基于STM32 单片机的空调智能除湿器设计与制作

张洪英，章安福，谭华纳

（广州市工贸技师学院，广东广州，510000）

0 引言

目前使用的空调绝大多具备了除湿功能，但是没有自带温湿度感应器，无法在关闭空调的情况下实时检测室内环境温湿度，也就无法进行温湿度的自动调节。如华南地区潮湿天气时，墙壁极其容易挂上水汽，如果不能及时进行除湿处理，容易造成墙体发霉脱落、墙体裂痕等严重后果。而目前的除湿处理方法有以下三种：

（1）放置除湿剂、石灰包，能达到除湿的面积小于2平米，且要时常更换。

（2）购买专用的除湿器，一般的品牌除湿器要上千元费用，需要专门的放置地方，同时还需要人工倒水。

（3）手动开启空调的除湿功能，当用户不在家时，湿度升高，将无法及时开启空调的除湿功能进行除湿，影响用户体验。

市场上除湿效果好的除湿器要么价格高、需要安装，操作不便，要么无法及时响应对室内湿度进行调整。因此，要解决上述的问题需要提供一种空调的温湿度自动控制的装置以及控制方法，该装置能自主开启或关闭空调并且能开启或关闭除湿功能。

1 系统整体设计

本系统组成可以概括为环境检测和终端控制。主要包括单片机控制单元、温度传感器、湿度传感器、通信模块、按钮输入模块、存储模块。温湿度传感器高频自动探测环境温湿值，由单片机控制单元完成数据分析，并通过通信模块与空调之间进行交互。当室内存在多台空调设备时，单片机控制单元根据传感器采集的当前温湿度值，确定发送控制指令开启空调的数量，使温湿度加快速度恢复正常范围内。同时用户可以通过按钮输入模块调整输入预设的温湿度上下限阈值，而调整后温湿度的上下阈值会存储在存储模块中，在单片机控制单元分析温湿度值是否处于正常范围提供参考数值。系统整体设计如图1 所示。

图1 系统整体设计

■1.1 硬件电路设计

本系统中单片机控制单元采用意法半导体公司32 位低功耗嵌入式微控制器STM32F103C8T6；温湿度传感器采用AM2302 温湿度模块，该模块属于湿敏电容数字型，具有精度高、低功耗、稳定性好、成本低、已校准数字信号输出等特点；通信模块采用红外线发射二极管和VS1838B 红外接收管组成。

1.1.1 环境检测电路设计

环境检测由AM2302 湿敏电容数字温湿度模块、嵌入式微控制器STM32F103C8T6 组成。AM2302 温湿度传感器主要由一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件组成，两个元件采集数据后经内置的高性能8 位单片机进行校注再通过单总线接口输出，再由控制器进一步处理。AM2302温湿度传感器的工作电压为3.3V～5.5V DC。环境检测电路如图2 所示。

图2 环境检测电路

1.1.2 终端控制电路设计

终端控制由单片机控制单元、通信模块、按钮输入模块组成，各模块主要的功能为数据处理、数据发送、数据存储。终端控制电路结构如图3 所示。

图3 终端控制电路

（1）由STM32F103C8T6 单片机控制单元负责数据处理，就如人类的大脑。它接收来自各种传感器和外部设备的数据输入，并根据用户预先设定的程序逻辑对数据进行分析、计算和决策。STM32F103C8T6 电气原理图如图4 所示。

图4 STM32F103C8T6 电气原理图

（2）通信模块控制电路设计

本系统的通信模块主要作用有两部分，一部分是当微控制器通过环境检测感知到需要开启或者关闭空调时，控制器就会通过发送脉冲的形式将相关的空调编码协议通过红外线发射二极管产生红外光，从而实现对环境中空调的控制。为了确保空调上的红外接收管能够正确并完整接收到由红外线发射二极管产生的红外波，运用了6 枚红外发射二极管，实现多方位的信号传播。红外发射二极管与微控制器连接电路如图5 所示。

图5 红外线发射二极管连接电路

通信模块的另一部分是红外线接收管的控制。面对众多的空调品牌，本系统加入了空调编码协议学习功能，做到在保证兼容主流品牌外还能通过红外接收管学习任何杂牌空调的编码协议，从而实现对各种品牌空调的控制。在本系统中所使用的红外接收管为VS1838b。它内置了高速高灵敏度PN 光电二极管和低功耗、高增益前置放大IC，同时具备高强的抗干扰、低功耗等特点。红外接收管与微控制器连接电路如图6 所示。

