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超声波雾化器

摘 要
在日常生活中雾化器得到了广泛的应用，但是现有的雾化器都需要手工控制开启和关闭并且不具备对室内空气温湿度的监测，人们在使用过程中存在过度加湿和干烧的问题，不仅给室内空气舒适度造成负面影响并且还存在安全隐患。因此开发设计一种价格低廉、功耗低、具有自动控制功能的雾化器显得尤为必要。本设计采用智能控制，以AT80S51单片机为核心，外接辅助电路，通过实现加湿器的防干烧、声光报警、智能开启和关闭以及室内温湿度的显示功能基本实现雾化器的智能化。
关键词：单片机；智能；雾化器；相对湿度；传感器；

目 录
第1章 绪论 5
1.1 概况 5
1.2 本文研究内容 5
第2章 CPU最小系统设计 5
2.1 总体设计方案 6
2.2 CPU的选择 7
2.3 数据存储器扩展 8
2.4 复位电路设计 9
2.5 时钟电路设计 10
2.6 CPU最小系统图 11
第3章 输入输出接口电路设计 11
3.1 传感器的选择 11
3.2 检测接口电路设计 12
3.2.1 A/D转换器选择 12
3.2.2 模拟量检测接口电路图 12
3.3 输出接口电路设计 13
3.4 人机对话接口电路设计 13
第4章 系统设计与分析 15
4.1 系统原理图 15

4.2 系统原理综述 15
文献 17

第1章 绪论
1.1概况
用途功能：超声波加湿器是采用超声波高频振荡的原理，将水雾化为一至五微米的超微粒子，通过风动装置，将水雾扩散到空气中，从而达到均匀加湿空气的目的。
现状： 现有生产五个系列的产品，其基本单元均为组合或者说集成式超声波雾化器，其整体还有电源系统、供水系统、水雾输送系统等，另根据不同的使用场所、不同形式、不同要求设计的不锈钢机体，组装为不同的超声波工业加湿设备。现有生产五个系列的产品，所具有的差别主要是在应用领域不同、控制方式不同、雾化量不同等几个方面。首先，应用领域五个系列多种领域；其次；每个领域有侧重不同的控制方式；第三，每个场所有不同的加湿量。
1.2本文研究内容
根据任务书内容进行描述（要完成的功能以及设计的内容）
系统软件实现的功能：

1) 通过LED显示温湿度值及水位；
2) 比较监测到的水位，发现低水位时自动掉电并声光报警；
3) 根据相对湿度值控制加湿器的开关。
本课题研究主要涉及以下方面：
1） 通过对控制系统的功能及要求确定总体设计方案
2） 系统硬件电路的设计与开发
3） 系统软件程序的设计与调试
4 系统性能测试
本设计将采用智能控制，以AT80S51单片机为核心，外接辅助电路，通过实现加湿器的防干烧、声光报警、智能开启和关闭以及室内温湿度的显示功能基本实现加湿器的智能化。
第2章 cpu最小系统设计
2.1 总体设计方案
根据任务书中的设计要求以及设计内容，画出总体方案框图，并简要说明各模块功能。

图2.1 过程层原理框图

表1.1 变电站情况
项目名称
本期规模
变压器
2台
35kV进线
2回
10kV出线
6回
10kV电容器组
2台
电气主接线
35kV外桥接线
10kV单母分段接线

单片机
温度传感器1
温度传感器2
1602LCD显示屏
水位传感器
加湿器开关
声光报警器

图1-1 自动加湿器功能原理图

温度检测：利用DS18B20数字温度传感器检测环境实时温度
湿度检测：两个温度传感器分别采集室内空气的干湿球温度，并将采集的温度传送至单片机。单片机对这两个数据加以处理并结合室内湿度要求加湿器的 开启和闭合

