室内智能加湿器设计毕业设计文档格式.docx
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因此，只要适当提高环境湿度，将环境湿度控制在50%以上，就可以有效抑制病毒的存活，防止病毒侵袭。
我们设计的室内智能加湿器是超声波式加湿器。
超声波加湿器是利用超声波作为能源的设备。
它由功率发生器产生高频电流经过安装在水雾化缸底的压电陶瓷换能片使其将高频电流转换为相同频率的声波，再由换能器产生的超声波通过雾化缸的耦合作用，穿过雾化杯底部的可以穿过声源的透声薄膜，从而使超声波直接作用于雾化杯中的蒸馏水中。
超声波的振荡作用使水破碎为雾状微粒，实现增加空气湿度的目的。
事实上在生活中，我们随处可见使用加湿器的场合。
在医院里我们会发现病房内配有室内加湿器；
作为给药设备是加湿器转为雾化器的又一用途；
在温室大棚中智能加湿器能起到满足作物良好生长的湿度要求；
在计算机机房里，由于十分干燥也常常配有加湿器。
除了上述基本功能外，一台小型的室内加湿器还有许多妙用的地方。
加入板蓝根冲剂或鱼腥草注射液或抗病毒口服液，可有效预防流行性感冒；
在加湿器里加几滴醋，能起到杀菌的作用；
在加湿器里加几滴花露水能缓解儿童鼻塞；
在加湿器里加几滴薰衣草精油能提高睡眠质量；
居室加湿可以让木质家具不变形；
加湿器内加入淡盐水，可舒缓喉痛及慢性咽炎；
切洋葱时打开加湿器可以避免流眼泪；
电脑旁边放一台加湿器可以消除静电。
计算机科学技术，通信技术，控制技术的飞速发展，与人类健康息息相关领域的产品也不可避免的被赋予了数字化理念。
事实上，过往传统的室内加湿器设计完全可以由模拟硬件电路单一实现，现在我们赋予室内加湿器数字化，智能化，自动化。
利用单片机，通过编写模糊控制算法，实现软控制。
代替手动控制，实现自动控制。
室内智能加湿器的工作原理是随着社会的不断发展，人们对个体生命价值的认知不断提升，越来越多的家庭希望利用高科技手段保障身体健康，一种设计合理，技术先进、经济、实用、可靠的室内智能加湿器将会受到社会的欢迎。
本文是基于室内智能加湿器项目的硬件设计部分实际研究和开发，并对其进行了设计与实现。
1.2国内外研究现状
目前市场上已经可以看到许多加湿器的应用产品，性能也比以前问世之初增强了许多。
加湿器种类繁多，最常见的有超声波式加湿器、直接蒸发式加湿器、电热式加湿器和离心式加湿器。
由于这些产品的结构和加湿原理不同，参数定值也有所不同。
这次设计的是超声波式的智能加湿器。
超声波使蒸馏水转化为张力波，从而使水形成微粒，可随气流行走，达到加湿的目的。
超声波之所以在各个部门中有广泛的应用，主要之点还在于比声波具有强大得多的功率，即超声波的能量传递特性。
为什么有强大的功率呢？
因为当声波到达某一物质中时，由于声波的作用，使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率一样。
分子振动的频率决定了分子振动的速度。
频率越高，速度越大。
物质分子由于振动获得的能量除了与分子的质量有关外，还由分子振动的速度平方决定。
所以如果声波的频率越高，也就是物质分子越能得到更高的能量，超声波的频率比声波高很多，超声波本身可以供给物质足够大的功率。
超声波的声压特性。
当声波通入物体时，由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。
由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。
由于超声波所具有的能量很大，就有可能使物质分子产生显著的声压作用。
在通过一般强度的超声波时，产生的附加压力可以达到好几个大气压力。
液体中存在着如此巨大的声压作用，就会引起值得注意的声压现象。
当超声波振动使液体分子压缩时，好像分子受到来自四面八方的压力；
当超声波振动使液体分子稀疏时，好像受到向外散开的拉力，对于液体，它比较受得住附加压力的作用。
所以在受到压缩力的时候，不大会产生反常情形。
但是在拉力的作用下，液体就会支持不了了，在拉力集中的地方，液体就会断裂开来。
这种断裂作用特别容易发生在液体中存在杂质或气泡的地方，因为这些地方液体的强度特别低，也就特别经受不起几倍于大气压力的拉力作用。
由于发生断裂的结果，液体中会产生许多气泡状的小空腔。
这种空泡存在的时间很短，一瞬间就会闭合起来，空腔闭合的时候会产生很大的瞬时压力。
液体在这种强大瞬时压力下，温度会骤然升高。
国内外加湿器产品性能主要考虑以下几点：
（1）加湿量
（2）加湿效率即加湿器实际加湿量和输入功率的比值
（3）噪声
（4）超声频率
（5）连续工作时间
