本科毕设论文-—室内智能加湿器设计.doc

《本科毕设论文-—室内智能加湿器设计.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

河南科技大学HENANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY学士学位论文论文题目室内智能加湿器 摘要随着科学技术的发展，社会的不断进步，人们对生活质量的要求在不断提高。无论是工业、农业、信息产业还是服务行业，它们都朝着智能化、人性化的方向发展。以人为本的产品设计思路体现了极大的实际价值。四季更替，迈过了气候宜人的秋季，寒冷干燥的冬季向人们一步步走来。在这个季节很多人容易皮肤干燥、嗓子干痛。身边迫切需要一台小型加湿设备。据此，我们设计了集显示、检测、液位保护、声光报警、手动调节、基于微处理器自动控制的室内智能加湿器。在生活中，我们随处可见使用加湿器的场合。经调查，在人们不断追求健康生活方式的今天，此实用新型的室内加湿器应有广泛的市场前景，极易为家庭所接受，在技术水准上具有领先水平，在市场竞争中占有绝对优势。工作原理：采用电容三点式振荡电路驱动压电陶瓷超声换能器产生超声波，基于超声波高频振荡原理，在需要进行雾化加湿时，将蒸馏水放入水杯中，水将被超声波打碎，在水表面产生大量直径达微米级的颗粒——水雾。这样便达到了给空气加湿的功能。关键字超声波，加湿，智能，微处理器 ABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnology,andtheprogressofsociety,Peopleconsequentlyimprovetheirrequirmentsoflivingconditions.Nomatterwhatisintheindustry,agriculture,informationindustryorservicetrades,theyalldevelopinthedirectionofintelligenceandhumanlization.Theideaofdesignwhichisman-orientedreflectsmuchactualvalue.Thefourseasonschange.Whentheautumnofpleasantweatherwentaway,winterofacoldandaridclimatecomes.Manypeopleareeasytohavetheproblemsofdryskinandasorethroatinthisseason.Wereallyneedasmalldevicewhichcanusetoincreaseairhumidity.Accordingtothis,wedesignaindoorandintelligenthumidityincreasingdevicewhichhastheabilityofdisplaying,detecting,lengthofliquidprotection,givinganalarmwithbellandlamp,manualregulatingandautomaticcontrolbasedonmicrocontroller.Inourlife,wecaneasilyfindoutthechanceofusingthismachine.Aftersomeinvestigation,ithasgoodmarketprospectandcanbeeasilyacceptedbyfamilies,respectingtheleadinglever,inmodernsocietywhichpeopleareinpursuitofhealthylivingstylemoreandmore.Ithasaprevalentmarketcompetitionadvantage.Workingtheory:Ifneeded,thedistilledwaterisputintocup.Thewaterissmashedbytheultrasonicfromtheultrasonictransducersbelow,whichcanatomizethewaterintoveryfineautomizedparticlesforoxygenmoistening.Keywords:ultrosonic,moistening,intelligence,microprocesser 第一章绪论1.1课题背景及意义四季更替，每当进入寒冷干燥的冬季，尤其是我国的北方城市由于风沙天气较多，人们很容易皮肤干燥、嗓子干痛。