一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

我國(guó)南方大部分城市，雨水充沛，多雨的天氣使得人們平日經(jīng)?！皶癫桓伞币挛镄m。尤其是遇到梅雨季節(jié)，閑置在櫥柜里的衣物被褥也經(jīng)常會(huì)濕漉漉的，處理起來(lái)十分不便，潮濕的衣物被褥對(duì)人的身體健康也存在著不利因素。而每每遇到臨時(shí)要用時(shí)，更是讓人無(wú)可奈何。如圖1和圖2所示，就是人們?cè)谏钪薪?jīng)常遇到的情況。

圖1 衣柜發(fā)霉一角?

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

目前市場(chǎng)上的干燥設(shè)備有干燥器，如干鞋器、烘鞋器、烘衣器等等，其原理均是采用電熱效應(yīng)。但這些干燥器功能較為單一，對(duì)家居潮濕的問(wèn)題也不能夠很好的解決，主要存在以下問(wèn)題：1）操作不方便，如不能定時(shí)開(kāi)關(guān)、不能調(diào)溫等；2）存在安全隱患，無(wú)過(guò)熱、過(guò)流保護(hù)功能；3）能耗較高，工作模式單一，使用存在很大局限性，且不能自動(dòng)停止加熱或選擇性加熱。

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的及基本思路就是利用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，采用單片機(jī)、溫濕度傳感器、過(guò)流保護(hù)電路等設(shè)計(jì)出一款新型的多功能智能家居干燥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家居的智能干燥，對(duì)其工作狀態(tài)、工作模式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和自動(dòng)轉(zhuǎn)換，更能通過(guò)無(wú)線通信模塊做到用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，從而解決南方地區(qū)家居環(huán)境潮濕所帶來(lái)的一系列問(wèn)題，所涉及的系統(tǒng)具有創(chuàng)新性、科技性、實(shí)用性和安全性，成本較低，迎合大多數(shù)家庭的需要，具有廣泛的應(yīng)用前景。

二、需求分析

2.1 功能要求

本項(xiàng)目旨在研制出一種方便、安全、智能的多功能智能家居干燥系統(tǒng)，它能夠根據(jù)檢測(cè)家居內(nèi)環(huán)境的溫濕度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電，也能夠與人工斷電結(jié)合，而且能針對(duì)不同種類(lèi)的家居環(huán)境，提供不同的適宜溫度，以達(dá)到資源合理利用的目的。因此，本項(xiàng)目擬采用過(guò)流過(guò)熱保護(hù)、溫濕度檢測(cè)等技術(shù)，在充分考慮本系統(tǒng)的安全性能的基礎(chǔ)上，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)智能家居的多功能干燥，并做到節(jié)能降耗，項(xiàng)目的主要功能要求有：

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫濕度檢測(cè)，做到無(wú)人操作，具有無(wú)線通信功能，通過(guò)GPRS方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的通信，用戶可通過(guò)手機(jī)短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制；

2.干燥系統(tǒng)集成度高，體積小，可內(nèi)置于任意需要干燥的家居環(huán)境中，如壁柜、鞋柜、衣柜等，做到使用方便、快捷；

3. 具有故障診斷與自保護(hù)功能，當(dāng)傳感器檢測(cè)到工作模塊電流電壓過(guò)高過(guò)大時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)斷線進(jìn)行自我保護(hù)，確保用電安全，以及避免引起火災(zāi)等危害；

4.增加殺菌除臭的功能，為人們生活帶來(lái)更加便利、舒適、健康的環(huán)境。

　　三、方案設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)及原理

　　通過(guò)單片機(jī)作為處理器，借助濕度探頭、溫控系統(tǒng)、殺菌除臭系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多功能智能家居干燥系統(tǒng)的數(shù)字定時(shí)、智能斷電、智能殺菌除臭、節(jié)能開(kāi)關(guān)、可調(diào)溫度、過(guò)流過(guò)熱保護(hù)、遠(yuǎn)程GRPS通信及檢測(cè)等功能。多功能智能家居干燥系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其總體工作原理圖如圖4所示。

　　圖3 多功能智能干鞋器總體結(jié)構(gòu)圖

　　圖4 總體工作原理圖

　　3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

　　3.2.1濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

　　濕度檢測(cè)是MCU獲取外界環(huán)境參數(shù)的重要一環(huán)，擬采用HS1101濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣相對(duì)濕度。

　　HS1101濕度傳感器核心器件是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，它的工作溫度范圍是-40℃~100℃，完全符合家居條件下的測(cè)量，另外它具有以下特點(diǎn)：（1）全互換性 在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正； （2）長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕 ；（3）高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性 ；（4）專(zhuān)利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu) ；（5）快速反應(yīng)。

　　其原理是空氣濕度改變，會(huì)引起電容電解質(zhì)的變化，進(jìn)而使電容值改變，MCU通過(guò)測(cè)量電容充放電時(shí)間確定實(shí)時(shí)相對(duì)濕度R，并與整定值R0比較，如果R》 R0 ，則MCU發(fā)出停止加熱信號(hào)A。

　　3.2．2溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

　　溫度也是外界環(huán)境一重要參數(shù)，擬采用數(shù)字式DS18B20溫度傳感器測(cè)量溫度。DS18B20溫度傳感器采用單總線通信方式，測(cè)溫范圍 －55℃～＋125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，最多8個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的主線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，因此基于DS18B20的溫度測(cè)量具有電路簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。

