基于單片機的智能型液體電蚊香控制系統設計

劉澤宇 徐燁楓 齊斌

摘 要：本文以單片機為基礎，設計了一款智能型液體電蚊香控制系統。系統采用STC系列單片機作為主控制器，實現其濃度調節、自主定時、強制關停的功能;通過改變發熱元件的功率來調節液體電蚊香藥液的揮發濃度;通過DS1302時鐘芯片計時實現液體電蚊香的定時功能。其中，定時功能包括自主定時關停及強制定時關停。在未啟動自主定時狀態下，按鍵動作累計時間超過設定值12 h，強制定時關停程序運行，使整個系統自動斷電。

關鍵詞：智能液體電蚊香;單片機;藥液揮發濃度;智能關停

中圖分類號：TM925.92 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0021-04

Abstract： Based on the single-chip microcomputer， this paper designed an intelligent liquid electric mosquito coil control system. The system uses STC series single-chip microcomputer as the main controller to realize the functions of concentration adjustment， independent timing， and forced shutdown; the volatilization concentration of the liquid electric mosquito-repellent incense is adjusted by changing the power of the heating element; the timing function of the liquid electric mosquito coil is realized through the timing of the DS1302 clock chip. Among them， the timing function includes autonomous timing shutdown and mandatory timing shutdown. In the state of not starting the autonomous timing， the cumulative time of the button action exceeds the set value for 12 hours， and the program is forced to shut down the program running regularly， so that the entire system is automatically powered off.

Keywords： smart liquid electric mosquito coil;single chip microcomputer;volatile concentration of liquid medicine;intelligent shutdown

據統計，液體電蚊香產品占驅蚊產品（包括液體電蚊香、電蚊香片、盤式蚊香和花露水等）市場份額的30%，足見使用液體電蚊香產品驅蚊深受廣大群眾喜愛。但是，液體電蚊香產品在實際使用過程中存在一定的不足，主要體現在兩方面：一是液體電蚊香產品只具有單一揮灑濃度，無法區別對待不同地區蚊蟲的耐受藥液程度，對于某地區耐藥性低的蚊蟲，揮灑藥液濃度可能過量，造成浪費，而對于某地區耐藥性高的蚊蟲，揮灑藥液濃度可能過低，達不到驅蚊效果。二是現有液體電蚊香產品僅能通過人工通斷電方式實現液體電蚊香的啟停功能，很多家庭使用后經常會忘記關停液體電蚊香，造成浪費和用電安全隱患[1]。

基于上述認識，人們急需對液體電蚊香產品進行改進，以提高液體電蚊香的驅蚊效果，節約藥液使用量，保證安全用電。

1 工作原理概述

智能液體電蚊香需要實現濃度自由調節、自主定時和強制關停功能。下面分析具體工作原理。

一是利用單片機的不同引腳，設計溫度調節電路。系統通過控制晶體二極管觸發導通以及電阻大小控制電壓，進而得到三種揮灑濃度所需的溫度，并使用單片機控制顯示“高”“中”“低”擋位的LED燈發光。晶體二極管作為電壓控制元件，功耗低且性能比較穩定，方便改變電壓來調節PTC加熱器的加熱方式。二是采用DS1302時鐘芯片，對年、月、日、周、時、分和秒進行計時。用戶可根據周圍環境自主設定時間，通過按鍵1與按鍵2實現小時的增減，通過按鍵3與按鍵4實現分鐘的增減。累計時間達到自主設定值時，系統會自動斷電。三是為了確保在未啟動自主定時狀態下的安全，設定最大使用時間12 h，當檢測到按鍵動作后的計時超過12 h，系統將會強制斷電。

2 系統電路設計與分析

智能液體電蚊香的電路系統主要由電源電路、最小電路、時鐘電路、繼電器驅動電路和溫度調節電路組成，總體框圖如圖1所示。

2.1 電源電路

如圖2所示，電源電路主要由整流濾波電路和串聯穩壓電路組成，經過降壓—整流—濾波—穩壓，將電路輸入的220 V交流電轉換為約5 V的直流電。先通過變壓器降壓，再通過4個二極管組成的單相橋式整流電路，將正弦交流電壓[Ui]轉換成單相直流脈動電壓[Uo];由于[Uo]仍為周期性變化電壓，含有直流與各種頻率的交流成分，人們需要采用電容濾波電路濾除脈動直流中的交流成分，增加直流成分;最后接入LM7805三端穩壓器以及兩個電容C3、C4，對整流后的直流電壓進一步進行穩定。

