一種智能室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金新+谷越凡+譚旭東

摘要本文介紹了一種智能室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用電容型濕度傳感器、水位傳感器、溫度傳感器、換氣扇、電磁閥、超聲波高頻震蕩器、單片機(jī)等自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)舒適濕度、溫度的智能、合理的調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的智能控制，提供給用戶較舒適的居住環(huán)境，體現(xiàn)了以用戶體驗(yàn)為核心的設(shè)計(jì)理念。

關(guān)鍵詞智能家居；模糊PID；自動(dòng)控制；電容型濕度傳感器；濕度調(diào)節(jié)器

舒適是智能家居的主要問(wèn)題之一，隨著幸福指數(shù)的提出，舒適度日漸成為人們關(guān)注的話題。本文以實(shí)用與舒適為出發(fā)點(diǎn)對(duì)加濕器進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，旨在探索一種對(duì)于傳統(tǒng)加濕器的智能化設(shè)計(jì)及改進(jìn)，盡可能使用戶更加舒適。

1設(shè)計(jì)理念

中國(guó)南北緯度差大，領(lǐng)土兼容熱帶、溫帶兩大氣候帶。北方地區(qū)冬季空氣易干燥，近年來(lái)城市霧霾嚴(yán)重，人們更加需要一個(gè)濕潤(rùn)、舒適的休息、辦公場(chǎng)所，加濕器的作用不言而喻。傳統(tǒng)加濕器只能在開(kāi)啟時(shí)實(shí)現(xiàn)單一的加濕效果，不能依據(jù)使用者的個(gè)人喜好或接受程度合理調(diào)整室內(nèi)濕度，且無(wú)法自主化智能化調(diào)控室內(nèi)環(huán)境。筆者設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)感知室內(nèi)空氣濕度、自動(dòng)注水、自動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)及模糊PID智能處理信息等以達(dá)到實(shí)現(xiàn)智能濕度調(diào)節(jié)的加濕器，滿足不同人群對(duì)不同環(huán)境的需求。

本文的設(shè)計(jì)理念在于由傳感器對(duì)室內(nèi)濕度、溫度感知，通過(guò)單片機(jī)運(yùn)算并顯示，與客戶需求進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)濕度過(guò)低時(shí)，啟動(dòng)加濕模塊；當(dāng)濕度過(guò)高時(shí)，啟動(dòng)通風(fēng)模塊加速空氣流通，促使?jié)穸冉档停瑢?shí)現(xiàn)濕度的閉環(huán)調(diào)節(jié)。通過(guò)加濕與通風(fēng)，亦可達(dá)到控制溫度的效果。

加濕器持續(xù)工作消耗水分大，用戶稍不注意便易發(fā)生“干燒”、加濕無(wú)果等結(jié)果。對(duì)此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中加入了水位監(jiān)測(cè)，當(dāng)水位落至一定數(shù)值時(shí)，控制水閥予以補(bǔ)水。

我們主要通過(guò)PID算法對(duì)濕度及溫度進(jìn)行控制，以達(dá)到系統(tǒng)的部分智能化。

2智能濕度調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計(jì)

智能濕度調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成如圖1所示。包括STC12C5A60S2單片機(jī)、濕度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、水位傳感器模塊、數(shù)碼管顯示模塊、超聲波高頻振蕩器、換氣扇模塊、加熱模塊及電磁閥模塊。

STC12C5A60S2單片機(jī)的P1-6 P1-710口監(jiān)測(cè)2個(gè)水位傳感器的狀態(tài)；P2- P2-4 10口分別監(jiān)測(cè)5個(gè)溫度傳感器的數(shù)據(jù)；P0-0-PO-3 10口分別控制加濕、通風(fēng)、加熱和電磁閥模塊。

2.1濕度傳感器模塊

如圖2，Hs1101濕度傳感器是電容類的傳感器。在不同的濕度下，555多諧振蕩器產(chǎn)生不同頻率的矩形波信號(hào)。將555的引腳3與單片機(jī)的P3.5口連接，用來(lái)采集信號(hào)的變化，在單片機(jī)中用計(jì)數(shù)器檢測(cè)一定時(shí)間段的信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算處理，并通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。

