基于STM32的智能超声波雾化器研究

韩冰　陈智键　李继岚　李婉璐　蔡雄友

关键词：超声波雾化器；STM32；智能系統

中图分类号：TN492；TB559 文献标识码：A

0引言

近年来流行病高发，许多场所需要消毒设备进行消杀工作，消杀的方式有很多种，其中采用超声波雾化器方式进行喷洒消毒是一种高效率的方法。超声波雾化片是以压电陶瓷为工作原理设计的换能装置，其用途非常广泛。例如，欧姆龙公司研发的一款NE-U22医用雾化器，是由电容三点式产生一个频率为180 kHz的振荡电压加载于超声换能器两端，从而产生雾化效果。饶东升设计了基于嵌入式系统的超声波雾化器。黄普威研究了针刺放血疗法配合咽超声波雾化吸入法治疗急喉痹风热外袭证。于鸿飞设计了一款湿度智能调节雾化器。此外，还有将其应用在机器人雾化器喷涂、海水淡化、太阳照射下雾化偏光等方面的研究。

本研究采用STM32芯片为主控芯片，设置输入／输出（input/output，I/O）口，输出为脉冲宽度变调（pulse width modulation，PWM）模式，使其输出108 kHz左右的方波，该信号不足以驱动雾化器进行喷雾，也不能直接驱动MOS管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET），故需要设计功率放大电路。该放大电路主要由EG2132驱动芯片、MOS管和变压器组成，其能够驱动雾化器使液体液化。本产品是一款智能加湿系统，用温度传感器和湿度传感器分别将室内的温度和湿度转化成电信号传输到STM32单片机，同时系统将自动检测客户自定义的温度值和湿度值，若客户未设定，系统自动调取默认的参数进行工作。该系统采用的是闭环控制系统，在工作过程中，当室内温度值和湿度值达到用户设定值或者系统默认值时，雾化器停止运行，并保持设定的温度值和湿度值；若室内温度值和湿度值低于设定值，雾化器则进行工作，将室内的温度和湿度保持在一个恒定的值。

1系统总体设计

本设计由电源模块、湿度传感器、人体红外传感器、STM32F103C8T6芯片模块、Wi-Fi模块、继电器电路、驱动模块、雾化片等组成，系统组成如图1所示。

STM32F103C8T6芯片主要作用包括湿度感应控制、人体红外感应控制以及输出108 kHz方波驱动雾化器实现液体雾化。其中温湿度模块、人体红外模块可根据客户需求设置优先级。手机可通过Wi-Fi模块控制继电器实现远程控制雾化器的启停。

2系统软硬件设计

2.1系统软件设计

本系统主要是利用Keil C语言编程，采用模块化程序设计，主要包括继电器控制程序、中断控制继电器函数、串口通信、PWM、人体感应传感器和湿度传感器。系统流程如图2所示。

2.2系统硬件设计

主控板主要作用是作为湿度传感器模块、人体红外传感器模块的响应主控部分。当需要实现雾化时，则通过单片机PWM模块输出108 kHz的方波让雾化器工作。STM32F103C8T6主控板如图3所示。

（1） Wi-Fi模块。使用ESP8266-OIS可以实现手机与Wi-Fi的无线通信，主要实现步骤如下：首先连接硬件电路ESP8266-OIS，通过IO0连接到微控制单元（microcontroller unit，MCU）的串口。ESP8266-OIS的供电电压为3.3V。其次，对ESP8266工作模式进行配置，通过命令设计使ESP8266在Station模式（站点工作模式）下工作。Station模式可以连接到Wi-Fi网络。最后，采用Android开发工具对手机APP进行设计，再将手机APP与ESP8266建立Socket连接。通过APP发送控制命令，ESP8266模块将数据发送到Wi-Fi网络。对通信效果进行测试：使用手机连接ESP8266创建的SoftAP热点。发送一个测试控制指令，验证两者是否能够进行正常通信。通过此APP，可以利用ESP8266实现手机与Wi-Fi网络的无线互联。Wi-Fi模块的输出可以直接驱动继电器，通过继电器的通断控制驱动模块的供电部分，进而实现控制雾化器的通断。

（2）湿度传感器。采用的是一款常用的湿度传感器DH11，其主要工作原理如下：DH11内置一个电容式的湿敏器，根据湿敏器电容值变化来检测空气中的相对湿度。信号转换的过程是将湿敏器的电容值转化为电频信号，再经过特定集成电路转换成相应的数字量输出。当传感器输出的信号是标准数字信号时，可以直接连接STM32F103C8T6单片机的I/O口进行数据读取。输出形式为Serial数据，由8 bit数据位组成，其中湿度数据占高8位，状态数据占低8位。传感器检测湿度的测量范围是20%～90% RH，测量精度可达到士5% RH。该模块可以直接与STM32F103C8T6单片机连接，对其串口数据进行读取以获取当前湿度值。该传感器的工作电压范围为3.3～5.5V，工作温度范围为0～60℃。综上，DH11是一款使用方便、稳定、可靠且经济的湿度传感器。

