱动压电陶瓷片雾化过程中产生不必要能耗的问题，在主流驱动方式(整流、功率放大、频率跟踪、匹配、驱动和保护)的基础上，笔者将各部分功能利用IR2110芯片进行融合，利用较少外围器件设计了一个基于C8051F410单片机的智能湿控喷洒系统及其外围电路，使之输出高效稳定的正弦波来驱动超声波雾化片，同时结合外部温/湿度传感器，对环境温度和湿度进行检测，通过判断反馈信号，利用模糊PID算法实时调节可编程计数器/定时器阵列输出，从而控制正弦波的幅值，调节喷洒量，实现环境温/湿度的智能监控。笔者重点介绍了系统的硬件电路设计。

1 系统总体方案

基于C8051F410的智能湿控喷洒系统总体方案如图1所示。系统以C8051F410为核心，包括供电电源(为控制器提供工作电源)、环境温/湿度测量模块、遥控器、数码显示、声光报警、PWM(脉冲宽度调制)方向控制电路、SPWM(正弦脉宽调制)合成电路及滤波电路等。PWM方向控制电路的功能是将C8051F410输出的PWM信号和方向控制信号合成SPWM信号的正负半周控制信号。SPWM合成电路的功能是将PWM信号功率放大经LC低通滤波电路进行滤波后以高效的正弦形式输出。利用遥控器实现手/自动切换、温度阈值和输出模式设置及声音报警等功能。

图1 基于C8051F410单片机的智能湿控喷洒系统总体方案

2 硬件电路部分

2.1C8051F410外围电路

C8051F410单片机以高速8051为控制器内核，具有4个通用16位计数器/定时器、16位可编程计数器/定时器阵列及时钟源内部振荡器(24.5MHz)等内部资源。基于C8051F410芯片设计的C8051F410外围电路如图2所示，其中包括C8051F410片上系统工作所需的JATG接口、电源退耦、基准滤波和上电复位电路。

图2 C8051F410外围电路

将由定时器在设定时间内刷新的CODE码表，通过交叉开关寄存器XBR0和XBR1跳过P0.5口，使P0.5口暂时不作为I/O引脚，而是连接内部资源可编程计数器阵列CEX0引脚输出PWM波(图3)[1]，从图3中可以看到波形整齐无毛刺，为后续的电子器件快速开关作用奠定了基础。

图3 PWM波形

2.2PWM方向控制电路

根据IR2110的控制时序图[2]，设计PWM方向控制电路如图4所示。首先需要将单片机输出的PWM波经过电路变换转换为在同一时刻具有正负输出的PWM波，所以将单片机的I/O口与逻辑电路结合[3]，当输出正半波时，使U1B非门的Q+输入为低电平，U1B的4引脚输出为高电平，这样PWM经过U2A与非门后即可输出反相的PWM波(即PWM+)。然后将输出的PWM+信号一路给SPWM合成电路的输入端，另一路给U1A非门的输入，使U1A非门的输出端PWM+_1与PWM+的逻辑在同时刻相反。PWM-和PWM-_1的输出由Q-的电平控制，控制方式与上述方法类似。

图4 PWM方向控制电路

图5为PWM波进入IR2110前的波形。当单片机控制输出正半轴时，PWM波经过与非门输出的波形PWM+为图5中的上半部波形[4]；将PWM+波形经过非门取反后得到图5中的下半部波形。由图5可知，经过处理后的PWM波在相同时间内其逻辑电平刚好相反，可以很好地控制芯片IR2110。当单片机输出负半轴时同理可以得到如图5所示的波形。

图5 PWM方向控制波形

2.3SPWM合成电路

SPWM合成电路(图6)由电平转换电路、半桥控制电路和功率驱动电路组成[5,6]。控制电路产生的SPWM信号包括正负两个半周，正半周控制信号PWM+和负半周控制信号PWM-经由三极管Q2和Q4构成的电平转换电路实现5～12V的电平转换，然后输入到半桥控制电路IR2110(u1和u2)。其中，u1驱动功率开关Q1和Q3实现SPWM的正半周功率输出，u2驱动功率开关Q5和Q6实现SPWM的负半周功率输出，输出电流能力与MOSFET管Q1、Q3、Q5和Q6的特性参数相关[7]。根据待驱动的雾化片的交流工作电压，在MOSFET管上施加相应的直流电压，使经过滤波输出的正弦波的幅值与直流电压值相近；再对超声波雾化片的额定功率加以考虑，选用比额定电压和额定功率稍大的直流电源可以使控制器能够满幅输出。

图6 SPWM合成电路

2.4滤波电路

图7 LC无源低通滤波电路

经LC无源低通滤波电路滤波后的正弦波如图8所示，可以看出，滤波后的波形平滑无杂波，频率可以达到工频交流电的频率(50Hz)。当湿度随着周围环境发生变化时，正弦波的幅值也随之改变。由于正弦波的稳定输出，能够使得超声波雾化片稳定地工作在额定条件下，实现精确的智能湿控喷洒。

图8 滤波后的正弦波

3 振铃现象

图9所示为功率驱动输出的OUT+对地波形，可以看出MOSFET管发生了振铃现象[9]，这是由等效串联电感和MOSFET管的极间寄生电容发生谐振所致。等效串联电感由器件本身的引脚与走线引起，而器件引脚的等效电感与MOSFET管极间寄生电容不可避免，最终导致了振铃现象。因此，在电路设计过程中要使滤波电路的电容、电感匹配，在布线时，尽量让走线宽而短，以减少走线等效电感，从而减少振铃现象的发生。

图9 振铃现象

4 结束语

笔者基于C8051F410单片机设计了一个智能湿控喷洒系统及其硬件电路。由单片机16位可编程计数器/定时器阵列输出的PWM波经过外部电路升压后输出给IR2110来增加输出功率，然后对SPWM波进行滤波，利用滤波后的高效稳定的正弦波驱动超声波雾化片对环境温/湿度进行调节。

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DesignofIntelligentHumidityControlandSprayingSystemBasedonMCU

JI Hui-chao, FENG Guo-liang

(SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012，China)

For purpose of reducing energy consumption in driving ultrasonic atomizers, a C8051F410 MCU-based intelligent humidity control and spraying system was designed; and the system’s peripheral circuits,

TH862

A

1000-3932(2016)05-0517-05

2016-04-07(修改稿)