智能加濕器設計

葛亞齊 劉建粉

摘 要

基于智能家居理念，設計了一款基于STC89C52單片機的智能加濕器。智能加濕器有兩種模式，自動模式下通過傳感器采集周圍溫濕度數據并根據預先設置的濕度閾值自動調節工作狀態;手動模式下通過手機APP查看溫濕度信息并遠程控制加濕器工作狀態。該加濕器具備濕度閾值設置、自調節噴霧大小、防干燒、自啟停及實時顯示溫濕度等功能，使用便利，能提高人們的生活舒適度。

關鍵詞

智能加濕器;單片機;傳感器;WiFi;Android

中圖分類號： TM925.1;TP368.1;TP212 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.035

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對室內環境舒適度的要求也提出了更高要求，良好的室內環境不僅有助人體健康，同時也能給工作生活帶來愉快的心情[1]。加濕器的使用可以有效改變空氣濕度，給人們提供舒適的環境。

參考市面的加濕器，并對其進行升級改造。利用DHT11采集溫濕度并通過LCD1602顯示，設置按鍵來控制環境濕度閾值并實現智能加濕，手機APP通過ESP8266WiFi可以查看溫濕度信息并控制加濕器的運行和停止，防干燒功能使系統更安全可靠。

1 工作原理

根據用戶需求分析，設計的智能加濕器應滿足以下要求：采集周圍環境的溫濕度并實時顯示;按鍵設置濕度閾值，在閾值范圍內實現自動加濕或停止;通過開發的手機APP可以查看溫濕度，并可控制加濕器的工作或停止;當加濕器即將發生干燒時，加濕器停止工作。為實現上述要求。本次選用搭載了STC89C52芯片的BST-M51開發板，DHT11作為溫濕度采集模塊，LCD1602液晶屏為顯示模塊，按鍵為設置模塊，選用1路5v繼電器作為驅動模塊，ESP8266-01s作用手機與單片機之間的通信模塊。具體結構如圖1所示。

在系統流程中可以看出，Android ?APP終端和STC主控芯片作為客戶端，依靠WiFi模塊服務端進行互相通信。STC主控芯片檢測溫濕度發送給APP顯示;APP發送數據控制繼電器開關;STC單片機控制LCD顯示溫濕度并通過按鍵掃描控制繼電器工作。

2 硬件設計

2.1 STC89C52主控芯片

STC89C52芯片包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數據存儲器（SRAM），定時/計數器、UART串口、I/O接口、EEPROM 、看門狗等模塊，是一款功能強大的系統芯片[2]。STC 89C52芯片采用5v供電，在XTAL1和XTAL2引腳兩端跨接頻率為11.0592MHz的晶振作為時鐘電路。

為了使本次設計占用空間小且集成程度高，故本系統選擇了搭載STC89C52芯片的BST-M51主板，該主板集成了按鍵、燈光、通信接口、LCD顯示屏接口以及多種電壓的接口，模塊定義IO口即可使用。P3.0和P3.1作為通信接口連接ESP8266WiFi。P1作為LED燈的IO口，P2.2連接DHT11傳感器，P2.1連接繼電器模塊。

2.2 溫濕度采集模塊

環境溫濕度采集使用DHT11溫濕度傳感器。這是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，自帶模數轉換芯片，可以同時采集溫度和濕度。讀出溫濕度數據在進行校驗后可以進行使用，具有精度高、可靠性高的特點。使用時將DATA口接入單片機，5v供電即可。

2.3 顯示模塊

溫濕度信息顯示采用液晶屏LCD1602實現。LCD1602是一款藍屏、帶背光白字體的顯示屏，是專門用來顯示字母、數字元、符號等的點陣型液晶顯示模塊。采用標準的16位引腳，通過RS、R/W和E端的電平控制實現數據的讀操作和寫操作。

2.4 繼電器控制模塊

本次采用1路5v繼電器控制電路通斷，繼電器最大的特點是可以通過很小的電流來控制大電流的通斷，一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。輸入端有DC+、DC-和IN三個接口，輸出端有NO、COM、NC三個接口。由于單片機IO口電流很小，所以選擇低電平觸發方式，輸入端用單片機來控制，輸出端用來控制加濕器。

2.5 WiFi通信模塊

本系統通信模塊為ESP8266-01sWiFi模塊。該模塊共有8個引腳，3種工作模式，分別是AP模式、station模式以及混合模式。WiFi模塊包含基礎網（Infra）和自組網（Adhoc）兩種類型的拓撲[3]。本次設計主要使用AP模式。AP 是一個無線網絡的創建者，是網絡的中心節點。將WiFi模塊作為服務器，單片機和手機作為客戶端，連接WiFi模塊進行相互通信。WiFi通信屬于串口通信，所以直接將ESP8266與單片機直連，VCC連接3.3V電源接口，GND與單片機共地，TX-RX，RX-TX，CH-PO置高，連接3.3V電源。通過單片機向芯片寫入AT命令進行WiFi配置，然后開啟系統中斷，接收WiFi模塊發來的數據進行分析處理，判斷數據命令執行相應的操作。

