基于單片機(jī)的智能濕控噴灑系統(tǒng)

紀(jì)慧超 馮國亮

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

基于單片機(jī)的智能濕控噴灑系統(tǒng)

紀(jì)慧超 馮國亮

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

為解決超聲波霧化片驅(qū)動(dòng)過程中產(chǎn)生不必要能耗的問題，設(shè)計(jì)了一款基于C8051F410單片機(jī)的智能濕控噴灑系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的C8051F410外圍電路、PWM方向控制電路、SPWM合成電路和濾波電路。該系統(tǒng)通過溫/濕度傳感器對(duì)周圍環(huán)境溫/濕度進(jìn)行檢測來自動(dòng)調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生的正弦交流電幅值，進(jìn)而控制超聲波霧化片的噴灑量,實(shí)現(xiàn)智能溫/濕度監(jiān)控，但應(yīng)注意避免振鈴現(xiàn)象。

濕控噴灑系統(tǒng) 單片機(jī) LC濾波 IR2110 振鈴現(xiàn)象

霧化是指將液體分散、撞擊形成不連續(xù)的液滴混于周圍氣流的現(xiàn)象。利用超聲波電源驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片，可以有效地將液體霧化。霧化的關(guān)鍵在于超聲波電源，而隨著電子器件的不斷發(fā)展與更新，超聲波電源的驅(qū)動(dòng)方式也在逐步改進(jìn)與完善。傳統(tǒng)的超聲波電源驅(qū)動(dòng)方式是通過調(diào)節(jié)分壓電阻來控制輸出電壓幅值的，因此電源驅(qū)動(dòng)能耗較大。為解決超聲波電源驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片霧化過程中產(chǎn)生不必要能耗的問題，在主流驅(qū)動(dòng)方式(整流、功率放大、頻率跟蹤、匹配、驅(qū)動(dòng)和保護(hù))的基礎(chǔ)上，筆者將各部分功能利用IR2110芯片進(jìn)行融合，利用較少外圍器件設(shè)計(jì)了一個(gè)基于C8051F410單片機(jī)的智能濕控噴灑系統(tǒng)及其外圍電路，使之輸出高效穩(wěn)定的正弦波來驅(qū)動(dòng)超聲波霧化片，同時(shí)結(jié)合外部溫/濕度傳感器，對(duì)環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行檢測，通過判斷反饋信號(hào)，利用模糊PID算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列輸出，從而控制正弦波的幅值，調(diào)節(jié)噴灑量，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫/濕度的智能監(jiān)控。筆者重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體方案

基于C8051F410的智能濕控噴灑系統(tǒng)總體方案如圖1所示。系統(tǒng)以C8051F410為核心，包括供電電源(為控制器提供工作電源)、環(huán)境溫/濕度測量模塊、遙控器、數(shù)碼顯示、聲光報(bào)警、PWM(脈沖寬度調(diào)制)方向控制電路、SPWM(正弦脈寬調(diào)制)合成電路及濾波電路等。PWM方向控制電路的功能是將C8051F410輸出的PWM信號(hào)和方向控制信號(hào)合成SPWM信號(hào)的正負(fù)半周控制信號(hào)。SPWM合成電路的功能是將PWM信號(hào)功率放大經(jīng)LC低通濾波電路進(jìn)行濾波后以高效的正弦形式輸出。利用遙控器實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)切換、溫度閾值和輸出模式設(shè)置及聲音報(bào)警等功能。

圖1 基于C8051F410單片機(jī)的智能濕控噴灑系統(tǒng)總體方案

2 硬件電路部分

2.1C8051F410外圍電路

C8051F410單片機(jī)以高速8051為控制器內(nèi)核，具有4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列及時(shí)鐘源內(nèi)部振蕩器(24.5MHz)等內(nèi)部資源。基于C8051F410芯片設(shè)計(jì)的C8051F410外圍電路如圖2所示，其中包括C8051F410片上系統(tǒng)工作所需的JATG接口、電源退耦、基準(zhǔn)濾波和上電復(fù)位電路。

圖2 C8051F410外圍電路

將由定時(shí)器在設(shè)定時(shí)間內(nèi)刷新的CODE碼表，通過交叉開關(guān)寄存器XBR0和XBR1跳過P0.5口，使P0.5口暫時(shí)不作為I/O引腳，而是連接內(nèi)部資源可編程計(jì)數(shù)器陣列CEX0引腳輸出PWM波(圖3)[1]，從圖3中可以看到波形整齊無毛刺，為后續(xù)的電子器件快速開關(guān)作用奠定了基礎(chǔ)。

圖3 PWM波形

2.2PWM方向控制電路

根據(jù)IR2110的控制時(shí)序圖[2]，設(shè)計(jì)PWM方向控制電路如圖4所示。首先需要將單片機(jī)輸出的PWM波經(jīng)過電路變換轉(zhuǎn)換為在同一時(shí)刻具有正負(fù)輸出的PWM波，所以將單片機(jī)的I/O口與邏輯電路結(jié)合[3]，當(dāng)輸出正半波時(shí)，使U1B非門的Q+輸入為低電平，U1B的4引腳輸出為高電平，這樣PWM經(jīng)過U2A與非門后即可輸出反相的PWM波(即PWM+)。然后將輸出的PWM+信號(hào)一路給SPWM合成電路的輸入端，另一路給U1A非門的輸入，使U1A非門的輸出端PWM+_1與PWM+的邏輯在同時(shí)刻相反。PWM-和PWM-_1的輸出由Q-的電平控制，控制方式與上述方法類似。

