一种室内智能加湿系统的设计

摘 要： 传统加湿器需要手动操作并且频繁清洗水箱，针对其以上缺点，设计的智能加湿系统在实现基本功能前提下，用户可以根据自身需要设定湿度阈值，实现室内加湿智能化、自动化。水箱内安装紫外线消毒灯，有效抑制有害微生物随水雾逸散到空气中，降低水箱清洗频率。该室内智能加湿系统包括硬件设计和软件设计。硬件电路以ST89C52单片机为核心，包括温湿度检测、液位检测、LCD显示、报警装置与继电器控制等模块。软件编程主要包含主程序和按键中断程序。系统测试表明其具有较高的稳定性和安全性，有效提升用户生活环境舒适度，具有广阔的市场应用前景。

关键词： STC89C52; 智能加湿器; 自动控制; 超声雾化; 紫外线

中图分类号： TP23      文献标志码： A

Desgn of ntellgent Humdfcaton System

Based on Sngle Chp Mcrocomputer

CHEN Weja

（School of Automaton， X`an Unversty of Posts & Telecommuncatons， X`an 710061）

Abstract： Tradtonal humdfer needs manual operaton and frequent cleanng of water tank. n vew of the above shortcomngs， an ntellgent humdfcaton system desgned n ths paper can set the humdty threshold accordng to the user's requrement. Under the premse of basc functons the system realzes the ntellgence and automaton of ndoor humdfcaton. Ultravolet lamp s nstalled n the water tank to prevent harmful mcroorgansms effectvely from escapng nto the ar wth water mst， and reduce the frequency of cleanng the water tank. The ndoor ntellgent humdfcaton system ncludes hardware desgn and software desgn. The hardware crcut s based on ST89C52 mcrocontroller， ncludng temperature and humdty detecton， lqud level detecton， LCD dsplay， alarm devce and electrc relay control module. Software programmng manly ncludes man program and key nterrupt program. The system test shows that t has hgh stablty and securty， and mproves the comfort of users' lvng envronment effectvely， but also has broad market applcaton prospects.

Key words： STC89C52; ntellgent humdfer; Automatc control; Ultrasound atomzaton; Ultravolet ray

0 引言

在科學技术蓬勃发展的今天，高科技为居民生活舒适度带来了飞跃式的提升。区别于传统家电功能单一操作复杂等诸多缺点，智能家电在实现基本功能基础上更注重节能性、智能性和多功能性。加湿器可以增加室内空气湿度，去除静电减轻干燥空气对咽喉、鼻粘膜的刺激，在北方冬季极大提高居住环境舒适度。[1]现今市面的加湿器大多依靠人工操作，无法实时监测环境湿度，容易引发加湿不及时或过度加湿的问题。针对以上，利用单片机设计了一种智能加湿器，当室内空气湿度低于设定值时，启动超声波雾化装置对空气加湿，达到预定范围后停止工作，并通过紫外线杀菌技术有效抑制水箱中细菌繁殖，降低清洗频率，增加使用的安全性和便利性。

1 系统总体设计

本文提出的智能加湿系统以STC89C52为主控芯片，系统整体结构框图如图1所示。

该系统按照功能划分主要包括电源模块、主控芯片及附属电路、湿度传感器、按键设置模块、LCD 液晶显示、液位检测、继电器驱动模块及报警装置。其中继电器驱动模块中包含超声雾化器与紫外线灯。

系统开启之后，用户可以根据自身需要通过按键设定湿度理想值和水箱液位报警下限。当传感器测量的湿度值小于设定值时，启动超声雾化器增加空气湿度;当测量值大于设定值或水箱液位小于下限值时，系统自动关闭。报警装置包括蜂鸣器和LED指示灯，当加湿系统正常工作时，绿色LED灯亮;液位过低时红色LED灯亮并启动蜂鸣器，提示用户向水箱加水。用户可以通过按键控制加湿器进入水箱消毒模式，开启置于水箱内的紫外线灯，30分钟后自动关闭。温湿度和液位的实时测量值和设定值在LCD上显示，方便掌握加湿系统的工作状态。

2 系统硬件设计

STC89C52具有低成本、低功耗、高性能的特点，在医疗、家电、教育等领域应用广泛。该款微控制器片上资源丰富，完全满足加湿系统设计需求。图2为系统整体设计原理图。

