芦照烜，徐凤珍，龙顺宇
（海南热带海洋学院 海洋信息工程学院，海南三亚， 572022）
0 引言
近年来，随着社会进步以及人们对于生活水平的要求不断提高，生活舒适度日渐受到人们的关注，而空气湿度是影响人们生活舒适度的关键因素之一。人生活在相对湿度45%～65%的环境中最感舒适[1]。当室内湿度过大时，人体皮肤周围的水蒸气压力较大，当湿度过小时，人体的皮肤变得粗糙干裂，免疫力下降[2]。以USB供电，利用单片机通过扫频获取频率，再产生的PWM信号经驱动电路使雾化片高频谐振将液态水分子打散产生水雾，以调节空气湿度。反馈网络传递电压信号，使该雾化器工作更加稳定，同时也防止了雾化片的损坏（干烧）。通过移动终端的蓝牙远程控制以及定时功能，使雾化器更便捷易用。本文以调节空气湿度从而提高人们生活舒适度为目标，设计了一种低功耗，低成本，简单易用的超声波雾化器，以满足人们的日常生活需求。
1 系统框架及功能设计
本文设计的多功能超声波雾化器由STC8H8K64U单片机为控制核心，主控控制水位检测报警的响应，实时读取DHT20温湿度检测模块的数据，以及通过蓝牙透传模块接收移动终端的信息，从而实现水位检测报警，显示环境温湿度，通过蓝牙连接移动终端中距离控制等智能化功能，单片机输出的PWM信号控制MOSFET开关经过三脚升压电感后驱动雾化片，使固有频率为108kHz左右的微孔雾化片产生高频谐振将液态水分子打散成自然飘逸的雾化颗粒，以调节空气湿度。本文超声波雾化器系统框架图如图1所示。
图1 超声波雾化器系统框架图
2 系统硬件设计
该系统硬件主要包括：单片机、雾化片驱动电路、采样信号处理电路、LCD显示液晶、蓝牙透传模块、DHT20温湿度传感器等。STC8单片机接收经过采样信号处理电路的模拟信号，再通过发出的PWM信号驱动雾化片工作，形成反馈控制，DHT20温湿度传感器将获得的空气中的温湿度信息传递给STC8单片机，经过单片机处理后在LCD液晶上显示，蓝牙透传模块近距离接收从移动终端获得的信息，该系统采用5V供电。可应用于调节室内空气湿度等一般场景。
■2.1 雾化片驱动电路设计
雾化片驱动电路原理图如图2所示。由单片机发出占空比为50%的PWM信号驱动MOSFET开关，电压信号流入三角电感产生高频振荡信号利用压电陶瓷的逆压电效应把电信号变为机械振动打散液态水分子形成自然飘逸的水雾。
图2 雾化片驱动电路原理图
图3为雾化片驱动电路等效电路图，雾化片可看作固有频率为108kHz左右的陶瓷压电片，图中SW1等效于MOSFET开关，Rq、Cq和Lq组成RLC串联电路，当电路未到达雾化片固有频率时，XL≠XC，由公式(1)、(2)：
图3 雾化片驱动电路等效电路图
图中C0为静态电容，Rq为动态电阻，Cq为动态电容，Lq为动态电感。
式中Z为串联谐振电路的总电抗，R为Rq的阻值，XL为Lq感抗，XC为Cq容抗值，φ为阻抗角。得阻抗角φ不为0，雾化片两端电压存在相位差，雾化量小，雾化速率低。当该电路工作在雾化片固有频率时，雾化片内部RLC串联电路谐振，XL=XC，阻抗角为0，电抗为0，电感和电容在互相交换能量（无功功率），电流最大。RLC串联电路此时显纯电阻特性，电阻max为150Ω。而动态电阻Rq、静态电容C0和三脚升压电感组成RLC并联谐振电路如图4所示。
