单片机智能加湿器设计与实现详解

前言

本文将从实现功能、整体设计方案、硬件电路设计、云平台使用、代码修改、元件清单以及致谢这七部分详细讲述制作过程中的细节。

一、实现功能

（1）加湿器设置了两种工作模式，自动模式和手动模式。在加湿器水量充足情况下，若设置为自动模式，则在加湿器加湿前判断当前环境湿度是否低于设置的湿度阈值，若低于则开启加湿，反之则关闭；若设置为手动模式，则不进行判断，按下就开启加湿，再次按下就关闭加湿。

（2）增加了加湿器的交互性，将加湿器的数据通过MQTT协议上传到OneNET云平台，手机APP订阅云平台将加湿器相关信息进行显示。同时可在APP上设置加湿器湿度阈值、工作模式以及加湿开关，通过云平台传回到单片机，实现远程控制。加湿器的相关信息也可通过OLED显示屏直接显示，便于用户查看。

（3）增加报警提示功能，当加湿器中水位过低时，不响应加湿请求并通过蜂鸣器鸣叫和APP端跳出提示框来提醒用户。

（4）增加按键控制功能，设有3个按键，实现界面切换、湿度阈值设置、模式选择以及加湿开关控制功能，设置的湿度阈值数据存储在FLASH内存中，实现掉电不丢失。

二、整体设计方案

基于单片机的智能加湿器设计采用STM32系列单片机作为主控芯片，系统所需模块包括温湿度检测模块、Wi-Fi通信模块、OLED显示模块、水位检测模块、雾化模块。STM32主控制器通过Wi-Fi通信模块完成单片机、云平台和手机APP之间的数据交互。

单片机将采集到的温湿度数据、水量数据、设置的湿度阈值数据、选择的加湿器模式、加湿开关状态上传到云平台。云平台作为中介，将信息转发给手机APP进行显示。从手机APP上下发湿度阈值调整、模式选择以及加湿开关指令也需借助云平台转发给单片机执行。通过云平台实现了手机APP控制单片机的效果。

三、硬件电路设计

3.1 电压转换电路

因为水位传感器模块和雾化模块需要5V供电，其他设备需要3.3V供电，因此本设计采用输入5V电压，并用AMS1117-3.3芯片将5V电压转换为3.3V电压，满足供电要求。采用Type-C实现外部供电，CC1、CC2接5.1K电阻接地，充电器关闭快充变为普通供电。按键按下时，充电器的5V电压进入转换芯片进行电压转换。

3.2 蜂鸣器报警电路

报警电路采用有源蜂鸣器，内部含有振荡源，上电即可鸣叫。但由于单片机I/O口输出电流较小，几乎驱动不了蜂鸣器，因此添加一个NPN型三极管构成电流放大电路驱动蜂鸣器。当水位过低时，单片机输出高电平，三极管导通，蜂鸣器鸣叫；正常情况下，单片机输出低电平，三极管处于截止状态。
此处使用的是5V有源蜂鸣器，但电路图中给它接的是3.3V，实测蜂鸣器可以鸣叫无影响。

3.3 按键电路

本设计使用到3个按键，实现界面切换、湿度阈值设置、加湿器模式切换、手动模式下控制加湿开关功能。在不同情况下，按键按下的作用不同。上电后默认是主界面，显示环境温湿度、水量、加湿器模式信息。按下按键K1则进入到湿度阈值设置界面，显示设置的湿度阈值，此时再按下K2或者K3可以实现湿度阈值加减操作。再按下K1则回到主界面，在主界面按下K2则加湿器切换到手动模式，加湿模块打开，再按下K2加湿模块关闭。通过程序编写，在不同界面赋予按键不同的含义，提高了按键的利用率。

3.4 继电器控制电路

本设计采用继电器来控制加湿模块，当单片机接收到加湿请求时，单片机引脚输出高电平，继电器闭合，加湿模块上电工作。未接收到加湿请求时，单片机输出低电平，继电器断开，加湿模块不通电。线圈两端（1、4两端）的电压不宜过大，根据数据手册可以得知最大电压需小于等于3.75V，此处选用3.3V。
继电器详细接线图如下

