一、項目概述

1.1 引言

我國南方大部分城市，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)常會濕漉漉的，處理起來十分不便，潮濕的衣物被褥對人的身體健康也存在著不利因素。而每每遇到臨時要用時，更是讓人無可奈何。如圖1和圖2所示，就是人們在生活中經(jīng)常遇到的情況。

圖1 衣柜發(fā)霉一角?

1.2 項目背景/選題動機

目前市場上的干燥設(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，對家居潮濕的問題也不能夠很好的解決，主要存在以下問題：1）操作不方便，如不能定時開關(guān)、不能調(diào)溫等；2）存在安全隱患，無過熱、過流保護功能；3）能耗較高，工作模式單一，使用存在很大局限性，且不能自動停止加熱或選擇性加熱。

本項目的設(shè)計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、溫濕度傳感器、過流保護電路等設(shè)計出一款新型的多功能智能家居干燥系統(tǒng)，實現(xiàn)家居的智能干燥，對其工作狀態(tài)、工作模式實現(xiàn)實時控制和自動轉(zhuǎn)換，更能通過無線通信模塊做到用戶的遠程監(jiān)測和控制，從而解決南方地區(qū)家居環(huán)境潮濕所帶來的一系列問題，所涉及的系統(tǒng)具有創(chuàng)新性、科技性、實用性和安全性，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)檢測家居內(nèi)環(huán)境的溫濕度，實現(xiàn)自動斷電，也能夠與人工斷電結(jié)合，而且能針對不同種類的家居環(huán)境，提供不同的適宜溫度，以達到資源合理利用的目的。因此，本項目擬采用過流過熱保護、溫濕度檢測等技術(shù)，在充分考慮本系統(tǒng)的安全性能的基礎(chǔ)上，力爭實現(xiàn)智能家居的多功能干燥，并做到節(jié)能降耗，項目的主要功能要求有：

實現(xiàn)自動溫濕度檢測，做到無人操作，具有無線通信功能，通過GPRS方式實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的通信，用戶可通過手機短信實現(xiàn)遠程狀態(tài)監(jiān)測與控制；

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功能，當傳感器檢測到工作模塊電流電壓過高過大時，能夠?qū)崿F(xiàn)自動斷線進行自我保護，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，為人們生活帶來更加便利、舒適、健康的環(huán)境。

　　三、方案設(shè)計

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

　　通過單片機作為處理器，借助濕度探頭、溫控系統(tǒng)、殺菌除臭系統(tǒng)和保護系統(tǒng)實現(xiàn)多功能智能家居干燥系統(tǒng)的數(shù)字定時、智能斷電、智能殺菌除臭、節(jié)能開關(guān)、可調(diào)溫度、過流過熱保護、遠程GRPS通信及檢測等功能。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 硬件平臺選用及資源配置

　　3.2.1濕度檢測模塊設(shè)計

　　濕度檢測是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，實時監(jiān)測空氣相對濕度。

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

　　其原理是空氣濕度改變，會引起電容電解質(zhì)的變化，進而使電容值改變，MCU通過測量電容充放電時間確定實時相對濕度R，并與整定值R0比較，如果R》 R0 ，則MCU發(fā)出停止加熱信號A。

　　3.2．2溫度檢測模塊設(shè)計

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

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

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

　　3．2.3加熱模塊設(shè)計

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

　　3.2.4紫外線殺菌消毒模塊設(shè)計

　　紫外線殺菌燈，由于紫外線會殺死細胞，因此消毒時要注意不能直接照射到人的皮膚，為此在消毒階段MCU實時檢測是否有人體靠近，并帶有報警系統(tǒng)。

　　3.2.5 GRPS無線通信模塊設(shè)計

　　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，因此采用GPRS無線通信模塊實現(xiàn)用戶的實時控制。

　　3.2.6人機交互設(shè)計

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

　　3.2.7 故障檢測模塊設(shè)計

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

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

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

　　3.3系統(tǒng)軟件流程

　　工作具體流程如圖3所示，干燥模塊開始工作，首先過流過熱保護模塊判斷是否存在過流過熱現(xiàn)象，存在則自動斷電并發(fā)聲發(fā)光警報；反之則繼續(xù)判斷是否需要殺菌除臭，需要則開啟殺菌除臭模塊，不需要則跳過殺菌除臭。進而檢測是否需要定時工作，若定時工作啟動，啟動發(fā)熱模塊，當計時器到達所設(shè)時間，則自動斷電；若不啟動定時工作，啟動發(fā)熱模塊，當濕度檢測模塊檢測到環(huán)境濕度達到設(shè)定值，自動斷電，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)計實現(xiàn)結(jié)果

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

　　1、實現(xiàn)自動溫濕度檢測，做到無人操作，具有無線通信功能，通過GPRS方式實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的通信，用戶可通過手機短信實現(xiàn)遠程狀態(tài)監(jiān)測與控制；

　　2、干燥系統(tǒng)由紅外遙控器進行操作，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功能，當傳感器檢測到工作模塊電流電壓過高過大時，能夠?qū)崿F(xiàn)自動斷線進行自我保護，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，為人們生活帶來更加便利、舒適、健康的環(huán)境。