（6）电源电压
（7）功率
（8）使用环境
（9）水槽装水量
（10）水雾化强度
（11）水槽缺水保护
（12）温度、湿度检测范围
超声波式室内智能加湿器主要包含以下几个部件：
（1）单片机
（2）温湿度传感器，液位传感器
（3）A/D转换，D/A转换芯片
（4）LCD液晶显示屏
（5）LED灯，蜂鸣器，按键，水槽
（6）驱动放大集成芯片
（7）继电器
（8）超声波产生的驱动电路
（9）超声波产生的电容三点式高频振荡电路
（10）超声换能片
1.3本文的主要研究内容和组织结构
1.3.1本文的主要研究内容
本文是在参与的室内智能加湿器的项目上基础上，总结完善而整理出来的。
依据项目内容，论文主要包括以下三个方面的研究内容：
（1）室内智能加湿器的整体结构设计与实现
（2）室内智能加湿器的硬件模块设计与实现
（3）硬件电路中高频振荡器的分析
1.3.2本文的组织结构
论文共分为五章，主要的内容概要如下：
第一章阐述了本课题的背景和意义，简要的说明了论文的研究内容，阐述
了论文的组织结构。
第二章系统总体介绍，包括室内智能加湿器的整体功能结构，流程图，系
统主要的工作目标和参数目标。
第三章对室内智能加湿器系统的硬件部分作详细的介绍，包括：
系统主要
芯片选型；
各个功能模块的设计与实现；
对高频振荡器进行分析。
第四章系统的调试与运行。
第五章对所作的工作进行总结。
第二章系统的总体设计
2.1系统的总体功能结构
整个室内智能加湿器的设计包括功能和流程两个部分，其功能结构图如图所示：
整个室内智能加湿器以单片机为核心，实现对内部功能的控制，实现对温度、湿度、液位的检测，液晶屏的显示，液位保护，声光报警，高频振荡振幅的控制，手动模式与自动模式的切换，图2-1中各功能模块的作用阐述如下：
图2-1室内智能加湿器的整体功能结构图
温度检测：
利用AHT11温湿度传感器检测环境实时温度。
湿度检测：
利用AHT11温湿度传感器检测环境实时湿度。
是对影响设备输出量的主要因素的检测。
液位检测：
利用BZ0504液位开关检测水槽实时液位。
判断有水时输出0V，无水时5V。
单片机控制：
我们标配的是STC89C52RC。
作为核心部件，实现对内部功能的控制。
液晶显示：
利用1602液晶显示模块。
显示实时的温湿度。
声光报警：
当检测的液位低于安全值时，蜂鸣器响且LED灯闪亮，提醒用户给水槽加水。
液位保护：
当液位低于安全值时，超声换能片工作易损坏。
故此时控制电路输出控制信号，使驱动电路中的继电器动作，切断驱动电路。
从而使后面的高频振荡电路停止工作。
M/A切换：
手动模式与自动模式的切换。
系统上电后工作在手动模式下，当需要调节加湿量大小时，可以调节滑动变阻器以改变加湿量。
当按下按键后，进入自动模式，由编写的模糊控制算法实现自动控制。
模糊控制信号：
单片机输出的控制信号经数模转换后，通过与使振荡驱动电路中的继电器动作相配合，控制晶体管导通或关断。
从而控制高频振荡电路的工作通断，实现加湿强度的自动变化。
高频振荡电路的驱动电路：
通过该驱动电路，经过晶体管的两级放大，得到电容三点式高频振荡电路的偏置电流信号。
电容三点式高频振荡电路：
产生高频振荡电流信号，经过超声换能片，得到相同频率的超声波信号。
高频振荡器是室内加湿器设计的核心部分。
散热：
由于振荡电路中的大功率晶体管BU406及超声波换能片均会变热而影响产品长期的工作性能，故需散热。
2.2系统的整体功能流程图
图2-2室内智能加湿器的整体功能流程图
流程中工作模式是由用户根据实际需要确定选择自动模式还是手动模式。
整个流程从上电复位开始，然后对各芯片进行初始化程序。
紧接着对设备的工作状态进行检测。
调用显示处理子程序显示实时的温度和湿度值。
不断扫描液位标志看是否缺水，从而相应动作。
再扫描M/A按键是否被按下，转入相应的处理中，最后回到主程序开始处，重新循环。
2.3控制系统的需求分析
2.3.1系统主要实现的工作目标
实现目标：
设计操作简便，界面直观，实时检测，能精确完成各项控制功能的控制系统。
超声波式室内智能加湿器控制系统的任务主要包括：
1.7MHZ的高频振荡器的实现，液晶屏显示，声光报警，液位保护，手动模式/自动模式切换，自动模式中的模糊控制算法的实现。
整个加湿器以单片机为核心，实现对各类变量的检测，及对影响湿度因素检测后，进行综合分析，实现对内部功能的控制。
2.3.2系统主要设计的参数目标
由于该加湿器的功能和控制对象较多，因而采用以单片机为主的控制电路，使控制系统设计简单而可靠。
（1）主要技术指标
<
1>
超声频率：
1.7MHZ正负10%
2>
最大加湿量：
>
=4ml/min
3>
