基于單片機技術的智能速熱殺菌烘干器設計

張晨曦，楊雪強，徐浩然，張鵬舉，楊松濤

（黑龍江科技大學 黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引言

烘干器是一種用途非常廣泛的生產、生活工具，常用于日常生活中的干手、干鞋以及廚房用品的烘干消毒。除此，食品谷物生產行業、工件加工行業、公共場所以及居家生活都離不開烘干器。現有常見的烘干器存在結構復雜、元件較多、輻射較強、功耗高、效果較差、效果單一、后期維修任務大等問題[1]。本系統采用單片機集成控制，減少部分元器件，降低電路復雜程度，使后期的維修難度也大大降低。考慮疫情防控的要求和日常生活中干手、干鞋、廚具烘干消毒的需求，本文采用石墨烯加熱模塊既能實現提高烘干器的效率又可以殺菌消毒。采用檢測模塊、單片機STC12C5A60S2控制系統、藍牙顯示和按鍵模塊，完成高效節能自助式的烘干任務[2]。因此，在疫情時代的大背景下，這款高效節能、殺菌、操作簡單、烘干效果顯著的烘干器顯得尤為重要。

1 智能速熱殺菌烘干器總體設計結構

本系統總體設計主要是通過溫、濕度檢測模塊采集外部環境的主要參數，再經過STC12C5A60S2主控系統完成對溫度、濕度等數據的處理整合與分析，并通過LCD顯示模塊實時顯示。同時，用戶可以根據實際需求通過按鍵模塊更改石墨烯加熱模塊的功率[3]，從而改變溫度、濕度的設定值，利用石墨烯材料的特性自動高效地完成殺菌任務。通過軟件編程，當溫度達到設定的上限值后，系統會自動控制，使溫度恒定不變，避免多種安全隱患的發生。為提升用戶體驗感，系統通過藍牙傳輸技術連接手機和單片機，利用單片機對手機上傳輸的信息進行分析運算，將包括溫濕度在內的各種狀態信息上傳至手機，用戶可以通過軟件控制工作時長以及系統的運行和停止，實現便攜式監測和人機交互功能[4]。系統總體設計框圖見圖1。

繼電器與電機模塊：繼電器是一種能夠實現自動開關且具有分隔功能的電控制元件，其具有高級輸入回路和高級被輸出回路。本系統采用電磁式繼電器，與單片機P2.4端口連接，除此以外，根據結構特征或工作原理一般還可以分為感應式、電子式、高頻式以及電動式繼電器等。它可以增大整個電路的作用范圍，通過用小電流控制大電流的方式，以達到控制大功率電路的目的。在控制電路中，三極管往往是電子電路的核心部件，其可以控制繼電器銜點的閉合與斷開，從而控制電機運轉。當激勵量的變化達到一定限度時，被控量發生既定的階躍變化，工作狀態改變，避免意外發生。故在電路中可以起到調節電路、安全保護及電路轉換等作用。

檢測模塊：溫濕度檢測模塊采用DHT11，溫度測量范圍在-20～+55 ℃，精度為±2 ℃，濕度測量范圍在5%RH～90%RH，精度為±5%RH，供電電壓為3.3～3.5 V，輸出為單總線數字信號，該模塊具有響應快、功耗低、抗干擾能力強及性價比高的優點，同時，利用專用的溫濕度傳感及數字模塊采集技術，能夠保證產品具有極高可靠性和長期穩定性。

藍牙模塊：本系統采用的是一款高性能，且能夠在主機與從機模式間自主切換的主從一體式HC05藍牙模塊，見圖2。其所支持的標準波特率和控制波特率范圍廣，默認值一般為115 200 bit/s，同時也支持SPP藍牙串口協議，無需MAX232協議，可以與各種類型的單片機直接連接。其接口電平為3.3～3.6 V。該系統具有性價比高、占用空間小、功耗低、反應靈敏等諸多優點。

顯示模塊：本設計采用的是LCD1602點陣型液晶顯示器。其是一種較為常用的工業字符型液晶顯示模塊，主體主要由控制驅動主電路、擴展驅動電路、字符型液晶顯示屏組成，并與少量電容、電阻元件等共同裝配在PCB板上而成，具有功耗低、體積小、重量輕及性價比高等優勢。

2 主要硬件電路原理設計

圖3為系統硬件電路圖，當開關閉合，電源電路供電后，系統整體開始運行，檢測模塊是通過溫濕度傳感器監測環境溫濕度變化，與單片機P1.0端口連接，當環境溫度在-20 ℃～55 ℃之間，濕度在5%RH～90%RH之間時，檢測模塊通過V/I轉換為電流信號傳遞給主控制器，并實時顯示在1602LCD屏上。與此同時，P2.3端口連接的石墨烯加熱模塊與P2.4端口連接的電機模塊也通電正常運行，吹出熱風，達到干燥物體的基本目標，用戶可以根據自身需求通過按鍵電路調控溫度。HC05藍牙模塊與RXD、TXD串口連接，用戶使用軟件下達的指令通過串口傳遞給單片機，單片機對接收到的指令進行運算與處理，實現用戶與單片機的遠程通信。系統的程序是通過下載程序電路與RXD、TXD串口相連，然后下載到STC12C5A60S2單片機中。當在使用過程中系統出現不穩定狀態時，用戶可通過復位按鍵對系統完成初始化。