　　MCU對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)濾波后，得出實(shí)時(shí)溫度值T，與設(shè)定值T0比較，如果T》T0 ，MCU則發(fā)出停止加熱信號(hào)B，否則根據(jù)|T-T0|的大小自動(dòng)選擇功率檔位，以此維持環(huán)境溫度的穩(wěn)定。

　　根據(jù)我們對(duì)家居環(huán)境的溫濕度采樣及調(diào)查，溫度的變化波動(dòng)不大，濕度則時(shí)而潮濕，時(shí)而干燥，因此這里我們?cè)O(shè)定濕度優(yōu)先級(jí)高于溫度，即只要發(fā)出停止加熱信號(hào)A，即切斷加熱電路而不管是否發(fā)出停止加熱信號(hào)B；而發(fā)出停止加熱信號(hào)B，需檢測(cè)停止加熱信號(hào)A。

　　3．2.3加熱模塊設(shè)計(jì)

　　擬采用陶瓷加熱器，工業(yè)級(jí)AVR單片機(jī)的I/O，具有大電流10～40 mA，可直接驅(qū)動(dòng)可控硅SCR或繼電器，利用這一特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)MCU控制加熱電路的通斷，簡(jiǎn)化了外圍驅(qū)動(dòng)，增強(qiáng)了電路的可靠性。

　　3.2.4紫外線殺菌消毒模塊設(shè)計(jì)

　　紫外線殺菌燈，由于紫外線會(huì)殺死細(xì)胞，因此消毒時(shí)要注意不能直接照射到人的皮膚，為此在消毒階段MCU實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有人體靠近，并帶有報(bào)警系統(tǒng)。

　　3.2.5 GRPS無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

　　由于網(wǎng)絡(luò)化的迅速發(fā)展，系統(tǒng)互聯(lián)通信已經(jīng)成為趨勢(shì)，因此采用GPRS無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)用戶的實(shí)時(shí)控制。

　　3.2.6人機(jī)交互設(shè)計(jì)

　　用戶可以定時(shí)，也可以設(shè)定溫度值，還可以讀取當(dāng)前溫濕度，系統(tǒng)可以識(shí)別用戶設(shè)定的不合理之處，并且加以提醒，而這些用到鍵盤(pán)，LCD，以及蜂鳴器，操作十分簡(jiǎn)便。

　　3.2.7 故障檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要故障有（1）：漏電；（2）加熱器損壞。因此加入漏電檢測(cè)和加熱器損壞檢測(cè)。

　　漏電檢測(cè)可以采用儀用互感器采集漏電電流，通過(guò)MCU集成的模擬比較器與整定值比較；也可以對(duì)電流采樣，若電流出現(xiàn)大的波動(dòng)則認(rèn)為漏電。而這些過(guò)程的實(shí)現(xiàn)都可以在MCU集成的外圍模塊中找到，很容易實(shí)現(xiàn)，節(jié)省電路成本。

　　加熱器損壞可以通過(guò)軟件判斷，若溫度變化率低于整定值，則認(rèn)為加熱器件損壞。

　　3.3系統(tǒng)軟件流程

　　工作具體流程如圖3所示，干燥模塊開(kāi)始工作，首先過(guò)流過(guò)熱保護(hù)模塊判斷是否存在過(guò)流過(guò)熱現(xiàn)象，存在則自動(dòng)斷電并發(fā)聲發(fā)光警報(bào)；反之則繼續(xù)判斷是否需要?dú)⒕?，需要?jiǎng)t開(kāi)啟殺菌除臭模塊，不需要?jiǎng)t跳過(guò)殺菌除臭。進(jìn)而檢測(cè)是否需要定時(shí)工作，若定時(shí)工作啟動(dòng)，啟動(dòng)發(fā)熱模塊，當(dāng)計(jì)時(shí)器到達(dá)所設(shè)時(shí)間，則自動(dòng)斷電；若不啟動(dòng)定時(shí)工作，啟動(dòng)發(fā)熱模塊，當(dāng)濕度檢測(cè)模塊檢測(cè)到環(huán)境濕度達(dá)到設(shè)定值，自動(dòng)斷電，干燥系統(tǒng)工作結(jié)束。

　　圖3 總的工作流程圖

　　3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

　　本項(xiàng)目能夠根據(jù)檢測(cè)家居內(nèi)環(huán)境的溫濕度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電，也能夠與人工斷電結(jié)合，而且能針對(duì)不同種類(lèi)的家居環(huán)境，提供不同的適宜溫度，以達(dá)到資源合理利用的目的。有如下顯著效果：

　　1、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫濕度檢測(cè)，做到無(wú)人操作，具有無(wú)線通信功能，通過(guò)GPRS方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的通信，用戶可通過(guò)手機(jī)短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制；

　　2、干燥系統(tǒng)由紅外遙控器進(jìn)行操作，減少裝置排線，集成度高，體積小，可內(nèi)置于任意需要干燥的家居環(huán)境中，如壁柜、鞋柜、衣柜等，易裝易卸、做到使用方便、快捷；

　　3、具有故障診斷與自保護(hù)功能，當(dāng)傳感器檢測(cè)到工作模塊電流電壓過(guò)高過(guò)大時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)斷線進(jìn)行自我保護(hù)，確保用電安全，以及避免引起火災(zāi)等危害；

　　4、增加了殺菌除臭的功能，為人們生活帶來(lái)更加便利、舒適、健康的環(huán)境。