连续工作时间：
=4小时
4>
电源电压：
45VDC*1A+9VDC*1A
5>
功率：
36W
6>
使用环境：
温度范围：
0~60C；
相对湿度：
20%~90%
7>
水槽装水量：
=150ml
8>
水槽缺水保护：
<
=100ml
（2）产品功能及性能
加湿强度：
手动模式下由滑动变阻器调节，自动模式下由模糊控制算法自动调节。
缺水自动保护，并声光报警。
手动模式与自动模式可切换。
连续工作时间<
=5小时。
实时显示环境温度湿度值。
本产品电路工作稳定，电路比较简洁，元器件成本较低。
电路振荡器工作频率稳定在1.7MHZ正负10%范围内。
波形较完整，杂波少。
第三章室内智能加湿器的硬件设计与实现
3.1概述
本室内智能加湿器是一种新型的多用途的超声波式加湿器。
它集加湿、检测、显示于一体，采用微处理器进行自动控制。
技术先进，操作简单，使用方便，安全可靠。
由于市电是通过开关电源转换降低到安全电压，再加上加湿振荡器与单片机控制电路是分离设计的，所以不会有触电、漏电发生。
嵌入式控制系统的硬件电路包含模拟和数字两个部分。
数字电路部分以组成单片机运行的基本电路为主，并配以液晶显示，控制接口电路等。
而模拟电路部分主要包括1.7MHZ高频振荡电路的驱动部分，及电容三点式高频振荡电路的分析与设计及信号检测部分。
关键部件采用了一定的保护措施，如缺水保护。
实际上进一步设计成产品还应加上风机等散热装置以保证其可靠的长期运行。
加湿器能把蒸馏水雾化为2微米左右的颗粒，速度快，效果好。
3.2系统主要芯片选型及介绍
嵌入式控制系统设计包含多个功能模块和接口，在系统设计之初要对各个部分选择满足设计功能要求、性能稳定、性价比高的芯片。
下面简要的介绍控制系统中设计的主要芯片。
（1）主控制芯片STC89C52RC
选用的是MCS-51系列的单片机。
STC89C52RC型号。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
一台能够工作的计算机要有这样几个部分组成：
CPU（进行运算和控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：
串行口、并行输出口）。
在个人计算机上这些部分被分成若干块芯片，安装在一个称之为主板的印刷线路板上。
而在单片机中，这些部分，全部被做到一块集成电路芯片中了，所以就称为单片机，而且有些单片机除了上述部分外，还集成了其他部分如A/D转换，D/A转换等。
图3-1STC89C52RC引脚图
STC89C52芯片共40引脚。
1~8脚为通用I/O接口P1.0~P1.7，9脚为RST复位键，10脚为RXD串口输入，11脚为TXD串口输出，12~19引脚为I/OP3接口，（其中12、13引脚为INT0中断0，INT1中断1；
14，15引脚为计数脉冲T0、T1；
16、17引脚为WR写控制和RD读控制输出端；
18、19引脚为晶振谐振器），20引脚为地线，21~28引脚为P2接口高8位地址总线，29引脚为PSEN片外ROM选通端，单片机对片外ROM操作时，29引脚输出低电平，30引脚为ALE/PROG地址锁存器，31引脚EA为ROM取指令控制器，高电平片内取，低电平片外取，32~39引脚为P0.7~P0.0，40引脚为+5V电源。
（2）液晶显示芯片SMC1602ALCM
图3-21602主要技术参数
图3-31602接口信号说明
图3-41602与单片机模拟口线方式
（3）模数转换器：
8位A/D芯片，TLC549CP
TLC549芯片是TI公司生产的一种性价比非常高的8位A/D转换器，它以
8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换。
其转换速度小于17微秒。
它能方便地采用三线串行接口方式与各种未处理器连接。
主要特性：
1.8位分辨率A/D转换器，总不可调整误差≤±
0.5LSB。
2.采用三线串行方式与微处理器接口。
3.片内提供4MHZ内部系统时钟，并与操作控制用的外部I/OCLOCK相互独立。
4.有片内采样保持电路，转换时间≤17us，包括存取与转换时间转换速度达40000次/秒。
5.差分高阻抗基准电压输入，其范围是：
1V≤差分基准电压≤VCC+0.2V
6.宽电源范围：
3V-6.5V，低功耗，当片选信号/CS为低，芯片选中处于工作状态。
内部结构和引脚：
TLC549芯片包含内部系统时钟、采样和保持电路、8位A/D转换电路、输出数据寄存器以及控制逻辑电路，它采用/CS，I/OCLOCK和DATAOUT三根线实现与微控制器MCU或微处理器CPU进行串行通讯。
