基于单片机的智能型液体电蚊香控制系统设计

刘泽宇 徐烨枫 齐斌

摘 要：本文以单片机为基础，设计了一款智能型液体电蚊香控制系统。系统采用STC系列单片机作为主控制器，实现其浓度调节、自主定时、强制关停的功能;通过改变发热元件的功率来调节液体电蚊香药液的挥发浓度;通过DS1302时钟芯片计时实现液体电蚊香的定时功能。其中，定时功能包括自主定时关停及强制定时关停。在未启动自主定时状态下，按键动作累计时间超过设定值12 h，强制定时关停程序运行，使整个系统自动断电。

关键词：智能液体电蚊香;单片机;药液挥发浓度;智能关停

中图分类号：TM925.92 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）09-0021-04

Abstract： Based on the single-chip microcomputer， this paper designed an intelligent liquid electric mosquito coil control system. The system uses STC series single-chip microcomputer as the main controller to realize the functions of concentration adjustment， independent timing， and forced shutdown; the volatilization concentration of the liquid electric mosquito-repellent incense is adjusted by changing the power of the heating element; the timing function of the liquid electric mosquito coil is realized through the timing of the DS1302 clock chip. Among them， the timing function includes autonomous timing shutdown and mandatory timing shutdown. In the state of not starting the autonomous timing， the cumulative time of the button action exceeds the set value for 12 hours， and the program is forced to shut down the program running regularly， so that the entire system is automatically powered off.

Keywords： smart liquid electric mosquito coil;single chip microcomputer;volatile concentration of liquid medicine;intelligent shutdown

據统计，液体电蚊香产品占驱蚊产品（包括液体电蚊香、电蚊香片、盘式蚊香和花露水等）市场份额的30%，足见使用液体电蚊香产品驱蚊深受广大群众喜爱。但是，液体电蚊香产品在实际使用过程中存在一定的不足，主要体现在两方面：一是液体电蚊香产品只具有单一挥洒浓度，无法区别对待不同地区蚊虫的耐受药液程度，对于某地区耐药性低的蚊虫，挥洒药液浓度可能过量，造成浪费，而对于某地区耐药性高的蚊虫，挥洒药液浓度可能过低，达不到驱蚊效果。二是现有液体电蚊香产品仅能通过人工通断电方式实现液体电蚊香的启停功能，很多家庭使用后经常会忘记关停液体电蚊香，造成浪费和用电安全隐患[1]。

基于上述认识，人们急需对液体电蚊香产品进行改进，以提高液体电蚊香的驱蚊效果，节约药液使用量，保证安全用电。

1 工作原理概述

智能液体电蚊香需要实现浓度自由调节、自主定时和强制关停功能。下面分析具体工作原理。

一是利用单片机的不同引脚，设计温度调节电路。系统通过控制晶体二极管触发导通以及电阻大小控制电压，进而得到三种挥洒浓度所需的温度，并使用单片机控制显示“高”“中”“低”挡位的LED灯发光。晶体二极管作为电压控制元件，功耗低且性能比较稳定，方便改变电压来调节PTC加热器的加热方式。二是采用DS1302时钟芯片，对年、月、日、周、时、分和秒进行计时。用户可根据周围环境自主设定时间，通过按键1与按键2实现小时的增减，通过按键3与按键4实现分钟的增减。累计时间达到自主设定值时，系统会自动断电。三是为了确保在未启动自主定时状态下的安全，设定最大使用时间12 h，当检测到按键动作后的计时超过12 h，系统将会强制断电。

2 系统电路设计与分析

智能液体电蚊香的电路系统主要由电源电路、最小电路、时钟电路、继电器驱动电路和温度调节电路组成，总体框图如图1所示。

2.1 电源电路

如图2所示，电源电路主要由整流滤波电路和串联稳压电路组成，经过降压—整流—滤波—稳压，将电路输入的220 V交流电转换为约5 V的直流电。先通过变压器降压，再通过4个二极管组成的单相桥式整流电路，将正弦交流电压[Ui]转换成单相直流脉动电压[Uo];由于[Uo]仍为周期性变化电压，含有直流与各种频率的交流成分，人们需要采用电容滤波电路滤除脉动直流中的交流成分，增加直流成分;最后接入LM7805三端稳压器以及两个电容C3、C4，对整流后的直流电压进一步进行稳定。

