基于单片机的可移动式加湿器设计

目录TOC\o"1-3"\h\u27598引言 基于单片机的可移动式加湿器设计摘要：随着技术的发展，智能化的电子产品被广泛的应用到了实际的生活中。加湿器是家居生活中重要的家电产品，对人们的生活品质有较大的提升。本系统采用STM32F103C8T6单片机作为主控核心，结合红外循迹传感器技术、超声波测距技术、温湿度检测技术、加湿技术等设计出了一款可移动式加湿器。通过安装在加湿器底部的红外循迹传感器检测黑线，将检测的轨迹信息送给单片机，单片机通过电路驱动来完成加湿器的循迹功能；通过安装在加湿器前方超声波传感器来完成小车前方障碍物的检测。在运行过程中通过DHT11温湿度传感器实时检测环境温湿度，自动控制加湿模块加湿。本系统从实际需求出发进行设计具有一定的实用价值和意义。关键词：STM32F103C8T6；可移动式加湿器；温湿度传感器；循迹避障DesignofMobileHumidifierBasedonMicrocontrollerAbstract:Withtheadvancementoftechnology,intelligentelectronicdeviceshavebeenwidelyimplementedindailylife.Asanessentialhomeappliance,humidifierssignificantlyenhancelivingquality.ThissystememploystheSTM32F103C8T6microcontrollerasthecentralcontrolunit,integratinginfraredpathtrackingtechnology,ultrasonicobstacledetection,environmentalmonitoringthroughDHT11temperature-humiditysensors,andautomatedmistgenerationtodevelopamobilehumidificationdevice.Theapparatusutilizesinfraredtrackingsensorsmountedonitsbasetodetectguidepaths,transmittingnavigationdatatothemicrocontrollerforprecisemovementcontrol.Anultrasonicsensorarrayinstalledatthefrontenablesreal-timeobstacledetectionandavoidance.Duringoperation,theintegratedDHT11sensorcontinuouslymeasuresambienttemperatureandhumiditylevels,enablingautomaticactivationofthehumidificationmodulewhenpredefinedthresholdsareexceeded.Designedwithpracticalrequirementsastheprimaryconsideration,thissystemdemonstratesnotableapplicationvaluethroughitscombinationofautonomousnavigationcapabilitiesandenvironment-responsivehumidificationcontrol.Theimplementationofmultiplesensortechnologiesensuresreliableperformanceintypicalhouseholdenvironmentswhilemaintainingenergyefficiency.Keywords:STM32F103C8T6;Mobilehumidifier;Temperatureandhumiditysensor;Linefollowingandobstacleavoidance引言随着城市化进程的加速和居住环境的密集化，室内空气质量管理逐渐成为现代生活中的重要议题。