（3）人体红外传感器模块。在模块内置有双椭圆球式聚光镜，通过调整红外接收管的位置，聚集人体发出的红外线信号，从而检测出移动的人体。该传感器的输出信号是逻辑信号，当检测到人体时，输出高电平；检测不到人体时，输出低电平。该模块输出可以直接连接到STM32F103C8T6单片机，单片机可通过读取电平状态，从而实现人体检测。

（4）电源模块。雾化器驱动电路供电电压为12V，所以电路板采用12 V电源供电。由于芯片和传感器模块采用3.3 V供电电压，故本电源模块采用LM2596-3.3V芯片实现从12 V到3.3 V供电电压的转换。

（5）驱动电路。雾化器驱动电路如图4所示，从单片机的I/O口直接输出的方波信号不能直接驱动雾化器，因此需要专门设计雾化器的驱动电路。该电路采用EG2132作为MOS管的驱动芯片，输入信号的频率可以达到500 kHz。该芯片低压端的输入电压范围为11～20 V，频率可以达到500 kHz。其高压端的输入电压可以达到300 V。本设计以该芯片的低压端作为驱动电压，12 V的电压源直接供电，Lo口作为低压端的输出口直接驱动MOS管。

EG2132芯片的功能包括处理输入逻辑信号、控制方波出现的死区时间、转换高低电平的功能。在输入端高电平达到阈值2.5 V时，认为输入的信号为高电平；当低电平低于阈值1.0 V时则认为是低电平。STM32F103C8T6单片机输出的方波高电平的电压为3.3 V，低电平的电压为OV，所以单片机的I/O口可以直接驱动芯片的输入口。该芯片的逻辑信号的输出电流小，可以使STM32F103C8T6输出逻辑信号直接连接到EG2132的输入口。在芯片中输入逻辑信号与输出控制信号之间存在传导延时，低端输出时的开通传导延时为410 ns、输出关断的传导延时为140 ns。低端输出开通的上升时间为180 ns、关断的下降时间为100 ns。该芯片为一款国产芯片，价格便宜，能够满足IR7843的MOS管驱动芯片的要求。

3实际测试

对实际的电路进行测试，测试点为MOS管的漏极和源极，其中漏极是接地的，源极是接在变压器一侧的，测试输出的电压波形如圖5所示，频率为108 kHz。在调试过程中，输出为30%～70%均会使得雾化器喷雾，但当占空比小于40%时，喷雾量不是很足；当占空比大于40%时，雾化器的雾化效率不高，主要的能量损失会在变压器和MOS管，由于导通的时间过长，MOS管的发热量变大，严重时可能导致电路的损毁。因此在设计时选用了占空比在40%的方波。

如图6所示，采用的磁芯为一个大功率的磁芯，在磁芯的选择中需要注意其存在的磁饱和现象。如果仅仅需要驱动一个雾化片，选择一个小的磁芯可以有效地控制电路板的体积和成本。如果需要同时驱动多个雾化片，则需要分析和计算负载的功率，从而选择和设计磁芯，避免由于负载过大导致磁芯的饱和。

在调试过程中如果出现磁芯的饱和，此时雾化器不会喷雾，而且MOS管和磁芯会快速升温，很快烧毁MOS管。本设计在经过计算后，选择了合适的磁芯直接驱动三喷头的调试雾化器。如图6所示，喷雾效果良好，达到了设计的目标且能够满足实际需求。在雾化的产品中可以选择雾化不同液体并应用到相应场合，如雾化酒精、消毒液等，该装置就是一个雾化消毒器；当被雾化的液体是水时，那么该装置就是一个加湿器。

4结论

软硬件设计和系统调试结果表明：本研究采用STM32F103C8T6主控芯片、人体感应传感器、温湿度传感器、继电器控制程序、中断控制继电器函数、串口通信等模块设计了一款多功能智能超声波雾化消毒器。输出模块是STM32单片机的PWM模块，产生频率为108 kHz左右，选用占空比为40%的方波，输出端经过EG2132的信号放大输出到驱动MOS管，通过对变压器的设计便可以实现驱动雾化器的功能，产生良好的喷雾效果，能较好地达到加湿和消毒的目的。