2.2 最小电路

该系统采用的是STC89C51单片机，其内部主要有中央处理器（CPU）、振荡电路、总线控制、中断控制、Flash存储器、内部存储器（RAM）、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口。最小电路由STC89C51单片机、电源电路、时钟电路和复位电路组成[2]。STC89C51单片机的工作电压范围为4.0～5.5 V，电源电路给单片机供5 V直流电;时钟电路向单片机提供一个正弦波信号，其晶振频率设定为12 MHz;复位电路产生复位信号，高电平有效，采用混合复位电路连接，将上电复位电路和手动复位电路结合。

2.3 时钟电路

时钟电路采用的是DS1302时钟芯片，实现数据的记录;由于单片机计时，不仅要占用硬件资源，还要设置中断，步骤烦琐，所以不采用单片机计时。DS1302时钟芯片工作时采用SPI总线驱动方式，必须外接时钟振荡电路，X1与X2外接36 728 Hz晶振;为芯片提供时钟脉冲。VCC1作为主电源，VCC2作为备用电源，给DS1302供电。RST为复位信号，低电平有效;SCLK为串行时钟引脚，I/O为串行数据引脚，三者皆受单片机所控制，电路如图3所示。

2.4 继电器驱动电路

继电器在电路中有自动调节、安全保护、转换电路的作用。鉴于单片机I/O口不能直接接入220 V的交流电，因此采用继电器的控制方式（见图4），将强电控制转化为弱电控制。系统利用PNP型三极管的电流放大作用，通过电阻将其转变为电压放大作用。也就是说，控制电路采用PNP型三极管作为驱动，若单片机端口输出低电平，则三极管Q1发射结正偏，集电结反偏，继电器线圈得电，常开闭合，常闭断开。

2.5 温度调节电路

本研究利用PTC加热器热阻小、热转换率高、安全性能好的优势，设计温度调节电路。加热器由PTC陶瓷发热元件与铝管组成，采用U形波纹状散热片，在内部温度过高、PTC加热器得不到充分散热的情况下，其功率会自动急速下降，使表面温度维持在居里温度左右，具有恒温作用。

由于加热元件工作电压为220 V，而单片机无法提供超过5 V的电压，所以本设计采用继电器间接控制，选用STC89C51单片机的三个引脚分别控制三个不同的继电器KM1、KM2、KM3，从而间接控制液体电蚊香三种不同的工作模式。电路图如图5所示。低浓度模式下，线圈KM1得电，KM1常开触点闭合，KM1常闭触点断开;利用晶体二极管的单向导通特性，使加热器加热温度下降（R1在电路中起限流作用）;正常模式下，KM2线圈得電，通过电阻R2、电阻R3与加热元件串联;高浓度模式下，KM3线圈得电，电源通过R2与加热元件串联。

3 原理数值分析

本研究通过试验测定获得挥发芯棒上端不同温度下的液体电蚊香挥洒浓度数据。查阅液体电蚊香驱蚊成分浓度的上、下界限，设计人员拟确定“高”“中”“低”三种有效挥洒浓度值。本设计根据“高”“中”“低”三种有效挥洒浓度值，确定相应驱动PTC加热器加热的三种电压;利用单片机的不同引脚，分别控制晶体二极管触发导通以及电阻元件控制电压，进而得到三种挥洒浓度;使用单片机控制显示“高”“中”“低”挡位的LED灯发光。晶体二极管作为电压控制元件，功耗低且性能比较稳定，方便改变电压来调节PTC加热器的加热。

3.1 温度参数

液体电蚊香加热器内部，220 V电源一端通过一个电阻接到PTC陶瓷加热片的一端，另一端回到电源。因采用PTC陶瓷加热，其本身就有恒温作用，所以此处暂不考虑温度补偿。系统利用电阻产生的热量，通过热传递装置将其热量传到电加热器的导热板上，导热板的温度随着电阻的温度变化，自动进行调节，使其发热温度控制在160～170 ℃。

3.2 挥发浓度参数

液体电蚊香主要成分为菊酯化合物[3]，参考右旋丙炔菊酯（ETOC）和SR-生物丙烯菊酯（EBT）的发挥率以及生物效果测定结果，在保证液体电蚊香驱蚊效果的情况下，其ETOC理想发挥率不小于0.57 mg/h，EBT理想发挥率不小于1.22 mg/h（此处暂不考虑溶液由多种原料复配所带来的影响）。