2.2 最小電路

該系統采用的是STC89C51單片機，其內部主要有中央處理器（CPU）、振蕩電路、總線控制、中斷控制、Flash存儲器、內部存儲器（RAM）、并行I/O接口、定時器和串行I/O接口。最小電路由STC89C51單片機、電源電路、時鐘電路和復位電路組成[2]。STC89C51單片機的工作電壓范圍為4.0～5.5 V，電源電路給單片機供5 V直流電;時鐘電路向單片機提供一個正弦波信號，其晶振頻率設定為12 MHz;復位電路產生復位信號，高電平有效，采用混合復位電路連接，將上電復位電路和手動復位電路結合。

2.3 時鐘電路

時鐘電路采用的是DS1302時鐘芯片，實現數據的記錄;由于單片機計時，不僅要占用硬件資源，還要設置中斷，步驟煩瑣，所以不采用單片機計時。DS1302時鐘芯片工作時采用SPI總線驅動方式，必須外接時鐘振蕩電路，X1與X2外接36 728 Hz晶振;為芯片提供時鐘脈沖。VCC1作為主電源，VCC2作為備用電源，給DS1302供電。RST為復位信號，低電平有效;SCLK為串行時鐘引腳，I/O為串行數據引腳，三者皆受單片機所控制，電路如圖3所示。

2.4 繼電器驅動電路

繼電器在電路中有自動調節、安全保護、轉換電路的作用。鑒于單片機I/O口不能直接接入220 V的交流電，因此采用繼電器的控制方式（見圖4），將強電控制轉化為弱電控制。系統利用PNP型三極管的電流放大作用，通過電阻將其轉變為電壓放大作用。也就是說，控制電路采用PNP型三極管作為驅動，若單片機端口輸出低電平，則三極管Q1發射結正偏，集電結反偏，繼電器線圈得電，常開閉合，常閉斷開。

2.5 溫度調節電路

本研究利用PTC加熱器熱阻小、熱轉換率高、安全性能好的優勢，設計溫度調節電路。加熱器由PTC陶瓷發熱元件與鋁管組成，采用U形波紋狀散熱片，在內部溫度過高、PTC加熱器得不到充分散熱的情況下，其功率會自動急速下降，使表面溫度維持在居里溫度左右，具有恒溫作用。

由于加熱元件工作電壓為220 V，而單片機無法提供超過5 V的電壓，所以本設計采用繼電器間接控制，選用STC89C51單片機的三個引腳分別控制三個不同的繼電器KM1、KM2、KM3，從而間接控制液體電蚊香三種不同的工作模式。電路圖如圖5所示。低濃度模式下，線圈KM1得電，KM1常開觸點閉合，KM1常閉觸點斷開;利用晶體二極管的單向導通特性，使加熱器加熱溫度下降（R1在電路中起限流作用）;正常模式下，KM2線圈得電，通過電阻R2、電阻R3與加熱元件串聯;高濃度模式下，KM3線圈得電，電源通過R2與加熱元件串聯。

3 原理數值分析

本研究通過試驗測定獲得揮發芯棒上端不同溫度下的液體電蚊香揮灑濃度數據。查閱液體電蚊香驅蚊成分濃度的上、下界限，設計人員擬確定“高”“中”“低”三種有效揮灑濃度值。本設計根據“高”“中”“低”三種有效揮灑濃度值，確定相應驅動PTC加熱器加熱的三種電壓;利用單片機的不同引腳，分別控制晶體二極管觸發導通以及電阻元件控制電壓，進而得到三種揮灑濃度;使用單片機控制顯示“高”“中”“低”擋位的LED燈發光。晶體二極管作為電壓控制元件，功耗低且性能比較穩定，方便改變電壓來調節PTC加熱器的加熱。

3.1 溫度參數

液體電蚊香加熱器內部，220 V電源一端通過一個電阻接到PTC陶瓷加熱片的一端，另一端回到電源。因采用PTC陶瓷加熱，其本身就有恒溫作用，所以此處暫不考慮溫度補償。系統利用電阻產生的熱量，通過熱傳遞裝置將其熱量傳到電加熱器的導熱板上，導熱板的溫度隨著電阻的溫度變化，自動進行調節，使其發熱溫度控制在160～170 ℃。