此时，身边需要一台小型室内加湿器改善我们的生活环境。据了解人体健康湿度在40%~60%之间，在此范围内，人体生理、思维皆处于良好状态，工作休息也才会有较好的效果。适宜的湿度还可以抑制病菌的滋生和传播，提高我们的免疫力。例如流感病毒喜干燥，绝对湿度对流感病毒传播影响很大。环境湿度低于35%时，流感病毒的存活时间超过24小时；环境湿度高于50%时，流感病菌的存活时间不超过10小时。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。 第一章系统的总体设计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<1>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。<2>缺水自动保护，并声光报警。<3>手动模式与自动模式可切换。<4>连续工作时间<=5小时。<5>实时显示环境温度湿度值。<6>本产品电路工作稳定，电路比较简洁，元器件成本较低。<7>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。 第一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，TLC549CPTLC549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。<1>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+0.2V6.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。<2>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：DC4.5~6V2.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%RH6.保存温度范围：0~60℃7.保存湿度范围：80%RH以下8.湿度检测精度：±5%RH9.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电子液位计电气参数：1.工作电压：5V，正负10%2.功耗：<1W3.防护等级：IP684.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：0.8MPA9.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℃。 3.3控制电路部分图3-9单片机控制及其外围电路3.3.1控制电路电源输入基于开发板的硬件设计，在控制电路部分，可以通过USB供电，供电电流小于500mA；若利用外接电源口时，应注意电源极性和电压参数，电压范围在7.5V~12V供电。若利用外接电源口，则电路为：图3-10电源输入 图3-10中POWER端接入7.5~12V直流电源。单片机的稳压电源采用7805稳压芯片。当按下电源开关KP，单片机获得5V直流电源。故开关电源选用成品件。选用开关电源主要由于它具有体积小、重量轻及效率高。超声雾化换能器要求驱动电压为36V，电流约0.65A，单片机和其他电路的电源为9V，所以技术要求为：输入220VAC；输出36VDC×1A+9V×0.5A。3.3.2控制电路单片机最小系统图3-11为单片机最小系统，包含一个STC89C52RC单片机，两个20引脚的接口排座，P0口、P1口、P3口各配有上拉排阻。配备两个接口排座使硬件设计通用性更强，可以灵活的用外部接线。图3-11单片机最小系统单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。在芯片内部有一个高增益的反相放大器，XTAL1为其输入端，XTAL2为其输出端。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，振荡器即可工作。用晶振和电容构成谐振电路。如图3-12： 图3-12单片机时钟电路单片机复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。上述电阻电容参数适于6MHz晶振。能保证复位信号高电平持续时间大于两个机器周期。如图3-13：图3-13单片机复位电路3.3.3控制电路液晶显示 液晶1602为16引脚，插在16引脚的排座中。引脚1接地，引脚2接电源，引脚3为液晶显示偏压信号，4引脚数据命令选择端接P2.5，5引脚读写选择端接P2.6，6引脚使能信号接P2.7，引脚7至引脚14数据端口接P0口，15引脚为背光源正极接5V,16引脚为背光源负极接地。