一种智能室内湿度调节器的设计与实现

金新+谷越凡+谭旭东

摘要本文介绍了一种智能室内湿度调节器的设计与实现。利用电容型湿度传感器、水位传感器、温度传感器、换气扇、电磁阀、超声波高频震荡器、单片机等自动控制技术实现室内舒适湿度、温度的智能、合理的调整，最终实现室内环境的智能控制，提供给用户较舒适的居住环境，体现了以用户体验为核心的设计理念。

关键词智能家居；模糊PID；自动控制；电容型湿度传感器；湿度调节器

舒适是智能家居的主要问题之一，随着幸福指数的提出，舒适度日渐成为人们关注的话题。本文以实用与舒适为出发点对加湿器进行了智能化设计，旨在探索一种对于传统加湿器的智能化设计及改进，尽可能使用户更加舒适。

1设计理念

中国南北纬度差大，领土兼容热带、温带两大气候带。北方地区冬季空气易干燥，近年来城市雾霾严重，人们更加需要一个湿润、舒适的休息、办公场所，加湿器的作用不言而喻。传统加湿器只能在开启时实现单一的加湿效果，不能依据使用者的个人喜好或接受程度合理调整室内湿度，且无法自主化智能化调控室内环境。笔者设计了一款自动感知室内空气湿度、自动注水、自动温度监测及模糊PID智能处理信息等以达到实现智能湿度调节的加湿器，满足不同人群对不同环境的需求。

本文的设计理念在于由传感器对室内湿度、温度感知，通过单片机运算并显示，与客户需求进行对比，当湿度过低时，启动加湿模块；当湿度过高时，启动通风模块加速空气流通，促使湿度降低，实现湿度的闭环调节。通过加湿与通风，亦可达到控制温度的效果。

加湿器持续工作消耗水分大，用户稍不注意便易发生“干烧”、加湿无果等结果。对此，我们在设计中加入了水位监测，当水位落至一定数值时，控制水阀予以补水。

我们主要通过PID算法对湿度及温度进行控制，以达到系统的部分智能化。

2智能湿度调节器的硬件设计

智能湿度调节器的硬件构成如图1所示。包括STC12C5A60S2单片机、湿度传感器模块、温度传感器模块、水位传感器模块、数码管显示模块、超声波高频振荡器、换气扇模块、加热模块及电磁阀模块。

STC12C5A60S2单片机的P1-6 P1-710口监测2个水位传感器的状态；P2- P2-4 10口分别监测5个温度传感器的数据；P0-0-PO-3 10口分别控制加湿、通风、加热和电磁阀模块。

2.1湿度传感器模块

如图2，Hs1101湿度传感器是电容类的传感器。在不同的湿度下，555多谐振荡器产生不同频率的矩形波信号。将555的引脚3与单片机的P3.5口连接，用来采集信号的变化，在单片机中用计数器检测一定时间段的信号，进行计算处理，并通过数码管显示出来。

2.2数码管显示模块

为了最大程度地节省单片机的I/0资源，在数码管和单片机之间插入SN74H595串入并出芯片。所使用的数码管為共阳数码管，阳极处接入N沟道增强型MOs管，用于I/0口电流的放大。数码管显示模块如图3。

水位传感器模块。在最低水位和最高水位处分别安置传感器，当水位信号均正常时加湿器工作；当低水位传感器电平异常且高电水位传感器电平正常时打开电磁阀为蓄水箱加水；当高水位传感器电平异常且低水位传感器电平正常时蓄水完成，关闭电磁阀。

温度传感器模块。温度传感器以5个DS18820为核心，将DS18820所监测温度的均值作为实时数据，进行模糊PID算法处理，最终控制硬件模块运行相应动作。

超声波高频振荡器。考虑到成本与实现的方便性，选择了高频超声波加湿器——雾化片作为核心加湿部分。雾化片是超声波雾化器利用高频振荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散从而产生自然飘逸的水雾。

电磁阀模块。将电磁阀固定连接在一个水龙头上，单片机处理水位信息，实时对电磁阀进行控制，实现蓄水箱内的水位保障，为加湿器智能化工作提供了必要条件。

换气扇模块。由最简单的换气扇经可控硅连接在单片机上加以控制。为环境的维持提供有效作用。

3智能湿度调节器的软件设计

智能湿度调节器的程序流程如图4所示。单片机上电后系统初始化，优先判断一次是否更改设定值并做出应有动作。之后循环：读取温度、湿度、水位传感器的数据，并将所得数据与设定值对比，做出合理的判断，最终控制硬件模块做出相应的响应。

室内空气湿度的惯性较大，使用不完全微分PID算法可以提高除湿控制的响应速度，同时减小系统瞬时偏差对系统的冲击。

温度模糊PID控制算法。对温度与设定值的偏差、偏差变化率进行模糊化、然后进行模糊推理、去模糊化及加热控制输出，使极易受环境干扰影响的系统具有较强的适应性。

4智能室内湿度调节器的实验效果

室内湿度调节器设计制作完成后，我们于冬季在10㎡的房间内搭建简易的工作环境并进行了3天的实践测试。湿度传感器最初检测到的空气湿度为38.5%，温度为1.0℃，经半小时加湿后湿度达设定值80%，温度达设定值22℃。之后将产品持续开启达3天之久，多次检测后平均湿度均为81.9%、平均温度为23.1℃，未曾出现水箱缺水而导致的“干烧”等不良现象，且室内环境温暖湿润。其间系统运作均由单片机控制，可见本次设计的产品能稳定且可靠的工作并且可以保持舒适环境。