2.2數(shù)碼管顯示模塊

為了最大程度地節(jié)省單片機(jī)的I/0資源，在數(shù)碼管和單片機(jī)之間插入SN74H595串入并出芯片。所使用的數(shù)碼管為共陽(yáng)數(shù)碼管，陽(yáng)極處接入N溝道增強(qiáng)型MOs管，用于I/0口電流的放大。數(shù)碼管顯示模塊如圖3。

水位傳感器模塊。在最低水位和最高水位處分別安置傳感器，當(dāng)水位信號(hào)均正常時(shí)加濕器工作；當(dāng)?shù)退粋鞲衅麟娖疆惓Ｇ腋唠娝粋鞲衅麟娖秸r(shí)打開(kāi)電磁閥為蓄水箱加水；當(dāng)高水位傳感器電平異常且低水位傳感器電平正常時(shí)蓄水完成，關(guān)閉電磁閥。

溫度傳感器模塊。溫度傳感器以5個(gè)DS18820為核心，將DS18820所監(jiān)測(cè)溫度的均值作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行模糊PID算法處理，最終控制硬件模塊運(yùn)行相應(yīng)動(dòng)作。

超聲波高頻振蕩器。考慮到成本與實(shí)現(xiàn)的方便性，選擇了高頻超聲波加濕器——霧化片作為核心加濕部分。霧化片是超聲波霧化器利用高頻振蕩，通過(guò)陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散從而產(chǎn)生自然飄逸的水霧。

電磁閥模塊。將電磁閥固定連接在一個(gè)水龍頭上，單片機(jī)處理水位信息，實(shí)時(shí)對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)蓄水箱內(nèi)的水位保障，為加濕器智能化工作提供了必要條件。

換氣扇模塊。由最簡(jiǎn)單的換氣扇經(jīng)可控硅連接在單片機(jī)上加以控制。為環(huán)境的維持提供有效作用。

3智能濕度調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)

智能濕度調(diào)節(jié)器的程序流程如圖4所示。單片機(jī)上電后系統(tǒng)初始化，優(yōu)先判斷一次是否更改設(shè)定值并做出應(yīng)有動(dòng)作。之后循環(huán)：讀取溫度、濕度、水位傳感器的數(shù)據(jù)，并將所得數(shù)據(jù)與設(shè)定值對(duì)比，做出合理的判斷，最終控制硬件模塊做出相應(yīng)的響應(yīng)。

室內(nèi)空氣濕度的慣性較大，使用不完全微分PID算法可以提高除濕控制的響應(yīng)速度，同時(shí)減小系統(tǒng)瞬時(shí)偏差對(duì)系統(tǒng)的沖擊。

溫度模糊PID控制算法。對(duì)溫度與設(shè)定值的偏差、偏差變化率進(jìn)行模糊化、然后進(jìn)行模糊推理、去模糊化及加熱控制輸出，使極易受環(huán)境干擾影響的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

4智能室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)器的實(shí)驗(yàn)效果

室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)制作完成后，我們于冬季在10㎡的房間內(nèi)搭建簡(jiǎn)易的工作環(huán)境并進(jìn)行了3天的實(shí)踐測(cè)試。濕度傳感器最初檢測(cè)到的空氣濕度為38.5%，溫度為1.0℃，經(jīng)半小時(shí)加濕后濕度達(dá)設(shè)定值80%，溫度達(dá)設(shè)定值22℃。之后將產(chǎn)品持續(xù)開(kāi)啟達(dá)3天之久，多次檢測(cè)后平均濕度均為81.9%、平均溫度為23.1℃，未曾出現(xiàn)水箱缺水而導(dǎo)致的“干燒”等不良現(xiàn)象，且室內(nèi)環(huán)境溫暖濕潤(rùn)。其間系統(tǒng)運(yùn)作均由單片機(jī)控制，可見(jiàn)本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能穩(wěn)定且可靠的工作并且可以保持舒適環(huán)境。