图3-141602液晶显示3.3.4控制电路液位检测电路BZ0504红蓝两线接DC5V。另一条白线输出高低电平信号，5V或0V。当液位正常时，输出0V，当液位低于安全值时，输出正5V电平信号。当输出5V时，LED灯亮。同时右边为两引脚的排座接口，通过外部跳线接J27七引脚端口的3、2端。3、2端信号通过ULN2003放大控制蜂鸣器与继电器的通断。如图3-15：图3-15BZ0504液位检测电路 3.3.5控制电路温湿度检测电路利用AHT11温湿度传感器检测实时环境温度和湿度。其中电阻式湿敏元件测湿度，热敏电阻测温度。AHT11有四根接线，1线接VDD，2线为DATA串行数据且需接上拉电阻和电源，3线悬空，4线接地。如图3-16图3-16AHT11温湿度检测电路这里将AHT11的四根线分别接到四引脚的接口排座上，在电路板上的2线与一个引脚接口相连，该引脚再外接跳线，将模拟测量信号连到A/D转换器上。3.3.6控制电路A/D转换TLC549　　　　　J9：AD电压输入跳线，取下短路冒，排阵的右面为电压输入端口，左边为可调电阻电压。将输入采集的模拟信号接入排阵的右口，进行模数转换。TLC549可以使用差分基准电压。这是该芯片的重要特性，利用这个特性TLC549可以测量到的最小值为1000mV/256，也就是0~1V电压信号不经放大也可以得到8位分辨率。转换结果数据串行输出端口为OUT。/CS和/IOCLOCK是输入控制线。 图3-17　TLC549A/D转换3.3.7控制电路D/A转换TLC5615CPTLC5615的1引脚为串行数据输入端，将单片机模糊控制算法输出的控制信号从P1.0端接到1引脚。2引脚为时钟信号输入端。3引脚为片选端，低电平有效。4引脚用于级联。6引脚为基准电压，最大输出电压可为基准电压的两倍。8引脚接VDD。5引脚为模拟地。输出的信号通过两引脚的接线排座，用外部接线去进一步控制驱动电路及高频振荡电路部分。图3-18DA转换TLC5615 3.3.8控制电路M/A模式切换按键电路本硬件设计中本着简便使用的原则，除复位键外，只有一个独立按键——M/A模式切换按键，按键电路将信号接P3.2口，产生一个中断，进入子程序。P1.5被置位，P1.5通过外部接线连接到J27的7引脚，通过ULN2003使继电器动作。同时调用模糊控制算法，实现由手动调节进入自动控制，控制信号通过P1.0输出，P1.0接到TLC5615的1端，TLC5615的7端连接到J21的1引脚。1引脚通过外部接线连接到刚才动作继电器的一个常开触点上。图3-19独立按键电路3.3.9控制电路外接继电器、蜂鸣器J27的3、2端和接到uln2003的5、6端，P3.2接到J27的7端。J27的7引脚接口排座与ULN2003的7个单元输入端。ULN2003是集成达林顿管，采用集电极开路输出，输出电流大，可用来驱动继电器，蜂鸣器等。部分线路用杜邦线连接。当液位低于安全值时，uln2003的6端接的继电器动作，切断后面的驱动电路及高频振荡电路，5端接的蜂鸣器报警。当按下M/A模式切换键，J27的7引脚驱动继电器动作，并按算法的控制信号实现自动控制驱动电路，从而间接控制高频振荡电路的通断，实现加湿量的自动调节。 图3-20外接继电器、蜂鸣器电路3.4偏置电路及高频振荡电路部分图3-21偏置电路及高频振荡部分的设计原理图3.4.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。它广泛地用于量测、遥控、通信、自动控制、热处理和超声波电焊等加工设备中。在负反馈放大电路的稳定性中，倘若在低频段或高频段中存在频率f0，使电路产生的附加相移为±Л，而且当f=f0时，|AF|>1，则电路将产生自激振荡。振荡频率除了决定于电路中的电阻和电容外，还决定于晶体管的极间电容、电路的分布电容等人们不能确定的因素。 图3-22带通滤波器变换成正弦波振荡电路图3-21所示的带通滤波器中同向比例运算电路的比例系数Auf、电路的品质因素Q、中心频率f0、f=f0时通带放大倍数Aup、截止频率fp1与fp2分别为Auf=Uo/Ui=1+Rf/R4,Q=1/3-Auf,f0=1/2ЛRC,Aup=Auf/3-Auf。从上表达式可以看出，当R4减小时，Auf增大，Q增大，Aup必将随之增大；而且fp1与fp2之差减小，即频带变窄，选频特性好。可以想象当Auf趋近于3时，Aup将趋近于无穷大，表明电路即使在无输入的情况下，也会有频率为f0的输出电压，即电路产生了自激振荡。因为电路仅对频率为f0的信号有无穷大的放大倍数，而对其他频率的信号迅速衰减，所以输出电压为正弦波。