智能的多功能智能家居干燥系统设计

一、项目概述

1.1 引言

我国南方大部分城市，雨水充沛，多雨的天气使得人们平日经常“晒不干”衣物鞋袜。尤其是遇到梅雨季节，闲置在橱柜里的衣物被褥也经常会湿漉漉的，处理起来十分不便，潮湿的衣物被褥对人的身体健康也存在着不利因素。而每每遇到临时要用时，更是让人无可奈何。如图1和图2所示，就是人们在生活中经常遇到的情况。

图1 衣柜发霉一角 

1.2 项目背景/选题动机

目前市场上的干燥设备有干燥器，如干鞋器、烘鞋器、烘衣器等等，其原理均是采用电热效应。但这些干燥器功能较为单一，对家居潮湿的问题也不能够很好的解决，主要存在以下问题：1）操作不方便，如不能定时开关、不能调温等；2）存在安全隐患，无过热、过流保护功能；3）能耗较高，工作模式单一，使用存在很大局限性，且不能自动停止加热或选择性加热。

本项目的设计目的及基本思路就是利用嵌入式系统技术，采用单片机、温湿度传感器、过流保护电路等设计出一款新型的多功能智能家居干燥系统，实现家居的智能干燥，对其工作状态、工作模式实现实时控制和自动转换，更能通过无线通信模块做到用户的远程监测和控制，从而解决南方地区家居环境潮湿所带来的一系列问题，所涉及的系统具有创新性、科技性、实用性和安全性，成本较低，迎合大多数家庭的需要，具有广泛的应用前景。

二、需求分析

2.1 功能要求

本项目旨在研制出一种方便、安全、智能的多功能智能家居干燥系统，它能够根据检测家居内环境的温湿度，实现自动断电，也能够与人工断电结合，而且能针对不同种类的家居环境，提供不同的适宜温度，以达到资源合理利用的目的。因此，本项目拟采用过流过热保护、温湿度检测等技术，在充分考虑本系统的安全性能的基础上，力争实现智能家居的多功能干燥，并做到节能降耗，项目的主要功能要求有：

实现自动温湿度检测，做到无人操作，具有无线通信功能，通过GPRS方式实现系统与用户之间的通信，用户可通过手机短信实现远程状态监测与控制；

2.干燥系统集成度高，体积小，可内置于任意需要干燥的家居环境中，如壁柜、鞋柜、衣柜等，做到使用方便、快捷；

3. 具有故障诊断与自保护功能，当传感器检测到工作模块电流电压过高过大时，能够实现自动断线进行自我保护，确保用电安全，以及避免引起火灾等危害；

4.增加杀菌除臭的功能，为人们生活带来更加便利、舒适、健康的环境。

　　三、方案设计

　　3.1 系统功能实现总体结构及原理

　　通过单片机作为处理器，借助湿度探头、温控系统、杀菌除臭系统和保护系统实现多功能智能家居干燥系统的数字定时、智能断电、智能杀菌除臭、节能开关、可调温度、过流过热保护、远程GRPS通信及检测等功能。多功能智能家居干燥系统的总体结构如图3所示，其总体工作原理图如图4所示。

　　

　　图3 多功能智能干鞋器总体结构图

　　

　　图4 总体工作原理图

　　3.2 硬件平台选用及资源配置

　　3.2.1湿度检测模块设计

　　湿度检测是MCU获取外界环境参数的重要一环，拟采用HS1101湿度传感器，实时监测空气相对湿度。

　　HS1101湿度传感器核心器件是基于独特工艺设计的电容元件，它的工作温度范围是-40℃~100℃，完全符合家居条件下的测量，另外它具有以下特点：（1）全互换性 在标准环境下不需校正； （2）长时间饱和下快速脱湿 ；（3）高可靠性与长时间稳定性 ；（4）专利的固态聚合物结构 ；（5）快速反应。

　　其原理是空气湿度改变，会引起电容电解质的变化，进而使电容值改变，MCU通过测量电容充放电时间确定实时相对湿度R，并与整定值R0比较，如果R》 R0 ，则MCU发出停止加热信号A。