液位检测：利用BZ0504液位开关检测水槽实时液位。判断有水时输出0V，无水时5V。
单片机控制：我们标配的是AT80S51，作为核心部件，实现对内部功能的控制。
液晶显示：利用1602液晶显示模块。显示实时的温湿度。
声光报警：当检测的液位低于安全值时，蜂鸣器响且LED灯闪亮，提醒用户给水槽加水。
2.2 CPU的选择
根据设计要求以及设计内容，说明CPU的型号，并简要介绍所选择CPU的内部资源以及引脚结构图。
T89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89S51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2-1所示

图2-2 AT89S51芯片引脚图

AT89S51共有40个引脚，大致可分为4类：电源引脚、时钟电路引脚、I/O引脚、控制线引脚。根据开发的需要和单片机的结构，我们就可以实现单片机的自动工作，即实现自动化！
2.3数据存储器扩展
结合设计题目说明扩展数据存储器必要性，阐明控制的数据存储器型号，并简要概括其性能，再加上CPU与数据存储器的硬件原理图。
扩展数据存储器电路常用RAM芯片：Intel 6116(2KB)、6264(8KB)、62256(32KB)等。
RAM是用来存放各种数据的，MCS-51系列8位单片机内部有128BRAM存储器，CPU对内部RAM具有丰富的操作指令。但是，当单片机用于实时数据采集或处理大批量数据时，仅靠片内提供的RAM是远远不够的。此时，我们可以利用单片机的扩展功能，扩展外部数据存储器。实训6的参考程序1就是一个扩展RAM的使用实例。 常用的外部数据存储器有静态RAM（Static Random Access Memory—SRAM）和动态RAM（Dynamic Random Access Memory—DRAM）两种。前者读/写速度高，一般都是8位宽度，易于扩展，且大多数与相同容量的EPROM引脚兼容，有利于印刷板电路设计，使用方便；缺点是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相对较低；缺点是需要增加一个刷新电路，附加另外的成本。 MCS-51单片机扩展片外数据存储器的地址线也是由P0口和P2口提供的，因此最大寻址范围为64KB（0000H～FFFFH）。 一般情况下，SRAM用于仅需要小于64KB数据存储器的小系统，DRAM经常用于需要大于64KB的大系统。

图2-3 数据存储扩展电路图

2.4复位电路设计
阐述复位电路的重要性；画出复位电路原理图，说明复位条件以及复位过程
复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。图3-3所示的RC复位电路可以实现上述基本功能，图3为其输入-输出特性。但解决不了电源毛刺（A点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题 而且调整 RC 常数改变延时会令驱动能力变差。左边的电路为高电平复位有效 右边为低电平Sm为手动复位开关 Ch可避免高频谐波对电路的干扰。

图2-4 上电及手动复位电路图

2.5时钟电路设计

阐述时钟电路的重要性；画出时钟电路原理图，说明复电容参数值以及晶振频率
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必须的时钟控制信号，MCS-51单片机的内部电路在时钟信号的控制下，严格的执行指令进行工作，在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出所需要的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，另一类用于对片外存储器或I/O端口的控制。 MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作，因此时钟频率直接影响单片的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟设计电路有两种方式，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。

图2-5 时钟电路设计图

2.6 CPU最小系统图
根据上述4节图，形成完整的CPU最小系统图

图2-6 Cpu最小系统图

第3章 输入输出接口电路设计
3.1传感器的选择
根据所要检测或要控制的任务，首先确定传感器，并介绍传感器的性能等特性。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
3.2检测接口电路设计
3.2.1A/D转换器选择
根据设计参数以及要求，选择A/D转换器芯片，并介绍其性能特性，转换精度。
模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
模数转换器最重要的参数是转换的精度与转换速率，通常用输出的数字信号的二进制位数的多少表示精度，用每秒转换的次数来表示速率。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。高精度高速度的A/D转换器在军事，太空，医疗等尖端领域有著致关重要的地位。
3.2.2模拟量检测接口电路图
画出有传感器、CPU、AD转换器等电路连接图，即完整的模拟量检测硬件电路。