圖4 PWM方向控制電路

圖5為PWM波進(jìn)入IR2110前的波形。當(dāng)單片機(jī)控制輸出正半軸時(shí)，PWM波經(jīng)過與非門輸出的波形PWM+為圖5中的上半部波形[4]；將PWM+波形經(jīng)過非門取反后得到圖5中的下半部波形。由圖5可知，經(jīng)過處理后的PWM波在相同時(shí)間內(nèi)其邏輯電平剛好相反，可以很好地控制芯片IR2110。當(dāng)單片機(jī)輸出負(fù)半軸時(shí)同理可以得到如圖5所示的波形。

圖5 PWM方向控制波形

2.3SPWM合成電路

SPWM合成電路(圖6)由電平轉(zhuǎn)換電路、半橋控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路組成[5,6]。控制電路產(chǎn)生的SPWM信號(hào)包括正負(fù)兩個(gè)半周，正半周控制信號(hào)PWM+和負(fù)半周控制信號(hào)PWM-經(jīng)由三極管Q2和Q4構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)5～12V的電平轉(zhuǎn)換，然后輸入到半橋控制電路IR2110(u1和u2)。其中，u1驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)Q1和Q3實(shí)現(xiàn)SPWM的正半周功率輸出，u2驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)Q5和Q6實(shí)現(xiàn)SPWM的負(fù)半周功率輸出，輸出電流能力與MOSFET管Q1、Q3、Q5和Q6的特性參數(shù)相關(guān)[7]。根據(jù)待驅(qū)動(dòng)的霧化片的交流工作電壓，在MOSFET管上施加相應(yīng)的直流電壓，使經(jīng)過濾波輸出的正弦波的幅值與直流電壓值相近；再對(duì)超聲波霧化片的額定功率加以考慮，選用比額定電壓和額定功率稍大的直流電源可以使控制器能夠滿幅輸出。

圖6 SPWM合成電路

2.4濾波電路

圖7 LC無源低通濾波電路

經(jīng)LC無源低通濾波電路濾波后的正弦波如圖8所示，可以看出，濾波后的波形平滑無雜波，頻率可以達(dá)到工頻交流電的頻率(50Hz)。當(dāng)濕度隨著周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，正弦波的幅值也隨之改變。由于正弦波的穩(wěn)定輸出，能夠使得超聲波霧化片穩(wěn)定地工作在額定條件下，實(shí)現(xiàn)精確的智能濕控噴灑。

圖8 濾波后的正弦波

3 振鈴現(xiàn)象

圖9所示為功率驅(qū)動(dòng)輸出的OUT+對(duì)地波形，可以看出MOSFET管發(fā)生了振鈴現(xiàn)象[9]，這是由等效串聯(lián)電感和MOSFET管的極間寄生電容發(fā)生諧振所致。等效串聯(lián)電感由器件本身的引腳與走線引起，而器件引腳的等效電感與MOSFET管極間寄生電容不可避免，最終導(dǎo)致了振鈴現(xiàn)象。因此，在電路設(shè)計(jì)過程中要使濾波電路的電容、電感匹配，在布線時(shí)，盡量讓走線寬而短，以減少走線等效電感，從而減少振鈴現(xiàn)象的發(fā)生。

圖9 振鈴現(xiàn)象

4 結(jié)束語

筆者基于C8051F410單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)智能濕控噴灑系統(tǒng)及其硬件電路。由單片機(jī)16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列輸出的PWM波經(jīng)過外部電路升壓后輸出給IR2110來增加輸出功率，然后對(duì)SPWM波進(jìn)行濾波，利用濾波后的高效穩(wěn)定的正弦波驅(qū)動(dòng)超聲波霧化片對(duì)環(huán)境溫/濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

[1] 王磊,李建敏,李平.基于PWM的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)(學(xué)術(shù)交流),2013,9(4):922～924.

[2] 伍洲,方彥軍.IR2110在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008,(11):88～90.

[3] 齊幸坤,曹春剛.IGBT半橋諧振逆變器的研究[J].大功率變流技術(shù),2013,(1):12～15.

[4] 孫靈芳,紀(jì)慧超.基于C8051 F410的新型大功率三相逆變器設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2015,42(1):62～66.

[5] 郭永貞.數(shù)字SPWM信號(hào)生成原理及其8XC196MC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2000,(6):24～26.

[6] 葛小榮,張龍.MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要領(lǐng)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2009,(10):94～97.

[7] Chen D,Li L.Novel Static Inverters with High Frequency Pulse DC Link[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2004,19(4):971～978.

[8] 艾學(xué)忠,紀(jì)慧超,張玉良.基于C8051F410片上系統(tǒng)的逆變電源設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(8):63～65.

[9] 佟星元,朱樟明,楊銀堂,等.信號(hào)完整性設(shè)計(jì)中的抖動(dòng)與振鈴消除技術(shù)[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012,39(6):136～141.

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DesignofIntelligentHumidityControlandSprayingSystemBasedonMCU

JI Hui-chao, FENG Guo-liang

(SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012，China)

For purpose of reducing energy consumption in driving ultrasonic atomizers, a C8051F410 MCU-based intelligent humidity control and spraying system was designed; and the system’s peripheral circuits,

TH862

A

1000-3932(2016)05-0517-05

2016-04-07(修改稿)