基于MSP430的智能空氣凈化加濕器*

作者/ 彭一準 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(dòng)化學(xué)院(天津 300222)

摘要：現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(mǎi)既浪費金錢(qián)又占據空間。在本文的設計中，用一臺機器實(shí)現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(MCU)為控制器，在MCU中采用模糊控制的智能調控方式，實(shí)現空氣凈化和加濕的目的。

引言

　　隨著(zhù)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(mén)窗，嚴防霧霾進(jìn)入，殊不知長(cháng)期密閉的室內空氣已被污染，空氣中充滿(mǎn)了CO、細菌、家具甲醛等污染物^[1]。北方氣候干燥，加之室內依靠暖氣取暖，室內環(huán)境更加干燥，這會(huì )使人們的皮膚因缺水開(kāi)裂，甚至會(huì )降低人體免疫力，增加患病的幾率。傳統的加濕器，通過(guò)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節。過(guò)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(dòng)檢測所在空氣的離子濃度及濕度，自動(dòng)進(jìn)行凈化加濕，以保證一個(gè)舒適的空氣環(huán)境。

1 整體設計

　　本智能空氣凈化加濕器的系統結構框圖如圖1所示，主控模塊基于MSP430單片機，外圍設備分為三個(gè)單元——檢測單元、人機接口單元和執行單元。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(lái)的閃光的頻率及持續時(shí)間來(lái)測量顆粒的含量，把由于氣流中的濕度導致的誤差降低到了無(wú)關(guān)緊要的水平。

　　人機接口單元由LCD觸摸式顯示屏、按鍵、驅動(dòng)模塊和報警器組成。執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(lái)調節，本凈化器采用LCD觸摸屏，16位真色彩顯示，簡(jiǎn)單易操作。

　　凈化裝置由風(fēng)扇，PM2.5HEPA過(guò)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(guò)濾網(wǎng)由一疊連續前后折疊的亞玻璃纖維膜構成，形成波浪狀墊片用來(lái)放置和支撐過(guò)濾介質(zhì)，可多層折疊，過(guò)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(tīng)力范圍，不影響人與動(dòng)物的聽(tīng)力)將水分子打散形成自然水霧，既節省資源又健康環(huán)保。在霧化過(guò)程中，產(chǎn)生的負離子與空氣中的粉塵粒子相結合，即達到加濕的目的，又達到凈化的目的。

　　本智能凈化加濕器有兩種控制模式——智能調節模式和手動(dòng)調節模式。人們可以根據自身的喜好來(lái)設定濕度，或者直接按智能模式，由智能凈化加濕器自動(dòng)調節。向儲水器加水時(shí)，液位上升至指定位置就會(huì )發(fā)出提示，當液位低于安全位置時(shí)也會(huì )報警，提示人們需要加水了。

2 硬件設計

　　2.1 系統的整體硬件設計原理圖

　　系統整體硬件設計原理圖如圖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(guò)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(guò)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 凈化裝置驅動(dòng)電路

　　凈化裝置驅動(dòng)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 加濕裝置驅動(dòng)電路

　　加濕裝置驅動(dòng)電路的連接電路如圖7所示，霧化器通過(guò)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 確定模糊控制器結構

　　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x和y的數據，決定之后一定時(shí)間內的工作檔位。

　　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，后期再根據實(shí)驗數據做適當修正。

　　根據空氣質(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]。