基于ESP32的智能加濕器系統設計

摘 要：隨著人們對生活質量和工作環境的要求越來越高，暖氣已走入千家萬戶，但暖氣在給人們帶來溫暖的同時，也因降低了房間濕度而影響了生活的舒適性。為解決這一問題，設計了一款以ESP32為物聯網核心控件、以DHT11溫濕度傳感器和水位傳感器為感應部件、采用超聲波方式將水霧化的智能加濕器。該智能加濕器附帶OLED屏幕顯示水位信息及溫濕度，ESP32通過BLINKER物聯網平臺控制相關模塊，使用WiFi接入互聯網并配置手機APP，用戶可以使用手機APP遠程控制加濕器，實時獲取室內環境數據。在加濕器工作期間，系統每9 s會同步一次數據，如果水位或者空氣濕度低于設定值，加濕器將立即停止工作，以防出現事故。經驗證，該系統運行穩定，反應靈敏，能夠大幅改善使用暖氣時的室內環境。

關鍵詞：ESP32；DHT11溫濕度傳感器；OLED屏幕；BLINKER物聯網平臺；遠程控制；智能加濕器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-0-04

0 引 言

隨著科技的不斷發展，人們越來越注重生活品質，智能加濕器作為一種可以提高室內濕度的智能家居產品，受到了越來越多消費者的青睞[1]。雖然目前智能加濕器在技術方面已經取得了較大突破，但在產品性能和智能化程度方面仍有提升空間[2]。由此可見，設計一款更為智能、精準和便捷的自動化、可遠程控制的加濕器是實際所需。本設計結合人們對生活和工作環境的需求，選用ESP32作為核心控件，使用DHT11溫濕度傳感器和水位傳感器實時監測空氣濕度值和水箱水位，利用手機APP將控制命令以及參數經ESP32發出高頻PWM，推動超聲模塊工作，將水霧化并驅動風機將水汽吹出殼體，從而達到加濕空氣的效果。考慮到斷電的情況，通過電源管理芯片TP5100增設3.7 V鋰電池供電系統，斷電時，3.7 V鋰電池可經升壓電路直接為系統供電；同時，OLED屏幕的應用和水位、溫濕度傳感器的集成，使得加濕器的性能得到了全面提升，通過以上模塊完成了智能加濕器的設計與實現。

1 硬件設計

1.1 智能加濕器結構設計

本文所設計的智能加濕器采用ESP32作為核心控制器，利用溫濕度傳感器把空氣濕度值傳輸給ESP32內部集成的12位SAR（逐次逼近寄存器）、模數轉換器，即可得到數字化的空氣濕度。通過按鍵或者手機APP設置室內濕度閾值，當檢測到的室內濕度值低于所設置的閾值時，ESP32發出高頻PWM，使得電壓輸出在60 V左右（類似逆變），驅動超聲模塊工作，將水霧化后通過風機把霧化的水汽吹出殼體，從而達到加濕空氣的效果；當檢測到濕度高于設定的閾值時，加濕器停止工作。本設計秉承安全、穩定的設計初衷，在電路部分加裝TPS61008芯片和電源路徑管理模塊，以保證設備安全、穩定、高效運行；同時，不斷監測水箱水位，一旦水位低于預設水位線，則ESP32控制加濕器停止工作。

智能加濕器系統結構如圖1所示。

1.2 電路設計

電路分為充電和電源路徑管理電路、DC/DC降壓電路、超聲加濕電路、溫濕度采集電路、顯示電路、按鍵電路、電機驅動電路等。智能加濕器電路原理圖如圖2、圖3所示。

1.2.1 電源電路設計

智能加濕器的供電系統由3部分組成：充放電電路、DC/DC降壓電路和超聲加濕電路。

充放電電路：為增強電源供電的穩定性，在使用5 V電壓直接給系統供電的基礎上，還通過一款開關型電源管理芯片TP5100給鋰電池充電，該鋰電池在斷電時可直接給系統供電；但由于系統既能接受3.7 V電壓供電又能接受5 V電壓供電，因此在鋰電池與系統之間增加了升壓電路[3]，以確保為系統供電的電壓穩定在5 V。