3.5 其他成品模块电路连接

3.5.1 OLED显示模块

使用的是IIC通信的0.96英寸的OLED模块

3.5.2 Wi-Fi模块

==使用的是ESP8266-01SWi-Fi模块进行通信

3.5.3 温湿度传感器模块

使用的是DHT11温湿度传感器进行温度和湿度测量，输出为数字量

3.5.4 水位传感器模块

使用的是WaterSensor水位传感器模块进行水位测量，输出为模拟量。此处使用此模块只是作为大致的水位测量，并不显示精确的水位数值。见3.按键电路效果图可知

3.6 完整电路

原理图和嘉立创打板文件在文章后面以网盘链接给出

四、云平台使用

本设计使用的是OneNet云平台

4.1 云平台注册和登录

4.2 创建产品

点击开发者中心


此处随便选取都可



可以看到此处已有创建的产品

4.3 添加设备

点击设备管理添加设备


设置设备名称，注意此处设备名称要与代码中对应

可以看到此处已有创建的设备

4.4 设置物模型

点击左侧产品开发

点击右侧产品开发

点击设置物模型

点击添加自定义功能点

按上图填写需要的功能点，注意：标识符要与代码中对应

可以看到此处已有添加的功能点

本设计所需功能点如上

查看产品的相关信息，记住产品ID

可以看到设备名称/ID为Humidifier，点击设备管理->详情

可以看到设备密钥，将其复制下来

致此，云平台创建结束

4.5 云平台测试

由上图可以看到当前创建的设备还未激活，若当前还未把板子制作完成，我们可以利用软件将其激活。

点击设置按钮
红色框内前两行不变，第三行填入创建的设备名称。


token生成软件如上

将产品ID、设备名称和设备密钥替换为自己的，其余无需改变

点击Generate生成token，复制生成的token到MQTT软件中的password


点击connect发现右侧绿灯点亮说明连接成功

在云平台界面也可以看到设备被激活，处于在线状态
上述激活过程参考的是B站up主壹知半解的教程，后续APP设计也是参考此up主
致此软件激活设备到此结束

五、代码修改

代码最后放在一个网盘链接中给出，此处只介绍将代码移植到自己的工程中需要修改的地方

5.1 单片机代码修改

使用的是Keil uVision5软件进行单片机代码编写

在esp8266.c文件中修改wifi名称和密码，注意手机开的热点要为2.4GHZ

在onenet.c文件中修改产品ID、设备密钥、设备名称

在onenet.c文件中增加或删除要上传的变量

在onenet.c文件中，处理从云平台下发的数据，如继电器开关、湿度阈值和工作模式，可根据自己的项目进行修改。

5.2 小程序代码修改

使用的是HBuilder X软件进行小程序代码编写

在此处查看用户ID和用户Accesskey，记录下来

修改小程序代码中的author_key、user_id以及产品ID


点击发行可以看到，程序既可以打包成APP也可以制作成小程序和快应用。这里选择原生APP云打包，之后如可对打包进行自定义配置也可直接打包。这里选择直接打包，等待几分钟即可得到APK文件，将其发送到手机上进行安装即可。

最终效果如上图所示，此界面为本设计APP的UI，能将加湿器相关的参数信息进行显示。显示信息包括环境温湿度数据、加湿器水量、湿度阈值、工作模式、加湿开关以及设备是否在线。
当从手机上下发控制指令时，如在手机上设置湿度阈值时，可能会回弹到原先值，过四、五秒钟后回弹到设置值，这属于正常现象，也可在小程序代码中进行修改，当从手机APP上设置相关参数时，显示一个转圈的图标，等从云平台重新接收到修改的数据再在手机APP上进行显示。
代码修改部分致此结束，也可参考B站up主壹知半解的项目视频

六、元件清单

本部分介绍该设计所用的元器件及型号

使用的主控是stm32f103c8t6的最小系统板，如果使用的是stmf103c6t6就没有串口3，需要修改一下代码，选择串口2

温湿度检测模块使用的是DHT11模块

Wi-Fi通信模块使用的是esp8266-01s模块

显示屏使用的是0.96英寸的OLED屏幕（IIC通信）

水位传感器使用的是WaterSensor水位传感器模块

雾化模块通过高频振动将水雾化，最好搭配一个吸水棉棒

部分元件清单如上，有些模块是用母座连接，方便插拔

七、致谢

本设计参考了B站壹知半解、江协科技、彼岸有光我们有船、Libyee等up主的教程，在此感谢。

总结

由于本人水平有限，没有设计外壳，看起来十分简陋。在此给出一些修改意见：从板子中间挖个孔，让加湿器的棉棒可以穿过板子，外部再加装外壳，外壳可以镂个矩形框便于OLED屏显示，DHT11温湿度传感器应该是不能全部覆盖，如果覆盖的话湿度值就不易改变。欢迎各位复刻，如有疑问可到评论区发表。
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作者：m0_56059533