输出电压是靠电阻R3反馈回来的信号取代输入信号。可见带通滤波器在参数取值合适时可以变换成正弦波振荡电路，而且振荡频率为f0。与负反馈放大电路中的自激振荡不同，正弦波振荡电路的振荡频率是认为确定的。可见，在正弦波振荡电路中，一要反馈信号能够取代输入信号，而若要如此，电路中必须引入正反馈；二要有外加的选频网络，用于确定振荡频率。通常，可将正弦波振荡电路分解为图3-22所示方框图，上一个方框为放大电路，下一个方框为反馈网络，反馈极性为正。当输入量为零时，反馈量等于净输入量，若由于电扰动，电路产生一个幅值很小的输出量，它含有丰富的频率，而如果电路只对频率为f0的正弦波产生正反馈过程，则输出信号为X0↑→Xf↑（Xi’↑）→Xo↑↑。 图3-23正弦波振荡电路方框图在正反馈过程中，Xo越来越大。由于晶体管的非线性特性，当Xo的幅值增大到一定程度时，放大倍数的幅值将减小。因此Xo不会无限制地增大，当Xo增大到一定数值时，电路达到动态平衡。这时输出量通过反馈网络产生反馈量作为放大电路的输入量，而输入量又通过放大电路维持着输出量。写成表达式为：Xo=AFXo也就是正弦波振荡的平衡条件为|AF|=1，ΦA+ΦF=2nЛ。为了使输出量在合闸后能够有一个从小到大直至平衡在一定幅值的过程，电路的起振条件为|AF|>1电路把除频率f=f0以外的输出量均逐渐衰减为零，因此输出量为f=f0的正弦波。从以上分析可知，正弦波振荡电路必须由以下四个部分组成：（1）放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。（2）选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡。（3）正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。（4）稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。在不少实用电路中，常将选频网络和正反馈网络合二而一；而且，对于分立元件放大电路，也不再加稳幅环节，而依靠晶体管特性的非线性来起稳幅作用。正弦波振荡电路常用选频网络所用元件来命名，分为RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路。我们要求超声频率是1.7MHz左右，而LC正弦波振荡电路的振荡频率多在1MHz以上。从理论上讲，任何满足放大倍数要求的放大电路与选频网络都可以组成正弦波振荡电路；但是，实际上所选用的放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻，以减小放大电路对选频特性的影响。因此通常选用引入电压串联负反馈的放大电路，如同相比例运算电路。3.4.2正弦波振荡器振荡器是不需外信号激励、自身将直流电转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。但是由电子管、晶体管等器件与L、C、R等元件组成的振荡器则完全取代了以往所有产生振荡的方法，因为它有如下优点： 1）它将直流电转变为交流电能，而本身静止不动，不需做机械转动或移动。2）它产生的是“等幅振荡”。3）使用方便，灵活性大，它的功率可自毫瓦级至几百千瓦，工作频率可自极低频率至微波波段。正弦波振荡器按工作原理可分为反馈式振荡器与负阻式振荡器两大类。反馈式振荡器是在放大器电路中加入正反馈，当正反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。所谓产生振荡是指这时不需要外加激励信号，而是由本身的正反馈信号来代替外加激励信号的作用。负阻式振荡器则是将一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振电路相接，产生振荡。振荡器通常工作于丙类，因此它的工作状态是非线性的。(1)LCR回路中的瞬变现象参考图3-23假设开关S先放于图位置，使电容C最初充电到电压V，然后将S转换到另一端，C上的电荷经过L、R放电。由基尔霍夫定律可得：Ldi/dt+Ri+1/c∫idt=0。δ=R/2L称为回路的衰减系数；w0=1/√LC称为回路的固有角频率。图3-24LCR自由振荡电路1）δ2>w02时，此时不能产生振荡。此种情形称为过阻尼。也就是R太大无法产生振荡。如图3-24：图3-25电流变化曲线2）δ2=w02时，得电流随时间变化曲线如图3-25，仍然不是振荡的，此时称为临界阻尼。因为只要R再减小一点，即产生振荡。 图3-26电流变化曲线3）δ20且R<2√L/CR=0R<0图3-27δ21的情况下起振，而后随着振幅的增强，A0就向A过渡。