2.1 电源模块

系统中超声雾化器和紫外线灯需要24 V直流电源供电，其他部分则需要5 V电压供电。为方便操作选择电源适配器提供24 V电压，并通过降压调节器输出5 V电压。MP2303是单片的同步整流调节器，集成度高使用方便。

2.2 温湿度检测与LCD显示

DHT11温湿度传感器通过单线口发送串行数据，并且内置数模转换功能直接向单片机输出数字量。传感器外部电路简化，抗干扰性能较好，检测精度高可靠性高。LCD需要显示室内空气的实时温湿度、水箱水位实时测量值和用户设定阈值。LCD1602可以同时显示32个字符，满足设计要求，控制简单使用成本低。

2.3 按键与报警电路

系统中应用3个轻触开关实现不同参数的设定。S1与单片机P1.5引脚相接，该按键为菜单选择按键，通过此按键选择操作项目。主页面下短按S1按键时，屏幕光标跳转。按键S2与单片机P1.6引脚相接，实现数值加操作。按键S3与单片机P1.7引脚相接，实现数值减操作。主页面下长按S1键启动紫外线灯开启水箱消毒模式。

报警电路包括蜂鸣器和两个LED指示灯。D1为绿色LED指示灯，接单片机P2.2引脚，D1亮表示正常工作;红色LED指示灯D2接P2.1引脚，D2亮表示水位过低。蜂鸣器与三极管Q1接电阻R6，接单片机P1.4引脚，P1.4端口输出为低电平的时候，蜂鸣器导通发出声报警信号。

2.4 液位检测模块

液位检测的目的是防止加湿器干烧。最常用的防干烧方法有两种，热熔断法和电流检测法。第一种在最严重发热的元件处添加热熔断体;当熔断体熔断后需要及时更换，增加成本影响使用效果。第二种检测加湿器工作电流，当电流超过安全上限后自动关机;检测电流实时性差，容易带来误操作影响正常工作。[2]系统采用超声波测距的方法实时监测水箱水位，在水位达到安全下限时发出报警信号，提高加湿器的安全性和稳定性。控制电路给予超声波发射器触发信号，超声波发射器发射超声波，当波传播到水面后以原来波速反射。收到反射波时模块输出响应信号，通过触发信号与响应信号之间的时间差求得待测距离，在通过水箱高度算出水位高度。

HC-SR04模块测量范围2 cm到4 m，测距精度3 mm，完全满足家用加湿器水箱容量使用要求。模块共四个管脚，TRG为触发控制信号输入接单片机P3.6引脚，ECHO回响信号输出接P3.7引脚。

2.5 继电器驱动模块

超声雾化片通过超声波高频振荡将水雾化为1到5 μm的超微粒子，经风动装置扩散到空气中，达到加湿的目的。[3]相比于传统加热型加湿器，超声雾化器加湿成本低、效率高、安全性高，在医疗、美容、清洗等领域应用广泛。为了提高超声雾化稳定性，这里选择产品化的超声波雾化头。实物如图3所示，在正确的使用情况下，雾化头的使用寿命可达3 000 h，且替换方便。

选用继电器来实现对超声波雾化头的控制。当单片机P2.2引脚输出为低电平信号时，三极管就导通继电器吸合，超声波雾化头得电开始工作;P2.2引脚输出为高电平信号时，此时三极管截止继电器失电断开，超声波雾化头断电停止工作。

一般情况下超声雾化器释放的水雾中含有大量细菌杂质，这些污染物被人体吸入后容易带来健康隐患。为防止水中的微生物散布到空气中，在水箱中放置紫外线消毒灯。紫外线可以有效破坏细菌病毒中遗传物质的分子结构，使生物体丧失复制繁殖能力，从而达到杀菌消毒的效果。[4-5]外线杀菌作用较强，但对物体的穿透能力很弱，因此不会穿透水箱影响外部动植物。紫外线灯需要通过逆变器接入电路中，同样用继电器控制紫外线灯的开启和停止。