　　3.2．2温度检测模块设计

　　温度也是外界环境一重要参数，拟采用数字式DS18B20温度传感器测量温度。DS18B20温度传感器采用单总线通信方式，测温范围 －55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃，支持多点组网功能，最多8个DS18B20可以并联在唯一的主线上，实现多点测温，因此基于DS18B20的温度测量具有电路简单，可靠性强的特点。

　　MCU对采集的温度数据滤波后，得出实时温度值T，与设定值T0比较，如果T》T0 ，MCU则发出停止加热信号B，否则根据|T-T0|的大小自动选择功率档位，以此维持环境温度的稳定。

　　根据我们对家居环境的温湿度采样及调查，温度的变化波动不大，湿度则时而潮湿，时而干燥，因此这里我们设定湿度优先级高于温度，即只要发出停止加热信号A，即切断加热电路而不管是否发出停止加热信号B；而发出停止加热信号B，需检测停止加热信号A。

　　3．2.3加热模块设计

　　拟采用陶瓷加热器，工业级AVR单片机的I/O，具有大电流10～40 mA，可直接驱动可控硅SCR或继电器，利用这一特点，可以实现MCU控制加热电路的通断，简化了外围驱动，增强了电路的可靠性。

　　3.2.4紫外线杀菌消毒模块设计

　　紫外线杀菌灯，由于紫外线会杀死细胞，因此消毒时要注意不能直接照射到人的皮肤，为此在消毒阶段MCU实时检测是否有人体靠近，并带有报警系统。

　　3.2.5 GRPS无线通信模块设计

　　由于网络化的迅速发展，系统互联通信已经成为趋势，因此采用GPRS无线通信模块实现用户的实时控制。

　　3.2.6人机交互设计

　　用户可以定时，也可以设定温度值，还可以读取当前温湿度，系统可以识别用户设定的不合理之处，并且加以提醒，而这些用到键盘，LCD，以及蜂鸣器，操作十分简便。

　　3.2.7 故障检测模块设计

　　系统主要故障有（1）：漏电；（2）加热器损坏。因此加入漏电检测和加热器损坏检测。

　　漏电检测可以采用仪用互感器采集漏电电流，通过MCU集成的模拟比较器与整定值比较；也可以对电流采样，若电流出现大的波动则认为漏电。而这些过程的实现都可以在MCU集成的外围模块中找到，很容易实现，节省电路成本。

　　加热器损坏可以通过软件判断，若温度变化率低于整定值，则认为加热器件损坏。

　　3.3系统软件流程

　　工作具体流程如图3所示，干燥模块开始工作，首先过流过热保护模块判断是否存在过流过热现象，存在则自动断电并发声发光警报；反之则继续判断是否需要杀菌除臭，需要则开启杀菌除臭模块，不需要则跳过杀菌除臭。进而检测是否需要定时工作，若定时工作启动，启动发热模块，当计时器到达所设时间，则自动断电；若不启动定时工作，启动发热模块，当湿度检测模块检测到环境湿度达到设定值，自动断电，干燥系统工作结束。

　　

　　图3 总的工作流程图

　　3.4 系统预计实现结果

　　本项目能够根据检测家居内环境的温湿度，实现自动断电，也能够与人工断电结合，而且能针对不同种类的家居环境，提供不同的适宜温度，以达到资源合理利用的目的。有如下显著效果：

　　1、实现自动温湿度检测，做到无人操作，具有无线通信功能，通过GPRS方式实现系统与用户之间的通信，用户可通过手机短信实现远程状态监测与控制；

　　2、干燥系统由红外遥控器进行操作，减少装置排线，集成度高，体积小，可内置于任意需要干燥的家居环境中，如壁柜、鞋柜、衣柜等，易装易卸、做到使用方便、快捷；

　　3、具有故障诊断与自保护功能，当传感器检测到工作模块电流电压过高过大时，能够实现自动断线进行自我保护，确保用电安全，以及避免引起火灾等危害；

　　4、增加了杀菌除臭的功能，为人们生活带来更加便利、舒适、健康的环境。