直到振幅增大到某一程度，出现AF=1时，振荡就达到平衡状态。因此振荡器的起振条件为AoF>1,平衡条件为AF=1。即AF=1，φA+φF=2nЛ。由振幅平衡条件可以确定振荡器的振幅，由相位平衡条件可以确定振荡器的频率。上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，还必须看平衡状态是否稳定。稳定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。1）振幅平衡的稳定条件图3-29软自激的振荡特性如图3-28画出了放大倍数A和反馈系数的倒数1/F随振幅Vom的变化曲线。两者相交的交点Q就是振荡器的振幅平衡点。在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即ªA/ªVom|Vom=Vomq<0,表示平衡点的振幅稳定条件。一般只要偏置电路和反馈网络设计正确，则A=f(Vom)为一条单调下降曲线。2）相位平衡的稳定条件相位稳定条件和频率稳定条件实质是一回事。如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位增量△φ，并且假定所产生的是一个正的增量△φ，这就意味着反馈电压超前于原来的输入电压一个相角。相位超前意味着周期缩短，即频率不断的提高。即△W/△φ>0。为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应具有恢复相位平衡的能力。故振荡器电路应能够产生一个新的相位变化，以抵消外因引起的△φ变化，故相位稳定条件为ªφ/ªw<0。如图3-29：因而LC并联谐振回路不仅决定振荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构。 图3-30并联谐振回路的相频特性3.4.3反馈型LC振荡器及石英晶体振荡器(1)反馈性LC振荡器按照反馈耦合元件可以分成：互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器与电容反馈式振荡器等。关于集电极电源与基极偏置电源的供给方式为振荡器的集电极直流电源可采用串联馈电与并联馈电两种。为了兼顾起振过程和振荡建立后的稳定平衡，振荡器都采用自偏压电路。基于后面的硬件设计这里以电容反馈式三端式振荡器为例，如图3-30：图3-31电容三端振荡器等效电路电容三端振荡器的优点是输出波形较好，这是因为集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减小，波形更接近于正弦波。其次该电路中的不稳定电容（分布电容和器件的结电容）都是与该电路并联的，因此适当加大回路电容量就可以减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而提高了频率稳定度。最后当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的输入输出电容作为回路电容。因而本电路适用于较高的工作频率。 这种电路的缺点是调C1或C2来改变振荡频率时反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1和C2为固定电容，则在调整频率时基本上不会影响反馈系数。经验证明C1/C2取1/2～1/8较为适宜。(2)石英晶体振荡器利用石英晶体的压电效应，将石英晶体作为振荡回路元件，构成石英晶体振荡器，可以获得很高的频率稳定度。石英晶体振荡器的主要缺点是它的单频性，即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率，因而不能直接用于波段振荡器。在串并联谐振频率之间很狭窄的工作频率内，它呈电感性。因而石英谐振器或工作于感性区，或工作于串联谐振频率上，绝不能使用容性区。因为如果振荡器是设计在晶体呈现电容性时产生振荡，那么由于晶体在静止时就是呈现电容性，故无法判断是否已经工作。基于后面的硬件设计，这里以并联谐振型晶体振荡器中的c-b型电路为例，如图3-31：相当于电容三端振荡电路。从晶体连接在哪两个电极之间称为c-b型电路。b-c型电路中的石英晶体接在阻抗很高的b-c之间，石英晶体的标准性受影响很小。因此在频率稳定度要求较高的电路中，几乎都采用c-b型电路。图3-32c-b型电路3.4.4室内智能加湿器偏置电路和高频振荡电路设计部分(1)高频振荡电路部分我们设计的振荡器是一种由高频压电陶瓷片（超声换能器）组成的工作振荡器，如图3-32： 图3-33室内智能加湿器高频振荡电路部分其振荡频率为1.7MHZ（决定于选定的压电陶瓷片，这是由石英晶体振荡器的单频性决定的）。