3 系统软件设计

系统软件程序主要包括主程序和按键中断程序。图4为系统主程序流程图。

单片机上电后系统初始化，包括打开中断允许、启动定时器。启动温湿度传感器读取当前环境温湿度，超声波测距模块测量出到液面距离，进行数据处理后输送给LCD显示。判定液位高度是否大于设定的液位最低值，若不满足要求，加湿系统启动声光报警模块，提示用户及时加水，单片机进入休眠状态。用户加水后重新上电启动单片机。液位大于设定值时，判断当前湿度是否小于设定值，满足条件开启雾化器进行加湿;若当前环境湿度大于设定值则关闭雾化器。等待10 s之后进入下一次读取循环。在水箱中水充足的前提下，系统自动检测空气湿度并自动开启和关闭雾化器，摆脱手动操作。

加湿系统通过按键S1进入中断程序，中断程序流程图如图5。

计时2 s之后重新判断S1键是否按下，判断为真则用户长按S1键，开启紫外线灯进入水箱消毒模式。结束中断程序之后返回主程序，与此同时计时器开始计时，30分钟后自动关闭紫外线灯，完成水箱消毒。若用户没有长按S1，LCD显示进入参数设定页面，通过S1键选择需要更改的参数，S2和S3键分别实现+1和-1操作。在该页面3s之内无操作自动返回主显示页面，中断程序结束返回主程序。

4 系统测试

基于单片机的智能加湿系统实物如图6所示。在接通电源后，LCD1602液晶显示屏显示室内环境的当前温湿度值。将超声波测距模块远离液面模拟水箱水位降低到安全值以下情况时，雾化器立即停止工作，同时蜂鸣器发出声音报警， 红色 LED 指示灯亮起。将超声波测距模块移开液面至一定距离重新上电，雾化器重新开始加湿工作。

图7为LCD显示主页面，显示参数包括当前温湿度、液位高度和设定的湿度与液位阈值。图8为参数设定界面，使用S1键移动光標选择改变的参数，再通过S2、S3键设置目标湿度值。目标湿度值小于当前实际湿度值时，雾化器开始加湿工作，目标湿度值大于等于实际湿度值时，雾化器停止加湿工作。

经过对外部元件与控制系统的硬件及软件环节的调试，本次设计的智能加湿系统可以稳定地实现各项功能，达到了对空气湿度实时监控的目的，实现加湿器的自动化智能化，提高安全性与稳定性。

5 总结

本文应用单片机设计了智能加湿系统，通过软件编程控制外部元件，改进了传统加湿器防干烧功能并加入水箱消毒功能。试验表明，设计稳定的实现了预期要求，填补室内空气湿度智能调节的空白。但是仍然存在需要改进的部分，比如部分器件需要安装在水箱中，加湿系统工作时产生的大量水汽可能影响其正常工作和使用寿命。为克服此问题，对后期机械封装提出了较高要求。放眼未来市场，智能加湿器一定会以其低廉的成本突出的安全性与实用性获得更广阔的应用前景。

参考文献

[1] 陈松鹏，陈松，吴奇洲.基于数字控制的智能加湿器设计[J].电子测试，2017（9）：5-7.

[2] 高操，罗小华，仲雪倩.基于高性能FPGA的智能加湿器设计[J].江南大学学报（自然科学版），2011，10（5）：546-550.

[3] 贾瑞林，马红.基于单片机的温度测控系统设计[J].西安邮电学院学报，2011，16（S2）：58-59.

[4] 吴延伟.基于单片机的温度测控系统设计与实现[D].东营：中国石油大学（华东），2013.

[5] M Galasso， A Patel， C Summers， et al. Usng Ultravolet C rradaton as a Sterlzaton Method for Organ Perfuson Systems[J]. Journal of Heart and Lung Transplantaton，2018，37（4）：156.

[5] 贾文章，刘志强，刘欢欢.抗菌除菌技术在软水机上的应用[J].家电科技，2018（7）：35-37.

（收稿日期： 2019.07.18）

基金项目：陕西省重点研发计划项目（2018ZDXM-GY-039）;陕西省科技厅基金资助项目（2016ZCKJ3-091）;西安市科技局基金资助项目（201805040YD18CG24）

作者简介：陈维佳（1990-），女， 唐山， 硕士， 助理工程师，研究方向：仪器仪表与自动化控制。文章编号：1007-757X（2020）01-0064-04