基于MSP430的智能空氣凈化加濕器*

作者/ 彭一準(zhǔn) 殷曉航 高曉峰 劉藝偉 張遼 天津科技大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院(天津 300222)

摘要：現(xiàn)階段空氣凈化器與加濕器日益成為人們生活的必需品，但二者同時(shí)購買既浪費(fèi)金錢又占據(jù)空間。在本文的設(shè)計(jì)中，用一臺機(jī)器實(shí)現(xiàn)空氣凈化與加濕的功能，選用GP2Y1010AU0F灰塵傳感器檢測空氣的污染程度，選擇DHT11溫濕度傳感器檢測空氣濕度大小，選用低功耗的MSP430G2553單片機(jī)(MCU)為控制器，在MCU中采用模糊控制的智能調(diào)控方式，實(shí)現(xiàn)空氣凈化和加濕的目的。

引言

　　隨著中國工業(yè)化的發(fā)展，諸多城市被霧霾所威脅，人們關(guān)閉門窗，嚴(yán)防霧霾進(jìn)入，殊不知長期密閉的室內(nèi)空氣已被污染，空氣中充滿了CO、細(xì)菌、家具甲醛等污染物^[1]。北方氣候干燥，加之室內(nèi)依靠暖氣取暖，室內(nèi)環(huán)境更加干燥，這會使人們的皮膚因缺水開裂，甚至?xí)档腿梭w免疫力，增加患病的幾率。傳統(tǒng)的加濕器，通過直接蒸發(fā)水分，對空氣進(jìn)行加濕，但蒸發(fā)水分的多少需要人工調(diào)節(jié)。過分潮濕的空氣利于空氣中的微生物快速繁殖，亦不利于人體健康^[2]。故本文所闡述的智能空氣凈化加濕器，能夠自動檢測所在空氣的離子濃度及濕度，自動進(jìn)行凈化加濕，以保證一個(gè)舒適的空氣環(huán)境。

1 整體設(shè)計(jì)

　　本智能空氣凈化加濕器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主控模塊基于MSP430單片機(jī)，外圍設(shè)備分為三個(gè)單元——檢測單元、人機(jī)接口單元和執(zhí)行單元。檢測單元由GP2Y1010AU0F灰塵傳感器、液位傳感器和DHT11溫濕度傳感器組成。GP2Y1010AU0F灰塵傳感器采用光散射技術(shù)，用氣流中的顆粒反射出來的閃光的頻率及持續(xù)時(shí)間來測量顆粒的含量，把由于氣流中的濕度導(dǎo)致的誤差降低到了無關(guān)緊要的水平。

　　人機(jī)接口單元由LCD觸摸式顯示屏、按鍵、驅(qū)動模塊和報(bào)警器組成。執(zhí)行單元由凈化裝置和加濕裝置組成。不同于以往的凈化加濕器由按鍵來調(diào)節(jié)，本凈化器采用LCD觸摸屏，16位真色彩顯示，簡單易操作。

　　凈化裝置由風(fēng)扇，PM2.5HEPA過濾網(wǎng)組成。加濕裝置由霧化片、儲水器、風(fēng)扇和蜂鳴器組成。PM2.5HEPA過濾網(wǎng)由一疊連續(xù)前后折疊的亞玻璃纖維膜構(gòu)成，形成波浪狀墊片用來放置和支撐過濾介質(zhì)，可多層折疊，過濾顆粒物和吸附異味效果明顯。霧化片利用電子高頻振蕩(超出人的聽力范圍，不影響人與動物的聽力)將水分子打散形成自然水霧，既節(jié)省資源又健康環(huán)保。在霧化過程中，產(chǎn)生的負(fù)離子與空氣中的粉塵粒子相結(jié)合，即達(dá)到加濕的目的，又達(dá)到凈化的目的。

　　本智能凈化加濕器有兩種控制模式——智能調(diào)節(jié)模式和手動調(diào)節(jié)模式。人們可以根據(jù)自身的喜好來設(shè)定濕度，或者直接按智能模式，由智能凈化加濕器自動調(diào)節(jié)。向儲水器加水時(shí)，液位上升至指定位置就會發(fā)出提示，當(dāng)液位低于安全位置時(shí)也會報(bào)警，提示人們需要加水了。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)原理圖

　　系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。電源模塊為MCU供電，MCU上方從左至右依次為凈化裝置、濕度檢測模塊、報(bào)警裝置和加濕裝置，下方從左至右依次為顯示屏、液位傳感器和灰塵傳感器。

　　1.2 溫濕度傳感器連接電路圖

　　溫濕度傳感器連接電路原理圖如圖3所示，DHT11傳感器通過P1接口和MCU連接，VCC采用5V電壓供電。

　　1.3 GP2Y1010AU0F灰塵傳感器連接電路

　　灰塵傳感器的連接電路如圖4所示，灰塵傳感器通過P2口與MCU連接，VCC采用5V電壓供電。

　　1.4 顯示屏連接電路

　　顯示屏的連接電路如圖5所示，顯示屏的USART串行口與MCU的串行口連接，VCC采用5V電壓供電。

　　1.5 凈化裝置驅(qū)動電路

　　凈化裝置驅(qū)動電路的連接電路如圖6所示，風(fēng)扇與MCU的P3口連接，VCC采用12V電壓供電。

　　1.6 加濕裝置驅(qū)動電路

　　加濕裝置驅(qū)動電路的連接電路如圖7所示，霧化器通過三極管與MCU的P4口連接，風(fēng)扇與MCU的P5口連接，VCC采用5V電壓供電。

3 軟件

　　3.1 確定模糊控制器結(jié)構(gòu)

　　主要使用空氣質(zhì)量傳感器和溫濕度傳感器分別測得空氣質(zhì)量x和濕度y。模糊控制器根據(jù)x和y的數(shù)據(jù)，決定之后一定時(shí)間內(nèi)的工作檔位。

　　3.2 定義輸入、輸出量的模糊分布

　　首先在這里使用三角形隸屬度函數(shù)，后期再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做適當(dāng)修正。

　　根據(jù)空氣質(zhì)量傳感器可測量0.8μm以上的粒子，空氣質(zhì)量x的論域確定為[0,300]。