晶体三极管BU406和电容器C1、C2等构成电容三点式振荡器电路。这里的压电陶瓷片等效看作一个电感。C3的大小主要是改变晶体管与振荡回路的耦合程度，C3越大，则振荡振幅就越大，但是C3还必须兼顾频率覆盖系数，因此C3不易过大。其中反馈系数为F=C2/C1=390/47000=0.01，由于BU406的放大倍数近似等于120，因此满足起振条件|AF|>1。至于电路的静态工作点在后面进一步讨论，这里暂不涉及。该图的高频等效电路如图3-33：图3-34高频等效电路其中L2、C2组成的等效并联回路谐振频率为f=1/2Л√L2C2<1.7MHZ,它对1.7HZ的晶体振荡频率呈现一等效电容。而L1、C1组成的等效串联谐振频率f=f=1/2Л√L1C1<1.7MHZ,它也对1.7HZ的晶体振荡频率呈现一等效电容。故此电路就等效为图3-31型电路。另外我认为这里发射极加电感L1、L2的原因是：一个是在振荡器振幅的稳定过程中提供发射极自给偏置电压；另一个是电感使大功率管子的电流不能突变；还有可能是因为在实际测试时当添加L1、L2为该值时，加湿器效果最好。这是在忽略两个电感对振荡器结构的影响，依然按共射电路及电容反馈的假设下的分析。图3-32是否由可能是共集电路，及电感反馈型？我想知道如果去掉L1、L2不是正好是图3-31型吗，应该也可以用，为什么要加这两个电感叻？(2)偏置电路部分 图3-35偏置电路部分我们设计的偏置电路如图3-35，图中左部分为220V交流电通过变压、整流、滤波环节获得36V直流电。实际上，我们采用了成品开关电源提供36V直流电源。J1的1、2引脚通过外部连线连接到水位保护继电器的动触点和常闭触点上，在水位安全时1、2引脚处于导通状态，这样把36V直流电传输给后面的偏置与振荡电路。J2的1引脚通过外部连线与M/A模式继电器的动触点连接，2引脚通过外部连线与M/A模式继电器的常闭触点连接。故在未按M/A键时1、2引脚是联通的，这时处于手动模式控制，可以调节滑动变阻器，来改变加湿量的大小。当按下M/A键后，动触点与原常闭触点断开，与原常开触点联通。而原常开触点通过外部连线与单片机经D/A转换后的控制信号的模拟量连接，这样就将控制信号（0～5V电压信号）连接到了偏置电路及振荡电路中，通过自动控制偏置电流（此时改变滑动变阻器不能再改变加湿量的大小了）来实现自动改变加湿量的大小。图3-35中电感为L为高频扼流线圈，阻止超声波信号进入控制电路。晶体管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大，就必须保证晶体管的发射结正偏、集电结反偏。即应该设置它的静态工作点，偏置电路向晶体管提供的电流称为偏置电流。对于高频振荡电路部分，若大功率管BU406无偏置电流输入，将迅速停止振荡。因为无直流偏置，雾化片（晶振）等效为电容，没有放电回路，所以不工作。改变大功率管BU406的基极偏置电流，即改变BU406的基极电位，从而改变晶体管的静态工作点。Q点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着电路几乎所有的动态参数。如图3-36对静态工作点分析：图3-36基本共射放大电路当输入信号Ui=0时，在晶体管的输入回路中，静态工作点即应在晶体管的输入特性曲线上，又应满足外电路的回路方程：uBE=VBB-iBRb,与输入回路相似，在晶体管的输出回路中，静态工作点既应在IB=IBQ的那条输出特性曲线上，又应满足外电路的回路方程：uCE=Vcc-icRc。利用图解法可求解静态工作点和电压放大倍数。如图3-37： 图3-37利用图解法求解静态工作点和电压放大倍数由图3-37知在输入回路中，若基极电阻Rb的数值不变，则直流电压VBB的值越大，Q点愈高，|Au|将愈大。可见Q点的位置影响着放大电路的电压放大能力。振荡器从振荡的建立直到振荡稳定的过程。细分起来，包括起振、增幅振荡和振荡振幅稳定这样三个相互联系的工作过程，如图3-38：在起振和增幅振荡的过程中，大功率管工作在放大区，故此时静态工作点应在合适的位置。增幅振荡以后，振荡振幅不会无止境的增长，因为晶体管是一个非线性器件，随着振荡振幅的增长，基极电压ub=VBB+Ubcoswt摆动的幅度逐步加大，向正方向摆动将进入饱和区，向负方向摆动将进入截至区，即进入晶体管特性的非线性区。这时同样的激励电压增长，集电极电流增长缓慢了，输出振荡振幅的增长速度减慢了，电压放大倍数减小，直至最后ub摆动到饱和区和截止区，在AF=1的状态下稳定下来，形成了等幅的正弦振荡。图3-38从振荡的建立到稳定的过程