图3-2-2 模拟量检测接口电路图

3.3输出接口电路设计

图3-3单片机与时钟、液晶显示器及按键接口电路图

3.4人机对话接口电路设计
该部分主要是设计键盘和显示器，根据设计具体情况设计合理的键盘和显示。
键盘是由若干按键组合而成的，常采用矩阵式连接，称为矩阵式键盘，即每条水平线和垂直线在交叉处通过一个按键加以连接。当需要的键数比较多时，采用矩阵连接可以减少I/O口的占用。
利用LED点阵式显示模块不仅可以显示数字，也可显示所有西文字母和符号，与由单个发光二极管组合连成的显示器相比，具有焊点少、连线少，所有亮点在同平面、亮度均匀、外形美观等优点，可以代替数码管、符号管和米字管。如果将多块组合，可以构成大屏幕显示屏，用于汉字、图形、图表等等的显示，因此被广泛用于机场、车站、码头、银行及许多公共场所的指示、说明、广告等场合。

第4章系统设计与分析
4.1系统原理图

图4-1 超声波雾化器原理图

4.2系统原理综述
该雾化器具有以下特点：分体式，即超声雾化头与电源和电路部分完全分离；便携式，体积小、即插即用、设 有自保功能；高可靠，可全天候工作；雾化量大，与别墅的山水盆景配套可发生云雾缭绕的动感；特别适合过 分干燥的环境对空气加湿，以利人的呼吸；在水中加入适量的某种溶剂，给被污染的居住环境消毒，以预防疾 病（如把生活用醋定时雾化，可预防流感）。 此主题相关图片如下： 一、电路工作原理。 该雾化器电路如图１所示，电源变压器Ｂ（ＡＣ２２０Ｖ／３０Ｗ）经降压（３６ Ｖ）送Ｄ１～Ｄ４整流和Ｃ５、Ｃ６滤波后给电路提供工作电压。雾化器工作电路由振荡器、换能器和水位控 制电路等组成。
１． 振荡器和换能器。 电路中的振荡器是一种由高频压电陶瓷片ＴＤ（超声换能器）组成的工作振荡器， 其振荡频率为１．６５ＭＨｚ（决定于选定的ＴＤ）。晶体三极管ＢＧ１和电容器Ｃ１、Ｃ２等构成电容三点 式振荡器电路。Ｃ１和电感Ｌ１等效并联的谐振频率比工作频率低，其作用是决定工作振荡器的振荡幅度；Ｃ ２和电感Ｌ２等效串联的谐振频率比工作频率高，其作用是决定工作振荡器的反馈量，以保证振荡器起振和维 持电路的可靠振荡。压电陶瓷片ＴＤ具有很大的等效电感，它除决定电路的工作频率外，同时又是雾化器的工 作负载。若更换压电陶瓷片ＴＤ，无需调整电路其他参数，其振荡器频率也能自动跟踪新的压电陶瓷片的频率 而工作

２． 水位控制和偏置电路。 电路中的超声换能器ＴＤ（又称雾化头）和其上安装的两根水位控制触针， 他们是浸没在浅水水溶液中工作的。若长期雾化，一旦液面降低而使雾化头的水位控制触针露出水面时，振荡 器会自动阻断而停止工作，这也避免了雾化头因发热而损坏。 图１电路中的ＢＧ２、ＢＧ３管、触针Ａ、Ｂ以及相关的电阻，共同组成水位控制电路。电路工作时，电 源通过触针Ａ、Ｂ和水溶液给ＢＧ３的射极提供电源。ＢＧ３管导通工作。ＢＧ２管起开关作用。当ＢＧ３工 作时，ＢＧ２管也导通，电源通过ＢＧ３、ＢＧ２、Ｒ３、Ｌ３向ＢＧ１管提供偏置电流，使ＢＧ１管振荡工 作。一旦液面降低、控制触针露出水面，电源到ＢＧ３管的通路被切断，ＢＧ３管截止，ＢＧ２开关也断开， 此时ＢＧ１因无偏置电流而迅速停止振荡。调整电阻Ｒ３的阻值，可以直接改变ＢＧ１管的偏置电流，所以振 荡器的调试十分简单和方便。电路中的Ｄ７是ＢＧ１管ｂｅ极的保护二极管