同样当XL=XC，谐振频率计算公式同RLC串联谐振公式一样，在图4中，RLC并联谐振时，电容C0和电感L1、L2在互相交换能量，此时的C0和L1、L2对外界电路来说相当于“虚断”，电流只从电阻流过，电抗依然为0，电流最大。所以本文选择三脚电感时，尽量选择了电感值和雾化片静态电容匹配的三脚升压电感。本文中的三脚升压电感共797μH，静态电容3200pF，理论上该雾化片驱动电路并联谐振频率应接近雾化片的串联谐振频率108kHz。由谐振频率公式：
图4 雾化片内部谐振后等效电路图
计算得，f≈99.7kHz（计算过程中保留了小数点后1位，计算结果比实际偏大），所以我们选择的三脚升压电感是偏小的，理想情况下，三角电感和静态电容匹配，计算所得的谐振频率f应为108kHz。
■2.2 采样信号处理电路设计
该系统的采样信号处理电路由交流偏置放大和峰值检测两部分组成，由于驱动雾化片所需要的电压信号波形是正弦波，所以经过采样电阻的电压信号为交流弱信号，利用雾化片驱动电路谐振时，电抗为零，电流最大的特性，利用欧姆定律可知此时采样电阻上的电压最大，但单片机无法采集交流信号，应对采样信号进行一定的处理。考虑到电源限制，使用了交流偏置放大，仅一个+5V的电源即可满足采样信号处理需求，经过放大后的信号再经过峰值检测，最终转换成单片机可以采集的直流电压信号，再经过STC8内部ADC转换成数字信号，至此单片机完成雾化片工作反馈信号的采集。如图5所示。
图5 采样信号处理电路原理图
初级放大采用集成运放电路可以提高电路的稳定性，减少外围器件的使用以及调试的复杂性[3]。图中电路U2.1采用的是直流全反馈交流同向放大电路，电容隔交通直，使得只对交流有放大作用，对直流没有。对直流通路来讲，相当于一个电压跟随器，同时该电路为同向放大电路，具有较高的输入阻抗，能很好将输出的静态电压工作点提高，只放大交流信号。
仅对直流分析，输出端电压可由式(5)：
我们要获得2.5V的输出电压，而供电电压为+5V，由Uo=Ui/2，只要R7=R8就可得到相应的电压值。
仅对交流分析输出信号的幅值电压可由式2：
其中Rf为RF2，Rg为RF1。Uo=10*Ui，即(Rf+Rg+1/jωC)/(Rg+1/jωC)=10，为了尽可能地把隔直电容对反馈网络的影响减小，以使电路更加稳定，所以1/jωC应尽可能小，对于隔直电容C参数的设置，根据输入的频率为100kHz左右，可得ω=2πf=618.5k。电容阻值Zc=1/jωC，当C取100μF时，电容阻抗Zc≈0.016Ω，Zc远远小于Rg，所以电容对反馈网络电阻的影响很小，可以忽略不计，满足设计要求。
从而电阻公式化简为(Rf+Rg)/Rg=10，这里取Rf=30k,Rg=3k。高速的应用中会应用100～1k之间，但会增大电流消耗，便携设计中阻值在1～10M之间，但会增大系统噪声，故此电路中都采用1～100k的电阻。
随后对输入信号的峰值信号进行提取，传统峰值采集电路存在两个主要缺陷：(1)存在二极管的正向导通压降；(2)电容器易受后续电路的影响，导致电荷泄漏，保持时间与精度就无法保证[4]。当交流信号V+出现正增量时，U2.2运放u+和u-之间出现差值，运放开始输出电压输出二极管给电容充电，（如果没有U2.3）当输出电压接近V+峰值时，u+与u-之间差值趋近于0，运放进入负饱和，输出电压就接近地。加第二个运放后有效避免了运放进入负饱和状态导致的输出信号失真。电路仿真结果如图6所示。
图6 采样信息处理电路仿真结果
■2.3 单片机及外围电路设计