对于一瓶45 mL的液体电蚊香，若每天通电6～10 h，则可以使用45 d;若每天24 h不间断使用，则可以使用15～20 d。液体电蚊香储液瓶示意图如图6所示，其小时数应处于区间[（μ-σ，μ+σ）]内，其中，[μ]、[σ]用式（1）和式（2）表示，经计算，其可用时间为（390±83.516）h。

根据理想发挥率，人们可以近似得出不同组分的挥发浓度[c]（g/mL）。对于一瓶45 mL的液体电蚊香来说，ETOC挥发浓度处于区间（3.89×10-3，5.99×10-3）内，EBT挥发浓度处于区间（8.309×10-3，12.837×10-3）内。

由于液体电蚊香的挥发通过挥发芯棒来实现，在被加热使用后，药液沿挥发芯棒上升的流动速率变大，挥发芯棒受热部位所吸附药液的浓度也就越高，但实际的挥发浓度要小于流入挥发芯棒的药液有效成分浓度值。假设累计已挥发掉[V]（mL）药液，未被挥发芯棒吸附、可自由流动药液的有效成分的量为[m]（g），被挥发芯棒吸附、无法自由流动药液的有效成分的量为[W]（g），其中[m]与[W]的比值为常数[k];流入挥发芯棒的药液有效成分浓度为[c1]（g/mL），流出挥发芯棒的药液有效成分浓度为[c2]（g/mL），则可以得到以下公式：

对于该挥发芯棒而言，只有当[V]足够大时，[c1-c2]的值才可忽略不计，即在药液被加热足够长的时间后，流入和流出芯棒药液的有效成分的浓度差才近似相等。启动阶段，[c1-c2]的值较大，为保证其挥发浓度符合浓度区间，人们要保证浓度取值偏大一些。已知ETOC的密度为1.084 g/mL，EBT的密度为1.05 g/mL，经计算，ETOC的浓度为0.359%～0.553%，EBT的浓度为0.791%～1.223%，而市面上的液体电蚊香浓度一般保持在0.62%～1.24%，人体最适宜的浓度为0.8%左右。由于理论挥发浓度数值区间应为实际发挥浓度数值区间的子区间，因此本研究确定，“高”“中”“低”三种浓度值分别为0.62%～0.69%、0.70%～0.89%和0.90%～1.10%。其间，挥发浓度与温度的关系可近似等效为线性关系。

4 结论

本文设计的智能型液体电蚊香控制系统可以根据外部环境条件（通风、温度、空间等），选择不同的加热温度，利用不同的挥发浓度，有效地实现驱、灭蚊的作用。人们可以预设智能液体电蚊香的工作时间，当达到预设值时，系统自动断电，减小液体药物挥发而产生的气体危害。影响挥发浓度预估值的因素较多，除了溶液本身，还有挥发芯棒的孔隙率，它会随加热时间的增加而降低，实际的挥发浓度不可准确监测。但是，理论挥发浓度数值区间为实际发挥浓度数值区间的子区间。所以，本文根据市面上电热蚊香的发热元件功率（4.5～6.0 W）和发热温度（130～165 ℃）来确定挥发温度与电压。目前，越来越多的人认识到电蚊香加热器在智能启停上的不足以及蚊虫活动规律的间歇性，提出定时或间歇使用液体电蚊香，这样既能达到驱蚊目的，又可节约电能和驱蚊药。目前，实现电蚊香加热器智能启停的技术主要有红外线感应[4]、蓝牙通信[5]、单片机定时中断等，其中，单片机处理方式具有成本低、稳定可靠的优点。

参考文献：

[1]白露.防蚊还需防火[N].西藏日报，2018-07-06（7）.

[2]单正娅，芮长颖.单片机应用技术（C语言版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2020：36.

[3]朱春，李景广，姚小龙，等.蚊香类散发污染物排放因子及颗粒物分布特征研究[J].环境污染与防治，2014（4）：38-42.

[4]曾艳玲.一种红外感应蚊香液加热器的设计[J].机械工程与自动化，2020（5）：85.

[5]黄倩.电蚊香智能插座设计[J].科技资讯，2016（24）：15-16.