尤其在干燥季节或空调长期运行的环境中，空气湿度过低易引发人体呼吸道不适、皮肤干燥等问题，甚至影响电子设备的稳定性。传统加湿器虽然能缓解这一问题，但其固定式设计、能耗较高及适用场景单一等局限性日益凸显。例如，在办公场所、多房间住宅或临时性空间中，用户往往需要灵活调节设备位置以满足动态需求，而现有产品难以兼顾移动便捷性与功能适配性。近年来，智能家居技术的快速发展为加湿器设计提供了新思路。通过整合轻量化材料、低功耗传感器和模块化结构，加湿器的可移动性有望实现突破。然而，现有研究多集中于加湿效率提升或外观优化，对设备便携性、环境适应能力及人机交互体验的系统性探索仍存在不足。基于这些问题，本文设计了一款可移动式加湿器通过红外循迹传感器与超声波避障模块能够实现自主移动，可在预设路径运行或主动避开障碍物，突破固定式设计的局限，并且支持多种移动模式切换，适应不同场景需求。

可移动式加湿器的简介研究背景及意义随着电子技术的进步，特别是大规模集成电路推动的微型计算机革命，深刻改变了人类社会的发展进程REF_Ref29394\n\h[1]。微型计算机不仅为现代科学研究提供了突破性工具，其衍生出来的单片机技术更是在工业控制、数据采集、仪器仪表及智能家居等领域展现出强大的渗透力。从医疗设备到汽车电子，从智能家电到工业自动化，单片机技术已成为衡量国家工业现代化水平的重要标尺REF_Ref600\n\h[2]。湿度作为影响人类生活环境的核心指标之一，湿度参数在日常生活与工业生产中具有不可替代的作用。室内湿度水平不仅关系着人体健康——过度干燥易引发呼吸道疾病与皮肤问题，更直接影响着精密仪器运行、药品存储等工业环节的质量控制。当前市场虽存在基础型加湿装置，但具备智能调控功能的系统仍处于研发阶段。本研究设计了基于单片机的可移动式加湿器系统。该系统可持续检测环境湿度参数，并通过闭环控制算法实现。当检测到湿度低于设定阈值时，系统自动启动加湿功能；湿度恢复至安全范围后，设备则进入节能待机状态。传统的加湿器系统，往往只是一个简单的设备，室内没有配备电子化的设备，因此导致在冬天的时候，室内湿度非常的低；在夏天的时候，室外温度上升，室内温度也更高，导致湿度很低，环境干燥令人难以忍受。随着技术的发展，可以通过电子技术来改进这样的现状，本系统中就通过温湿度传感器来监测湿度，通过单片机技术实现对湿度参数的智能调节和控制。以改变传统环境下的环境现状，让室内环境舒适。设计中使用了学习中学到的知识，来解决室内空气干燥需要加湿的问题。国内外现状在室内环境调控领域，加湿器的技术创新始终围绕雾化效率与智能控制展开。国内学者近年来在低成本超声波加湿领域取得显著突破，南京理工大学团队开发的PWM调频驱动电路使功耗降低23%；武汉轻工大学进一步将DHT22传感器与模糊PID算法结合，实现了±5%RH的湿度控制精度REF_Ref19789\r\h[3]。智能循迹小车是一个高线性度的复杂系统，路径跟踪策略的设计是智能循迹小车领域最重要的技术之一REF_Ref18315\r\h[4]。华南农业大学尝试将四轮底盘与加湿模块结合，但受限于路径规划算法，其移动范围仍局限于10㎡空间。移动载体的导航与避障能力直接影响设备实用性。在路径追踪方面，国内主流方案仍以红外阵列为主导，哈尔滨工业大学采用TCRT5000传感器组与九点标定法，使黑色引导线识别率达到92.5%。避障系统的可靠性直接关系到设备安全性。当前国内研究集中在低成本方案优化，杭州电子科技大学设计的双阈值超声避障系统，通过HC-SR04模块的30°倾角安装，将探测盲区缩小至15cm；天津工业大学引入自适应卡尔曼滤波，使SR-04在移动振动下的测距误差控制在±2mm。当引入一个可以用运动函数描述的非线性代数方程，可以实现通过动态的方法找到从起点经过障碍物到达目标点的路径REF_Ref22991\r\h[5]。国内对加湿器的研究取得了一定成果。在硬件方面，不断优化结构设计，采用新型材料提高加湿器的性能。例如，通过改进加湿器的风道设计，提高加湿效率。在软件方面，应用单片机技术实现多种功能控制，可以根据用户的个人需求进行温湿度调节，而且拥有智能控制功能，能根据传感器检测到的实时湿度自动控制加湿器的工作状态REF_Ref23389\r\h[6]。