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小家电

客户成功故事与项目成功案例

智能加湿器PCBA设计开发


随着社会的发展,人们对于舒适生活的要求越来越高,对智能家居的期待越来越迫切。夏季的空调给人们带来凉爽的同时,干燥问题也随之而来,到了冬季,北方的人们会由于环境中湿度不足感到身体不适,研究表明:50%~60%的环境空气相对湿度对人体的健康最有利,人们的抗病能力也最强,人们也会感到舒适,因此,加湿器应运而生。但是传统的加湿器大多采用手动开启模式,结构简单,功能单一,只能手动调节雾量的大小,无法实时精确了解温湿度状况,导致很难达到理想的舒适度感受,一款能自动控制超声波加湿器的工作状态、可以实现智能调控和人性化的定量设置的智能移动加湿器成为人们的真正需求。本文设计的加湿器以简易机器人为平台,摆脱了传统固定式加湿器的束缚,运用嵌入式单片机原理,实现了加湿器的智能化工作,可以使室内湿度保持均匀,符合现代人的生活方式。

一、智能加湿器工作原理

根据用户需求分析,本文设计的加湿器满足以下要求:在监控到相应的湿度范围后自动开始或停止工作;可以实现在整个房间内的自由移动,保证驾驶均匀;当加湿器即将发生干烧时,启动声光报警;根据监控到的湿度数值,自动调整喷雾大小;实时显示室内湿度;可以由用户自定义设置最佳湿度值。为实现这些要求,加湿器主要分为7个模块进行协调工作:以单片机为核心的中央控制模块、以DHT11为核心的传感器模块、以L298N为核心的智能驱动模块、以LED液晶屏为核心的显示模块、声光报警模块、电源模块和外设独立键盘,具体结构如图1所示。传感器模块将实时监测室内湿度,将其在LED显示屏上显示,并将数据传送到中央控制器,一旦室内湿度达到用户所设定的最佳相对湿度,中央控制器将发送命令使加湿器和底部小车停止工作;当室内湿度下降到设定的最低湿度以下后,加湿器和小车将再次工作,在这期间,加湿器会根据室内的湿度情况自动选择适当的喷雾大小,以保证室内舒适;当加湿器内的水位下降到预设最低水位后,加湿器将停止加湿,并由声光报警模块发出警报,提醒用户及时加水,防止干烧。

图1 智能加湿器总体原理

二、智能加湿器硬件设计

(1)中央控制模块:基于单片机的中央控制模块有两个,一个负责控制加湿器的湿度监测和加湿器的工作状态,另一个则是控制底部简易小车的相关功能,例如避障、转弯、启动、停止等,两个单片机之间用一个继电器连接控制,以加湿器上的单片机为主,控制简易小车上的单片机发送命令。选用的单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代51单片机,工作电压为5.5~3.5V,内部有8路高速10位A/D转换,可以直接将温湿度传感器的数据在单片机内部进行模拟到数字的转换,省去了外部的A/D转换模块。

(2)智能驱动模块:由于步进电机精度比普通电机高,易于控制,所以本文设计的加湿器采用步进电机和L298N电机驱动芯片。L298N为单块集成电路,高电压,高电流,四通道驱动,可直接对电机进行控制,无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平,即可以对电机进行正反转、停止的操作,非常方便,亦能满足直流减速电机的大电流要求,调试时再依照芯片手册,用程序输入对应的码值就能够实现对应的动作。驱动模块的电路原理如图2所示。

图2 智能加湿器驱动模块原理图

(3)电源模块:本设计中用到的电源有5V的单片机电源、5V的电机驱动芯片电源和7.2V的电机电源,但是只用了两节3.6V的锂电池供电,因此,在电源模块中还需增加一个7805压降电路来降低电压,维持电路的正常工作。

(4)报警模块:报警模块的电路如图3所示,当水位传感器检测到加湿器内的水位下降到设定最低水位之后,由中央控制模块发送命令,即发出低电平,则蜂鸣器发出“嘀嘀”的报警声。

图3 加湿器报警原理图

(5)传感器模块:传感器模块以DHT11为核心,DHT11是一个已经存储了校准数字信号的温湿度传感器,包括一个感湿元件和一个测温元件,并且这两元件在内部与一个高性能的8位单片机相连接,完成温湿度的采集。

(6)LED显示模块:本设计中采用了液晶显示屏作为输出状态显示,其具有稳定性好、不易闪烁灯优点。中央控制模块接收到温湿度传感器发送的湿度信息后,在单片机内部,利用已有的8位高速A/D转换模块将信息转换为数字信号后,输入共阴极工作的液晶显示屏上显示。

三、智能加湿器程序设计

本文介绍的加湿器将软件设计分为两个大部分,一部分为底部简易小车:小车左右两边各安装了一个红外避障传感器。当左右两侧都没有检测到障碍物时,则小车前进;如果左侧检测到障碍物而右侧没有障碍物,则让小车右转;若右侧检测到障碍物而左侧没有障碍物,则让小车左转;当左右两侧都检测到障碍物时,则让小车先停止,再后退50ms;另一部分为加湿器:先初始化LCD屏幕、开机界面等;扫描按键,根据用户选择的模式进行工作。其中加湿器的工作模式分为监控模式和湿度预设模式,其调节模式分为自动模式和手动调节模式。在监控模式的自动控制模式下,继电器根据预设湿度值上/下限与当前湿度值的比较结果决定是否进行加湿,控制加湿器工作。本系统限定了预设湿度值的范围为0~100%RH。利用1602LCD显示出当前湿度和预设湿度值。此外当水位低于设定的最小值时,系统将会驱动蜂鸣器报警,以防止干烧。

结语

本文利用了模块化的设计方法,成功设计了一款可在室内自由移动、自动调节喷雾大小的智能加湿器,在保证室内加湿均匀的条件下,又可以做到有效预警防止加湿器干烧、实时显示室内湿度。先用C语言编程,经过Keil4、AltiumDisgner等软件的仿真调试以及实际测试,证明本文设计的加湿器有效地解决了传统加湿器的上述问题,使得加湿器向智能家居方向又迈进了一步,且其成本低、操作简单,具有一定的实际应用价值。

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