基于STM32的空气加湿器系统设计

朱宇轩,陈丽琼

(湖南科技学院 智能制造学院,湖南 永州 425199)

1 背景及意义

随着计算机科学与技术、通信技术方式、自动化控制等方面的发展,加湿器也由智能控制代替手动控制,逐渐变得更为自动、智能。此外,随着智能家居的兴起和发展,加湿器产品的类型也越来越多、造型更为炫目、产品类型也越来越细化。本文采用模拟单一的硬件控制电路,通过采集环境中的温湿度值,在预设好的温湿度阈值下让设备自动运行,做好环境中空气的监控与加湿,同时也要防止干烧,避免不必要的问题[1]。

2 加湿器总体设计原理

家用型智能加湿器的最初设计目的是为了实现用温湿度值与设定阈值的对比结果才控制加湿器的工作状态。具体表现为:将温湿度感应器采集到的数据送到MCU,MCU控制LCD屏显示采集到的温湿度数据,并把数据与预先设置的温湿度初始设置值进行比较,比较结果会控制继电器的吸合和释放,然后达到控制雾化片工作的状态;利用蓝牙的数据透传,可以设置温湿度的阈值,主控制端通过修改后的阈值与采集到的温湿度数据对比结果向继电器发送指令。通过蓝牙修改阈值的操作不会影响加湿器的正常工作[2]。

家用型加湿器系统的总体结构如图1所示,整个系统是由主控制端、上位机(手机)、温湿度采集感应器、LCD显示器、蓝牙接收器、蜂鸣器等模块构成;上位机与MCU的通信采用“主—从”的应答模式,其中上位机处于主模式的工作状态,MCU处于从模式的工作状态。主控制端对数据进行集中处理:接收温湿度数据,发送工作指令信息,接收蓝牙信息,控制LCD进行实时显示。继电器收到来自MCU的指令调整吸合和释放的状态,从而控制雾化片驱动器是否通电[3-4]。

图1 家用型加湿器系统的总体结构

3 加湿器系统硬件电路设计与实现

3.1 加湿器系统主控制模块硬件电路设计

加湿器系统主控制端模块采用STM32F407ZET6单片机为控制核心部件,这个模块主要包括STM32F407ZET6单片机以及其外围的电路、CC2541通信接口电路、USB转串口电路和电源电路。主控制模块主要是对系统数据的集中处理,发送控制指令等。

3.2 加湿器系统的温湿度模块硬件电路设计

DHT11感应器的数据传输只有一个data引脚,是一种单总线串行发送数据的方式,所以它的数据输入可以只由一根线完成。DHT11的data数据引脚连接STM32F407ZET6的PD6引脚,VDD接3.3 V的电源,GND接地。

3.3 加湿器系统的加湿模块硬件电路设计

雾化片的1引脚要与继电器相连,可以减少加湿模块的损伤。2引脚与NPN的一个引脚相连,NPN的基极连接MCU的IO口,集电极连接继电器的GND,发射极接加湿模块的2引脚再接地。

3.4 加湿器系统的显示模块硬件电路设计

LCD1602液晶屏的D0-D7引脚分别接到单片机的PB8-PB15引脚,VO,VDD,VSS引脚分别接到10K的两边,然后接地、接5 V电压;K引脚接地,A引脚接5 V电压。接10 K电位器是为了分压,调节LCD屏幕的对比率和亮度。

3.5 加湿器系统的蓝牙模块硬件电路设计

CC2541模块通过UART_TX,UART_RX串口连接到STM32F4xx的PA9,PA10;22,21,13,14引脚接地,11,12引脚连接电容反馈电路,模块通过异步串口串行通信方式透传信息。

4 加湿器系统软件程序设计与实现

根据家用型加湿器系统的设计原理、硬件电路设计以及系统设计的技术要求,本系统的软件层的设计采用的是C语言实现的模块化的设计思想,包含了主控制程序、蓝牙通信程序、加湿控制程序、报警模块程序、LCD显示程序。上位机的透传使用的是一款安卓4.0以上系统的蓝牙调试器App,CC2541蓝牙模块与单片机的通信模式采用“主—从”的数据透传工作模式,数据传输采用的是USART串口进行数据的透传,数据无须通过校验,波特率维持在9 600 bps,使用八位数据的传输。

主控制端对数据进行集中处理,采用while轮询的方式收集DHT11采集到温湿度信息,每次轮询得到的数据与阈值进行比较,比较的结果形成一个指令,这个指令被送往加湿模块和报警模块,加湿模块的继电器通过这个指令决定是开启继电器的吸合状态还是释放状态,同时将信息送往显示模块,LCD1602显示屏进行展示。

蓝牙通信程序采用串口中断的方式修改温湿度的阈值,期间不会影响其他模块的工作。

报警模块根据主控制端送来的指令,如果超过阈值,报警模块启动报警模式,蜂鸣器会响2 s。

5 测试

加湿系统的测试包括硬件电路测试、蓝牙透传无线通信测试、上位机测试、温湿度数据采集测试、显示数据测试和软硬件联合测试,硬件电路测试包括对硬件电路的焊接测试,确保电路板和元器件在焊接后不会短路、反接等。通过测试,该加湿器能正常运行。

6 结语

根据加湿器系统的总体设计方案和技术要求,本文提出了主控制模块、报警模块、温湿度采集模块、报警模块、显示模块等各模块的具体设计方案,各模块方案包括硬件电路设计和软件层设计。实物制作必须严格按照硬件电路图进行连线,以防造成反接,电路板焊接短路等意外情况。软件层的设计需要按照模块化设计思想,使用C语言在Keil开发平台实现设计,该加湿器实现了设计的所有功能。