2.1 主控制電路

為了實現高效率、低能耗、低成本的自動有效控制目標，本設計采用STC12C5A60S2系列單片機作為烘干器的主控制器。其是新一代8051單片機，與普通8051相比較，響應速度更快，可以滿足絕大多數設備對控制條件的要求，極大地縮短開發時間。另外，可以根據客戶需求加密程序，且指令代碼與普通的8051單片機也完全兼容。片內含有大量的基于FLASH工藝的程序存儲器，STC12C5A60S2單片機具有超高的數據處理與數據運算能力，對系統下達的運算指令能高效分析，實現數據的高速化處理[5]。

2.2 時鐘電路和復位電路設計

圖4為時鐘電路，其與XTAL1與XTAL2兩個引腳相連接，主要用來調控烘干計時的時間變化和溫度變化，單片機必須要在時鐘電路的驅動下才能正常工作。其工作原理是通過外接一個振蕩器（本設計采用石英晶體振蕩器），使其產生具有特定頻率的時鐘信號，并將時鐘信號送到單片機內部各單元，用來控制單片機內部各個單元的協調工作，以此提高單片機的工作效率。本設計中電容C24、C25的作用是調控振蕩器頻率以及輔助振蕩器起振。晶振的頻率一般取值為12 MHz，用來保證一定的脈沖寬度。中央處理器中不同的功能指令主要就是依靠繁復的時鐘電路完成[6]。

圖5為復位電路，與單片機P4.7/RST引腳連接，主要完成系統初始化，其基本功能是使電路恢復到最開始的狀態，并保證單片機系統在電路運行中的穩定性和可靠性，在系統電路通電后能夠提供復位信號，從而使系統電源趨于穩定。并且，當系統處于不穩定狀態時，還可通過復位按鍵使整個系統處于穩定狀態，故復位電路還可用于系統的修復。此外，為防止電源開關在閉合或斷開的過程中產生不利的抖動，從而影響復位效果，因而一般在電源信號穩定后還需加上特定的延時處理才可撤銷復位信號。

2.3 石墨烯加熱模塊設計

考慮傳統烘干器大都是采用PTC熱敏電阻加熱和電熱絲加熱，首先對于電熱絲加熱裝置來說，風溫上升雖快，但風溫高，風溫恒定性差，容易對手部或烘干物灼傷，且功率大耗電多。其次，對于PTC加熱裝置來說，其發熱功率隨著環境溫度呈負相關變化，溫度恒定性好，但溫度上升較慢，綜合對上述兩種加熱模塊性能的比較分析，從而本設計采用新型石墨烯材料加熱，該模塊與單片機P2.3端口連接。其充分利用石墨烯的高導熱、高電熱轉化能力及電阻的易控制性，不僅能夠充分利用電能，達到速熱以及通過石墨烯發熱時輻射的遠紅外線對手部烘干殺菌的效果，而且也完全符合現代化新型產品具備的節能性、高效性和安全環保性的要求。此外，用戶也可根據自身實際需求通過按鍵模塊調節加熱溫度。當系統開關打開后，加熱模塊和電機模塊開始運行，利用編程使按鍵延時去抖，避免出現按鍵不靈敏的情況。

3 軟件程序

系統編程采用的是模塊化設計，根據不同模塊的功能將程序分別編程，然后再進行整合，大大降低程序之間的干擾，便于系統仿真測試與程序改進[7]。系統通過對溫濕度傳感器及按鍵模塊完成數據的收集，并將數據傳遞給單片機，利用單片機主控制系統對數據整合處理，自動控制系統各部分元件正常運行，從而設計出能實現智能速熱殺菌的烘干器系統，見圖6。

用戶可以利用按鍵模塊調整溫濕度的設定值，自主靈活地控制系統。系統通過對溫度的高低檢測，溫度過高時，電機正常運行，加熱模塊功率恒定，溫度保持穩定不變，既能滿足烘干器的實際需求，又可以避免發生安全問題。藍牙模塊可以將主控系統與手機APP連接，實現遠距離控制，方便用戶使用，也便于人們掌握烘干器的實際情況。

4 結語

該烘干器采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，結合檢測模塊、藍牙模塊、顯示模塊及石墨烯加熱模塊等，結合社會背景，使烘干器智能化，其與傳統烘干器相比具有以下優點。（1）系統集成化程度較高，操作簡單方便，可進行遠、近距離控制，運行相較穩定；（2）利用石墨烯發熱過程中輻射的遠紅外線的抑菌殺菌功能、電熱轉化率高和升溫迅速且發熱均勻等特點，可以降低能耗，提升經濟性、實用性和安全性；（3）智能化優勢明顯，在實現人機交互，提高工作效率的同時，用戶體驗感也顯著提升。