作者/ 彭一準 殷曉航 高曉峰 劉藝偉 張遼 天津科技大學 電子信息與自動化學院(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，但二者同時購買既浪費金錢又占據空間。在本文的設計中，用一臺機器實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，實現空氣凈化和加濕的目的。

引言

　　隨著中國工業化的發展，諸多城市被霧霾所威脅，人們關閉門窗，嚴防霧霾進入，殊不知長期密閉的室內空氣已被污染，空氣中充滿了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，室內環境更加干燥，這會使人們的皮膚因缺水開裂，甚至會降低人體免疫力，增加患病的幾率。傳統的加濕器，通過直接蒸發水分，對空氣進行加濕，但蒸發水分的多少需要人工調節。過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，能夠自動檢測所在空氣的離子濃度及濕度，自動進行凈化加濕，以保證一個舒適的空氣環境。

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，用氣流中的顆粒反射出來的閃光的頻率及持續時間來測量顆粒的含量，把由于氣流中的濕度導致的誤差降低到了無關緊要的水平。

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

　　凈化裝置由風扇，PM2.5HEPA過濾網組成。加濕裝置由霧化片、儲水器、風扇和蜂鳴器組成。PM2.5HEPA過濾網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放置和支撐過濾介質，可多層折疊，過濾顆粒物和吸附異味效果明顯。霧化片利用電子高頻振蕩(超出人的聽力范圍，不影響人與動物的聽力)將水分子打散形成自然水霧，既節省資源又健康環保。在霧化過程中，產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調節模式。人們可以根據自身的喜好來設定濕度，或者直接按智能模式，由智能凈化加濕器自動調節。向儲水器加水時，液位上升至指定位置就會發出提示，當液位低于安全位置時也會報警，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 凈化裝置驅動電路

　　凈化裝置驅動電路的連接電路如圖6所示，風扇與MCU的P3口連接，VCC采用12V電壓供電。

　　1.6 加濕裝置驅動電路

　　加濕裝置驅動電路的連接電路如圖7所示，霧化器通過三極管與MCU的P4口連接，風扇與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

　　主要使用空氣質量傳感器和溫濕度傳感器分別測得空氣質量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，后期再根據實驗數據做適當修正。

　　根據空氣質量傳感器可測量0.8μm以上的粒子，空氣質量x的論域確定為[0,300]。