基于MSP430的智能空气净化加湿器*

作者/ 彭一准 殷晓航 高晓峰 刘艺伟 张辽 天津科技大学 电子信息与自动化学院(天津 300222)

摘要：现阶段空气净化器与加湿器日益成为人们生活的必需品，但二者同时购买既浪费金钱又占据空间。在本文的设计中，用一台机器实现空气净化与加湿的功能，选用GP2Y1010AU0F灰尘传感器检测空气的污染程度，选择DHT11温湿度传感器检测空气湿度大小，选用低功耗的MSP430G2553单片机(MCU)为控制器，在MCU中采用模糊控制的智能调控方式，实现空气净化和加湿的目的。

引言

　　随着中国工业化的发展，诸多城市被雾霾所威胁，人们关闭门窗，严防雾霾进入，殊不知长期密闭的室内空气已被污染，空气中充满了CO、细菌、家具甲醛等污染物^[1]。北方气候干燥，加之室内依靠暖气取暖，室内环境更加干燥，这会使人们的皮肤因缺水开裂，甚至会降低人体免疫力，增加患病的几率。传统的加湿器，通过直接蒸发水分，对空气进行加湿，但蒸发水分的多少需要人工调节。过分潮湿的空气利于空气中的微生物快速繁殖，亦不利于人体健康^[2]。故本文所阐述的智能空气净化加湿器，能够自动检测所在空气的离子浓度及湿度，自动进行净化加湿，以保证一个舒适的空气环境。

1 整体设计

　　本智能空气净化加湿器的系统结构框图如图1所示，主控模块基于MSP430单片机，外围设备分为三个单元——检测单元、人机接口单元和执行单元。检测单元由GP2Y1010AU0F灰尘传感器、液位传感器和DHT11温湿度传感器组成。GP2Y1010AU0F灰尘传感器采用光散射技术，用气流中的颗粒反射出来的闪光的频率及持续时间来测量颗粒的含量，把由于气流中的湿度导致的误差降低到了无关紧要的水平。

　　人机接口单元由LCD触摸式显示屏、按键、驱动模块和报警器组成。执行单元由净化装置和加湿装置组成。不同于以往的净化加湿器由按键来调节，本净化器采用LCD触摸屏，16位真色彩显示，简单易操作。

　　净化装置由风扇，PM2.5HEPA过滤网组成。加湿装置由雾化片、储水器、风扇和蜂鸣器组成。PM2.5HEPA过滤网由一叠连续前后折叠的亚玻璃纤维膜构成，形成波浪状垫片用来放置和支撑过滤介质，可多层折叠，过滤颗粒物和吸附异味效果明显。雾化片利用电子高频振荡(超出人的听力范围，不影响人与动物的听力)将水分子打散形成自然水雾，既节省资源又健康环保。在雾化过程中，产生的负离子与空气中的粉尘粒子相结合，即达到加湿的目的，又达到净化的目的。

　　本智能净化加湿器有两种控制模式——智能调节模式和手动调节模式。人们可以根据自身的喜好来设定湿度，或者直接按智能模式，由智能净化加湿器自动调节。向储水器加水时，液位上升至指定位置就会发出提示，当液位低于安全位置时也会报警，提示人们需要加水了。

2 硬件设计

　　2.1 系统的整体硬件设计原理图

　　系统整体硬件设计原理图如图2所示。电源模块为MCU供电，MCU上方从左至右依次为净化装置、湿度检测模块、报警装置和加湿装置，下方从左至右依次为显示屏、液位传感器和灰尘传感器。

　　1.2 温湿度传感器连接电路图

　　温湿度传感器连接电路原理图如图3所示，DHT11传感器通过P1接口和MCU连接，VCC采用5V电压供电。

　　1.3 GP2Y1010AU0F灰尘传感器连接电路

　　灰尘传感器的连接电路如图4所示，灰尘传感器通过P2口与MCU连接，VCC采用5V电压供电。

　　1.4 显示屏连接电路

　　显示屏的连接电路如图5所示，显示屏的USART串行口与MCU的串行口连接，VCC采用5V电压供电。

　　1.5 净化装置驱动电路

　　净化装置驱动电路的连接电路如图6所示，风扇与MCU的P3口连接，VCC采用12V电压供电。

　　1.6 加湿装置驱动电路

　　加湿装置驱动电路的连接电路如图7所示，雾化器通过三极管与MCU的P4口连接，风扇与MCU的P5口连接，VCC采用5V电压供电。

3 软件

　　3.1 确定模糊控制器结构

　　主要使用空气质量传感器和温湿度传感器分别测得空气质量x和湿度y。模糊控制器根据x和y的数据，决定之后一定时间内的工作档位。

　　3.2 定义输入、输出量的模糊分布

　　首先在这里使用三角形隶属度函数，后期再根据实验数据做适当修正。

　　根据空气质量传感器可测量0.8µm以上的粒子，空气质量x的论域确定为[0,300]。