考虑到系统要求，需要实现水位检测报警，检测温湿度，以及通过蓝牙透传模块接收移动终端的信息，显示环境温湿度，通过按键设置雾化时间，雾化等级等功能，本文选择了利用单片机引脚信号控制蜂鸣器实现水位检测报警，温湿度传感器DHT20来检测温湿度，蓝牙透传模块HC-06负责蓝牙通信，LCD液晶显示雾化设定的值以及一些参数，通过MicroUSB接口5V供电，单片机及外围电路如图7所示。
图7 单片机及外围电路设计
电路中的U4为DHT20传感器，温度范围为-40℃～+80℃±0.5℃，湿度范围为0～100%RH±3%RH（25℃）满足一般场景应用。在测量精度、供电电压、测量范围、响应时间、稳定性等方面的性能参数相较DHT11都有大幅提升。具有出厂标定、低功耗、高精度、高稳定性等特点，采用完全校准的数字I2C接口，响应迅速，抗干扰能力强，性价比高。
电路中的H1为HC-06蓝牙透传模块，该模块只能工作在从机模式，不能主动建立连接，硬件上用CSR (Cambridge Silicon Radio)公司的BC417143芯片，支持蓝牙2.1+EDR规范，未连接任何设备时，可通过AT指令设置该模块的波特率、配置密码等，移动终端连接成功后，可以短距离和单片机进行无线通信，从而实现室内随时控制雾化器的效果。此外，电路中的KEY1～KEY4分别连接单片机的GPIO口，配合LCD1602实现人机交互，单片机P32控制蜂鸣器实现水位检测报警。
3 系统软件设计
系统软件的设计重点在雾化片扫频程序、水位检测编程。系统软件流程图如图8所示。
图8 系统软件流程图
■3.1 雾化片扫频程序设计
通过上文对雾化片等效电路的分析，单片机输出PWM信号频率对雾化片的雾化速率，雾化量大小有着举足轻重的作用。更有研究表明，雾化片阻抗最小时对应的谐振频率能使雾化片的雾化性能更好[5]。扫频程序流程如图9所示。
图9 扫频程序流程图
开始扫频，单片机发出所要扫取频率PWM信号，并接收从采样信号处理电路的AD采样值，存入数组中，所要扫取的频率结束后，比较获取采样值最大的频率作为扫频获取的最终雾化片最佳谐振频率，扫频过程进行单片机程序化可得如下源码：
■3.2 水位检测程序设计
水位检测对雾化器来说至关重要，雾化片长时间干烧会减少雾化片寿命甚至导致雾化片直接烧毁。本文根据进行的实验，发现雾化片在缺水后会在短时间内采样电压信号上升并保持。根据实验结果，确定水位检测程序思路：在雾化器开始工作后设定中断每2分钟进行一次采样并把上次采样值和这次采样值进行比较，根据比较结果判定雾化片是否干烧。如果干烧，单片机停止输出PWM信号并控制蜂鸣器提醒用户。
4 系统测试
本文设计的超声波雾化器实现了雾化器智能的优化，手动设置雾化等级后实测如图10所示。雾化器实测波形如图11所示。
图10 雾化器实测图
图11 雾化器实测波形图
5 结语
本文给出的多功能超声波雾化器设计方法，实现了水位检测、移动终端近距离控制、雾化时间的设定等功能，可满足医疗、车载、美容等场景的应用。根据本文研究雾化片等效电路过程中发现雾化片在最佳谐振点时，雾化片两端电压相位差为零，用相位检测电路可实现硬件自动追踪，降低成本。在改变雾化强度时，利用占空比调节方法发现与雾化情况并非线性变化，并且波形畸变降低雾化效率。反馈网络电阻采用电阻串并连接方式，可以提高反馈网络电阻的精度，进一步提高放大电路的精度。这些方面可进一步改进对接实际要求。