3 軟件實現

3.1 溫濕度采集實現

溫濕度的采集分為3個步驟。第一步：主機先發送開始信號，等待1S的延時后，從機會返回一個相應信號進行應答。第二步：主機信號線拉高準備接收數據。第三部：開始接收數據（一次接收40位）。最后，主機信號拉低讀取結束，開始校驗數據。在接收的40位數據中，前16位與濕度相關，中間16位與溫度相關，最后8位是校驗位，只有校驗成功后才能得到準確的數值。校驗成功把接收到的溫濕度數據按位拆分，方便顯示和發送。

3.2 溫濕度及閾值顯示

當溫濕度讀取成功后，將數據顯示在LCD1602上。經過測試，LCD1602每一行最多可顯示16個字符，最多顯示兩行。于是我們將LCD的顯示操作專門寫為函數，按照數組的方式按位寫入顯示屏上。例如顯示濕度值在第一行直接調用lcd1602_ char（1，7，dat_r[0]）;lcd1602_char（1，8，dat_r[1]）;dat_r[0]和dat_r[1]分別為濕度的十位與個位，方便使用和查看。

3.3 智能加濕實現

智能加濕功能是通過DHT11采集的濕度與按鍵設置的濕度閾值來對比。初始化閾值為68，按下按鍵K2閾值加1，按下按鍵K3閾值減1。當室內濕度低于閾值時繼電器控制加濕器工作，濕度高于濕度閾值加濕器停止工作。將功能函數放入主函數循環中可以實現智能加濕。

3.4 WiFi通信實現

本次WiFi使用的AP模式，在使用之前要進行一系列AT指令配置以符合單片機使用要求。WiFi通信屬于串口通信，通信中數據的收發都是通過中斷的方式來實現的。在串口初始化后，單片機通過系統中斷一位一位接收和發送數據，將接受的消息全部存入數組Recive_table[]中，經過對WiFi模塊的調試發現，WiFi發送信息的格式為+IPD，x，y：+所發數據，即數組第10位也就是Recive_table[9]為客戶端發送數據，當Recive_ table[9]數據為0時繼電器低電平被觸發，Recive_table[9]數據為1時繼電器高電平關閉。

3.5 Android終端實現

Android終端主要任務是與單片機進行通信。當兩個網絡程序需要通信時，它們可以通過使用Socket類建立套接字連接。在客戶端使用Socket類建立指定服務器IP和端口號連接的套接字，構造方法為Socket（host_IP，port）。由于Socket對象可能發生IOException異常，因此在建立Socket對象時要使用try-catch結構處理異常[4]。

Socket對象建立完成后發送數據控制加濕器，接收單片機發來的溫濕度數據。其中按鍵監聽和彈窗顯示是在主線程中完成，建立socket連接和收發數據都是在子線程中完成。

Android的發送數據是使用Socket中的getOutputStream方法，通過WiFi分配的ip和端口建立socket連接，客戶端的Socket對象上的getOutputStream方法得到的輸出流，其實就是發送給服務器端的數據。新建一個打印輸出流，使用print（數據）和flush（）方法將數據發到服務端。

Android的接收溫濕度是使用Socket中的getInputStream方法，和getOutputStream類似，使用getInputStream方法得到輸入流其實就是從服務器端（ESP8266）發回的溫濕度數據，將數據讀出來使用控件TextView的setText（）方法顯示溫濕度。具體流程如圖2所示。

4 結論

智能加濕器以STC89C52單片機作為主控芯片，通過傳感器和控制算法，顯示環境溫濕度并可以根據濕度自動調節實現智能加濕。Android開發的APP終端可以通過ESP8266WiFi模塊和單片機雙向通信，既可以控制加濕器開關也可以接收環境溫濕度，滿足人們生活方便舒適需要。

參考文獻

[1]袁萌，王彥淞.室內空氣溫濕度對人體熱舒適性影響的實驗研究[J].建筑節能，2014（8）：17-20.

[2]陳大新.單片機應用技術[J].C51，2014，20（1）：30-35.

[3]紅心物聯科技.物聯網WiFi模塊工作的STA和AP模式詳細介紹[EB/OL]. http：//www.hx-wulian.com/archives/239， 2014-04-23.

[4]張思民.Android應用程序設計[M].北京：清華大學出版社，2018.