图6 红外接收管连接电路

（3）按钮输入模块控制电路设计

在本系统中按钮输入模块主要地作用：

（1）第一次使用空调除湿器时测试与空调的对频。

（2）空调除湿器没有相对应的空调编码协议时用于开启学习功能，学习该空调的编码协议。按钮输入模块的连接电路非常简单如图7 所示。

图7 按钮输入模块连接电路

■1.2 系统控制设计

本系统中环境检测的数据采集传感器AM2302 采用了简化的单总线通信，通过单数据总线（SDA）一次能传送40 位数据。具体通信格式如表1 所示。AM2302 温湿度传感器在上电后会等待2s 将不稳定的信号过滤掉，再进行环境温湿度的检测并记录数据。待3s 过后微控制器将会根据I/O 电平的变化接收40 位数据。在完成一次温湿度采集后，微控制先将40 位数据中的温湿度各16 位二进制的数据进行10 进制转换（进制转换示例如表2 所示），随后将转换后的数据与预设的温湿度数据进行比较，当实际的数据大于预设的数据时，微控制器就会通过红外发射二极管给空调发送开机和开启除湿功能的指令，使空调对环境进行除湿处理。在空调除湿的过程，微控制器进入等待状态，等待AM2302 温湿度传感器实时检测环境温湿度小于程序中预设温湿度值时，微控制器进入指令发送状态，通过红外发射二极管向空调发送关机的指令。为了节约资源，在完成一次空调自主除湿后，可以使空调退出湿度或温度调整模式，在关闭空调后本系统会进入休眠状态，默认为1 小时。待休眠期过后，微控制器会再次进入温湿度检测状态，监测环境温湿度状态，一直往复执行。该过程即为本系统的运行过程，流程图如图8 所示。

表1 AM2302通信格式

表2 温湿度值数据转换示例

图8 系统控制流程图

在本系统中还有4 盏不同的指示灯，分别是电源指示灯、湿度指示灯、开机指示灯和信号指示灯，它们各自担负着特定的功能。首先，电源指示灯用于反映主电路板的电源状态，为用户提供了电源工作状态的直观指示。其次，湿度指示灯的作用是湿度传感器探测到超过预设值的湿度水平时点亮，使用户能够快速察觉到湿度升高的情况。第三，当红外发射管向空调发送开机指令时，开机指示灯会亮起，同时信号灯也会闪烁。这个联动效应旨在提醒用户系统正在启动。最后，当需要进行学习代码的功能时，用户只需按下按键三下，信号指示灯会开始闪烁，这表明装置已进入学习状态，可以开始学习空调遥控内置的控制代码以控制空调。一旦红外接收管接收到红外信号，信号指示灯停止闪烁，标志着学习过程成功完成。4 盏指示灯连接电路如图9 所示。

图9 指示灯连接电路

2 实验

为了更好展现本系统实验成果，我们采用了综合的实验方法，结合了实际的实验实物和理论模型。通过综合方法，我们能深入研究并验证系统的性能，同时也能够通过理论环境中探索系统潜在行为。

■2.1 实验环境设置

考虑到现实中空调设备通常被安装在室内、机房或商店等地方，为了更好展示本研究的实验成果，我们随机选定环境以及空调进行实验，以确保研究的可实际应用性。在使用或实验过程中，要确保控制器距离空调设备不超过5 米，以确保其处于红外发送范围内。

同时采用先进的传感器和监测设备来实时监测室内环境参数。这些传感器被分布在实验室不同的位置，以捕获各种环境变化，以便了解空调除湿器在实际室内环境中的性能表现。

■2.2 自动调节过程

为了确保模拟实际情况下环境湿度达到实验标准，我们在实验过程中使用湿润的纸巾或毛巾覆盖在湿度传感器上，以确保其采集到的数据能够符合实验标准要求。如图10 所示，展示了实际的环境温湿度。左边为环境温度；右边为环境湿度。

图10 实测室内环境参数

随着环境湿度上升，当湿度传感器的阈值大于80%，红外发射二极管就会发射开启空调除湿信号，开启空调除湿功能；当湿度传感器的阈值小于65%，红外发射二极管就会发射关闭空调信号，关闭空调。执行特性如图11 所示。

图11 控制器执行情况与湿度关系

图12 空调智能除湿器实物

3 结语

本研究基于STM32 单片机开发了一款空调智能除湿器，该装置通过环境检测和终端控制实现自动检测环境湿度变化和智能控制功能。经过多次实验验证，我们证明了该装置的性能稳定性和安全可靠性，成功解决了季节气候变化带来的潮湿问题，并实现了实时监测和调节，从而降低了能源浪费。这一智能家居产品充分满足了用户的生活需求，同时也克服了同类产品的技术缺陷，成为国内首个具备自动检测和智能控制功能的空调自动除湿控制装置。目前，该装置已经在市场上取得了不错的销售成绩，累计销售量已超过16284 台。

未来，我们计划将这一设计应用到空调产品制造中，将其嵌入空调设备，同时还有扩展功能的潜力，可以实现多区域协同控制，以更好地满足用户的需求。这一研究为智能家居领域的发展提供了有力地支持，并为未来的研究和应用提供了有价值的经验。