然而，传统加湿器产品在对空间较大的房间加湿效果有限，不能自主移动到所需区域REF_Ref19753\r\h[7]。在相同面积的房间内，无论采用固定式还是移动式加湿方案都能维持健康湿度水平，但实测发现可移动的加湿方式能让房间各个角落的湿度分布更均匀REF_Ref19015\r\h[8]。可移动式加湿器摆脱传统加湿器区域性的限制,扩大了加湿器可工作区域,解决了现有加湿器由于无法移动导致加湿范围有限，无法对空间较大的房间进行加湿的缺点REF_Ref709\r\h[9]。可移动式加湿器设计具有自动控制功能和自动进行湿度调节功能可以在固定的房屋内自由移动、均匀加湿REF_Ref977\r\h[10]。这种设计实现家居以及某些特殊环境的自动或定点空气加湿功能，有效地增加了环境湿度，使人们获得一个理想的生活环境。其具有结构设计合理，灵活性强，增大加湿覆盖面积，且移动式加湿使加湿更为均匀，智能化程度高，具备远程控制，自动化程度高，实用性强的优点。在国外，国际研究更关注环境适应性。韩国首尔大学研发的冷蒸发式加湿系统采用多孔陶瓷滤芯，在40dB低噪音下实现400mL/h加湿量；德国Fraunhofer研究所则通过微型离心风机解决了高湿度环境下的冷凝水回流问题。值得关注的是，IEEEIoT期刊最新研究揭示了超声波雾化对红外传感器的信号干扰现象，这对移动加湿器的传感器选型具有重要启示。值得警惕的是，加州大学伯克利分校的实验表明，当环境湿度超过70%RH时，红外传感器的误检率会骤增38%，这对移动加湿器的传感器布局提出了特殊要求。苏黎世联邦理工学院开发的动态障碍物预测模型，利用ToF摄像头获取深度信息，可实现360°障碍物分类识别。日本东京大学最新研究表明，在雾气环境中采用78kHz调制超声波，相比常规40kHz信号可减少63%的声波衰减，这对移动加湿器的避障频率选择具有指导价值。国外加湿器技术发展成熟，知名品牌众多。例如美国霍尼韦尔公司在加湿器领域处于领先地位，其产品采用超声波技术，将水雾化成微小颗粒，实现高效加湿。空调系统中接触式水冷式空气加湿器设计，在绝热空气湿化条件下工作的转子式和薄膜式接触装置，具有节省材料、功耗和成本的特点REF_Ref24082\r\h[11]。同时，具备湿度自动调节、远程控制等功能。这些产品在技术创新和功能完善方面为我国加湿器行业提供了借鉴。研究内容系统的硬件组成为单片机最小系统、温湿度检测电路、湿度控制电路、按键电路、OLED显示电路、超声波测距电路、红外传感器循迹电路、电机驱动技术。系统采用单片机作为主控核心，通过安装在加湿器底部的红外循迹传感器检测黑线，将检测的轨迹信息发送给单片机。单片机通过电机电路驱动来完成加湿器的循迹功能，可以使加湿器在用户的规定路线运行；通过安装在可移动式加湿器前方的超声波传感器来完成加湿器前方障碍物的检测，实现加湿器的避障功能，避免加湿器在复杂路线运行时与障碍物发生碰撞损坏小车；通过温湿度传感器检测环境中的温湿度数据并显示到OLED显示屏上。系统可以通过按键或者手机APP设置湿度控制的范围参数，当实测的湿度数据超过设定阈值范围，系统自动接通加湿器开关实现加湿控制加湿；当水位检测传感器检测到加湿器水箱中的水位低于最小阈值时系统自动停止加湿。

系统方案设计与论证系统方案设计本系统由单片机作为核心控制器、红外循迹传感器、超声波传感器、温湿度传感器、水位检测传感器、按键模块、显示模块、驱动模块、加湿模块、蓝牙模块组成。主控模块采用单片机来实现对传感器数据的接收处理以及对外设的控制。循迹模块采用红外反射传感器配合驱动模块来实现自动循迹的功能。对于避障模块采用超声波传感器来实现距离的检测，根据距离来判断是否需要转向或者停止移动。显示模块使用OLED显示屏，显示当前温湿度数据、工作模式、水位数据以及启动加湿的湿度阈值。加湿模块采用超声波雾化片器件，通过高频率震动将水分子细微雾化。蓝牙模块可以通过手机APP控制可移动式加湿器的工作模式、加湿阈值以及显示传感器检测的数据。驱动模块在设计中用来驱动加湿器的移动，使用直流电机和电机驱动模块来实现。系统框图如REF_Ref27015\h图STYLEREF1\s2-1所示。