DC/DC降壓電路：為增強設備的便攜性，同時在峰值負載情況下仍能有較高的降壓效率，使用LP3220AB5F高效率1 A電流降壓恒定芯片（輸入電壓范圍為2.5～5.5 V，輸出為0.61 V～VIN，可調節，輸出電流為1 A）穩定輸出3.3 V電壓。

超聲加濕電路：將5 V電壓連接到三角電感，三角電感的其中一腳與MOS管連接，I/O2連接ESP32，通過ESP32發出高頻PWM，使得電壓輸出為60 V，從而推動超聲模塊工作[4]。

1.2.2 空氣濕度采集電路設計

該智能加濕器將DHT11溫濕度傳感器插在U7接口上，用以檢測周圍環境的濕度和溫度。這款溫濕度傳感器由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件組成，具有響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等優點。工作原理：濕敏電阻材料會隨著濕度的變化而變化，從而根據電阻的變化來實現空氣濕度測量。同時內部設有校準系數，以增強溫濕度測量的精準性[5]。

1.2.3 顯示電路設計

系統選用的1.3寸OLED顯示屏支持I2C和SPI通信方式，無需背光電源，該設備可視角度廣、反應時間短、體積更小，顯示的信息量大[6]。主要顯示內容包括水位、溫度、濕度、電量、電機狀態以及頁面設置等信息。

1.2.4 按鍵電路設計

按鍵電路由6個開關組成，其中開關SW1、SW2、SW5、SW6默認100 kΩ電阻下拉到GND，當按鍵按下時，引腳接通3.3 V電壓，單片機檢測到按鍵按下，同時100 kΩ電阻保護單片機I/O，它們分別用于風扇控制、加濕器控制、濕度閾值調節等；開關SW3、SW4默認10 kΩ電阻上拉到3.3 V，當按鍵按下時，引腳接地，單片機檢測到按鍵按下，其主要用于電源供電控制等[7]。

1.2.5 電機驅動電路設計

該電路通過N-MOS管AO3400控制電機通斷。當I/O16為0 V時，MOS柵極電壓為0 V，MOS管關閉，電機不轉；當I/O16為3.3 V時，MOS柵極電壓為3.3 V，MOS管開啟，電機啟動。R6作為下拉電阻，保證MOS管在默認狀態下被關斷。C1、C2分別為電機儲能及濾波[8]。

2 軟件設計

該智能加濕器的特點是按鈕與手機APP可以遠程同步設置參數，極大地增強了操作使用的靈活性；同時配有電壓調整模塊，后續可增設一個5 V的太陽能板，升級改造后用于智慧農業領域中塑料大棚的溫濕度控制。設備通電后，系統首先進行初始化，其中包括ESP32、TP5100、TYPE-C16PIN、水位傳感器、溫濕度傳感器等的初始化，之后系統聯網設置智能加濕器相關參數，然后空氣濕度傳感器將讀取的數據與設置的參數進行比較，如果低于所設定的濕度閾值，則啟動超聲電路將水霧化為1～5 μm的超微粒子并通過電機將水汽吹出；如果高于所設定的濕度閾值，則停止工作；同時對水箱的水位進行檢測，水箱水位低于閾值則超聲電路停止工作[9-10]。系統流程如圖4所示。

3 PCB設計

依據PCB布線原則，采用雙層板完成基于ESP32+DHT11溫濕度傳感器模塊的智能加濕器PCB設計，有效減少了信號間的交叉干擾。整體元器件布局合理，其中加濕器模塊位于PCB板的中間區域，便于與各部分相連。PCB板體積小、元器件成本低，具體布線如圖5所示。

4 結 語

本文基于以ESP32芯片和DHT11溫濕度傳感器模塊為核心的BLINKER物聯網平臺設計了智能加濕器，該加濕器結構簡單、制作成本低、抗干擾能力強、操作方便，能滿足不同類型客戶的需要。智能加濕器中使用的TPS61008芯片升壓電路、電源路徑管理模塊和電機驅動電路能夠確保設備穩定、高效工作，5 V轉60 V的PWM電路的使用為電機提供了高效、精準的驅動信號；可將5 V供電改為外接5 V太陽能板，在增強設備續航能力的同時還可以節約電能，未來進一步升級改造后甚至可用于智慧農業塑料大棚的溫濕度控制，具有一定的推廣價值和使用價值。

參考文獻

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