其中/CS，I/OCLOCK作为输入控制，芯片选择端/CS低电平有效，当/CS高电平时I/OCLOCK输入被禁止，且DATAOUT输出为高阻态。
图3-5TLC549内部结构框图
图3-6TLC549引脚排列图
（4）DA转换芯片：
TLC5616CP
目前，数模转换器从接口上可分为两大类：
并行接口数模转换器和串行接口数模转换器。
并行接口数模转换器的引脚多，体积大，占用单片机的口线多；
而串行数模转换器的体积小，占用单片机的口线少，为减少线路板的面积和占用单片机的口线，可采用TLC5615串行数模转换器产生可变基准电压。
TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压的两倍。
带有上电复位功能。
TLC5615的特点：
1.10位CMOS电压输出；
2.5V单电源供电；
3.与CPU三线串行接口；
4.最大输出电压可达基准电压的两倍；
5.输出电压具有和基准电压相同的极性；
6.建立时间12.5us；
7.内部上电复位；
8.最大仅1.75mw。
图3-7TLC5615引脚排列图
TLC5615引脚说明：
TLC5615有小型和塑料DIP封装，DIP封装的TLC5615芯片引脚排列如图。
引脚功能说明如下：
脚1DIN：
串行数据输入端；
脚2SCLK：
串行时钟输入端；
脚3CS：
芯片选用通端，低电平有效；
脚4DOUT：
用于级联时串行数据输出端；
脚5AGND：
模拟地；
脚6REFIN：
基准电压输入。
（5）ULN2003基本资料
ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，
可用来驱动继电器。
它是双列16脚，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压50V,电流500MA，输入电压5V，适用于TTL，CMOS，由达林顿管组成驱动电路。
它的输出端允许通过电流为200MA，饱和压降CVE为1V左右，耐压BVCEO约为36V，用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。
采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压电灯泡。
通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适。
同时COM引脚应该悬空或接电源。
ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大为350MA。
在设计中我们可以用ULN2003来驱动继电器，蜂鸣器。
图3-8ULN2003的引脚电路
（6）AHT11电阻式温湿度传感器
电气参数：
1.供电电压：
DC4.5~6V
2.耗电电流：
2mA（MAX3mA）
3.使用温度范围：
0~60℃
4.使用湿度范围：
95%RH以下
5.湿度检测范围：
20~90%RH
6.保存温度范围：
7.保存湿度范围：
80%RH以下
8.湿度检测精度：
±
5%RH
9.标准湿度输出电压：
相对湿度（%RH）2030405060708090
输出电压（V）0.60.91.21.51.82.12.42.7
（7）BZ0504电子液位计
1.工作电压：
5V，正负10%
2.功耗：
1W
3.防护等级：
IP68
4.温度：
-20~60℃
5.寿命：
10万次
6.输出：
高压电平信号
7.电缆导线长度：
常规配3米电缆线
8.适用压力：
0.8MPA
9.产品内部材料：
进口环保树脂
10.外壳材料：
不导电的塑料
特点：
红蓝两条线接DC5V，另一条白线输出高低电平信号，5V或0V，判断有水时输出0V,无水时输出5V，可驱动LED灯或蜂鸣器。
（8）超声换能器
换能器是可以把一种形式的能量转换为另一种形式能量的器件。
我们所涉及到的换能器就是那种能将电能与超声能转换的器件。
而本机采用的是压电换能器。
它是采用那些能够呈现出压电效应的材料制成的。
压电效应天然的存在于某些具有极轴的单晶体中，如石英、电气石、硫酸盐、氧化锌等。
应采用Φ25×
1.2mm/1.7MHZ高强度压电陶瓷材料的成品超声换能器，表面应镀金或镀不锈钢以防锈。
（9）大功率管BU406
采用意大利SGS或者美国仙童产品BU406大功率高频三极管，BU406的参数为Vbeo=400V，Icm=7A,Pcm=60W,fT≥100MHz,工作温度范围-55℃~150℃。
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