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s11系统框图系统主要器件选择主控制器选择方案一：选择使用MSP430单片机。MSP430单片机是一个16位的混合信号处理器，内置丰富的外设模块；开发工具完善；且功耗极低REF_Ref24219\r\h[12]。尽管它功能强大，但也存在一些不足，芯片的成本相对较高，但性能较弱，性价比在部分场景中不高，这使得它不太适合本系统的设计，因此放弃第一个方案。方案二：选择使用CC2530单片机。CC2530单片机，通常被称为Zigbee，主要设计用于构建局域网络。它的主要功能是支撑节点、网管和路由器，也是当前智能技术中经常使用的单片机型号REF_Ref24996\n\h[13]。然而，它的成本相对较高，单线程架构和有限的内存资源难以支持复杂多任务场景并且容易受到外部环境的干扰。因此，考虑到本设计的低成本要求，选择放弃这款单片机。方案三：选择使用STM32单片机。STM32具有32位ARM内核和更高的主频，全系标配12位高速ADC（5MSps）、DAC、比较器等模拟模块，集成USB、CAN、Ethernet等通信接口，部分型号配备硬件加密引擎、TFT-LCD控制器等专用模块。以STM32H7为例，集成了JPEG编解码器和Chrom-ART图形加速器，显著降低多媒体处理负载。采用STM32系列的微控制器，其稳定性极高，成本相对较低，性能也相当出色，适合复杂的计算和实时任务处理。此外，STM32还支持在线编程功能，用户可以轻松下载程序，并进一步对机器进行调试。它在单片机系统中有一个很大的用途就是用于存储一些重要数据或者应用程序所需的信息REF_Ref28372\n\h[14]。综上所述，选择STM32系列的STM32F103C8T6单片机作为本次设计的主控制器是更为恰当的。其实物图如REF_Ref31522\h图STYLEREF1\s2-2所示。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s12STM32F103C8T6单片机实物图循迹传感器选择方案一：采用HW201反射式红外循迹模块。HW201红外循迹传感器的原理是利用红外发射管发射红外线，红外线遇到白线和黑线时反射的程度不一样，因此黑管接收到的红外线就不一样。HW201传感器模块电路中利用LM393运放对信号进行放大分压处理，就可以检测到高低电平的变化。设备通过检测黑白线获得高低电平的数据，就可以指导加湿器运行姿态是偏左还是偏右REF_Ref7024\n\h[15]。HW201红外传感器模块性能稳定，使用简单。方案二：采用GY20激光传感器循迹模块。GY20激光传感器是一种高精度的传感器，可以实现对物体的精确测量。它的工作原理是通过激光发射器发射激光束，通过激光遇到障碍物时候的漫反射原理来从激光接收头获取数据信息，由于循迹的线一般是白线和黑线的组合。因此激光传感器也可以有比较好的效果。综上分析，虽然激光传感器也能够很好的检测循迹的轨迹线路，但是激光传感器是红外传感器价格是几倍。因此，选择HW201反射式红外循迹模块。其实物图如REF_Ref8234\h图STYLEREF1\s2-3所示。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s13HW201红外传感器实物图避障传感器选择方案一：采用TOF红外测距模块。TOF红外测距传感器作为一种精密的测量工具，利用的是红外线传播时的不扩散原理。当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接收到。再根据红外线从发出到被接收到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。红外测距虽然距离较远但容易受到外界信号的干扰，因此不采用此方法。方案二：采用HC-SR04超声波测距模块。HC-SR04超声波收发模块可自己产生40kHz的方波，并经放大电路驱动超声波发射探关系。然后根据速度与时间的关系转换成距离显示出来。超声波测距具有性能稳定，干扰小等特点REF_Ref24562\r\h[16]。综上，HC-SR04超声波测距稳定性可靠性高，而且不容易受到干扰。