3.2 揮發濃度參數

液體電蚊香主要成分為菊酯化合物[3]，參考右旋丙炔菊酯（ETOC）和SR-生物丙烯菊酯（EBT）的發揮率以及生物效果測定結果，在保證液體電蚊香驅蚊效果的情況下，其ETOC理想發揮率不小于0.57 mg/h，EBT理想發揮率不小于1.22 mg/h（此處暫不考慮溶液由多種原料復配所帶來的影響）。

對于一瓶45 mL的液體電蚊香，若每天通電6～10 h，則可以使用45 d;若每天24 h不間斷使用，則可以使用15～20 d。液體電蚊香儲液瓶示意圖如圖6所示，其小時數應處于區間[（μ-σ，μ+σ）]內，其中，[μ]、[σ]用式（1）和式（2）表示，經計算，其可用時間為（390±83.516）h。

根據理想發揮率，人們可以近似得出不同組分的揮發濃度[c]（g/mL）。對于一瓶45 mL的液體電蚊香來說，ETOC揮發濃度處于區間（3.89×10-3，5.99×10-3）內，EBT揮發濃度處于區間（8.309×10-3，12.837×10-3）內。

由于液體電蚊香的揮發通過揮發芯棒來實現，在被加熱使用后，藥液沿揮發芯棒上升的流動速率變大，揮發芯棒受熱部位所吸附藥液的濃度也就越高，但實際的揮發濃度要小于流入揮發芯棒的藥液有效成分濃度值。假設累計已揮發掉[V]（mL）藥液，未被揮發芯棒吸附、可自由流動藥液的有效成分的量為[m]（g），被揮發芯棒吸附、無法自由流動藥液的有效成分的量為[W]（g），其中[m]與[W]的比值為常數[k];流入揮發芯棒的藥液有效成分濃度為[c1]（g/mL），流出揮發芯棒的藥液有效成分濃度為[c2]（g/mL），則可以得到以下公式：

對于該揮發芯棒而言，只有當[V]足夠大時，[c1-c2]的值才可忽略不計，即在藥液被加熱足夠長的時間后，流入和流出芯棒藥液的有效成分的濃度差才近似相等。啟動階段，[c1-c2]的值較大，為保證其揮發濃度符合濃度區間，人們要保證濃度取值偏大一些。已知ETOC的密度為1.084 g/mL，EBT的密度為1.05 g/mL，經計算，ETOC的濃度為0.359%～0.553%，EBT的濃度為0.791%～1.223%，而市面上的液體電蚊香濃度一般保持在0.62%～1.24%，人體最適宜的濃度為0.8%左右。由于理論揮發濃度數值區間應為實際發揮濃度數值區間的子區間，因此本研究確定，“高”“中”“低”三種濃度值分別為0.62%～0.69%、0.70%～0.89%和0.90%～1.10%。其間，揮發濃度與溫度的關系可近似等效為線性關系。

4 結論

本文設計的智能型液體電蚊香控制系統可以根據外部環境條件（通風、溫度、空間等），選擇不同的加熱溫度，利用不同的揮發濃度，有效地實現驅、滅蚊的作用。人們可以預設智能液體電蚊香的工作時間，當達到預設值時，系統自動斷電，減小液體藥物揮發而產生的氣體危害。影響揮發濃度預估值的因素較多，除了溶液本身，還有揮發芯棒的孔隙率，它會隨加熱時間的增加而降低，實際的揮發濃度不可準確監測。但是，理論揮發濃度數值區間為實際發揮濃度數值區間的子區間。所以，本文根據市面上電熱蚊香的發熱元件功率（4.5～6.0 W）和發熱溫度（130～165 ℃）來確定揮發溫度與電壓。目前，越來越多的人認識到電蚊香加熱器在智能啟停上的不足以及蚊蟲活動規律的間歇性，提出定時或間歇使用液體電蚊香，這樣既能達到驅蚊目的，又可節約電能和驅蚊藥。目前，實現電蚊香加熱器智能啟停的技術主要有紅外線感應[4]、藍牙通信[5]、單片機定時中斷等，其中，單片機處理方式具有成本低、穩定可靠的優點。

參考文獻：

[1]白露.防蚊還需防火[N].西藏日報，2018-07-06（7）.

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[4]曾艷玲.一種紅外感應蚊香液加熱器的設計[J].機械工程與自動化，2020（5）：85.

[5]黃倩.電蚊香智能插座設計[J].科技資訊，2016（24）：15-16.