因此，选择采用超声波测距模块。其实物如REF_Ref31108\h图STYLEREF1\s2-4所示。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s14HC-SR04超声波传感器实物图温湿度检测传感器选择方案一：采用HIH4030湿度传感器。HIH4030是基于电容原理设计的湿度传感器，输出电压信号与湿度呈近似线性关系，支持3-10V宽电压供电。但需搭配ADC模块将模拟信号转为数字值，并需通过查表或公式校准非线性误差。传感器对灰尘、油污敏感，需定期清洁或校准，且成本较高。方案二：采用DHT11温湿度传感器。DHT11是集温度和湿度检测于一体数字传感器，它采用单总线通信协议，只需要一个微控制器的GPIO引脚就可以完成数据传输，使硬件的连接变得非常便捷REF_Ref24970\r\h[17]。传感器的温湿度测量范围、精度、响应时间适合室内环境监测。从上剖析，DHT11温湿度传感器比较适合本系统设计。其实物图如REF_Ref30440\h图STYLEREF1\s2-5所示。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s15DHT11温湿度传感器实物图电机驱动电路选择方案一：采用S8550三极管驱动。S8550三极管驱动电路采用分立式三极管构建驱动电路，它的优点表现为电路拓扑结构简单且成本较低。晶体管导通压降导致输出效率降低，不能满足大电流负载的需求；基础电路架构仅支持单向驱动控制，无法实现电机转向切换功能。尽管可以通过并联多个三极管构建H桥拓扑以扩展功能，但该改进方案将导致电路复杂度呈指数级增长，故障率也随之提高，系统的可靠性随元件数量增加而显著下降。方案二：采用L298N电机驱动。L298N其内部集成双H桥功率放大电路，具备以下技术优势有支持双通道独立控制，单通道持续输出电流达1.2A；内置续流二极管与过热保护电路，系统稳定性提升；通过PWM信号可实现精确转速调节，同时提供正向/反向旋转控制功能REF_Ref21601\r\h[18]。综上分析，采用了L298N电机驱动方案。其实物图如REF_Ref30581\h图STYLEREF1\s2-6所示。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s16L298N芯片实物图蓝牙控制模块选择方案一：采用HC-05蓝牙控制模块。HC-05是基于蓝牙2.0+EDR协议的传统串口透传模块，支持SPP通信，最大传输距离约10米。其采用的Class2功率设计，待机功耗较高，需要持续供电以维持连接。HC-05蓝牙模块指令集简单易用，开发门槛低，适合快速实现基础数据传输。成本低廉，但功耗较高，不适合电池长期供电。在可移动加湿器项目中，其高功耗特点与电池供电需求冲突。方案二：采用JDY-31蓝牙控制模块。JDY-31蓝牙控制模块基于2.4GHz无线电波，产生的信号能够穿透大部分障碍物，传输距离较长控制灵活性更高；并且支持设备之间的双向传输，可以接受其他设备的状态反馈以及发送指令给其他设备。蓝牙控制适合双向通信和复杂数据传输的应用场景。综上所述，JDY-31在功耗和传输距离方面更适合本次设计，所以选择采用JDY-31蓝牙控制模块。其实物图如REF_Ref6410\h图STYLEREF1\s2-7所示。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s17JDY-31蓝牙模块实物图

硬件电路设计主控电路设计本系统设计的主控电路由STM32F103C8T6作为主控核心，并与电源电路、时钟电路、复位电路、程序下载接口共同组成最小单片机系统。单片机最小系统电路图如REF_Ref27087\h图STYLEREF1\s3-1所示。STM32F103C8T6是意法半导体（ST）推出的基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器，属于STM32系列。其主要参数包括为64KBFlash程序存储器、20KBSRAM、2V~3.6V宽电压供电，以及LQFP48封装。芯片集成37个GPIO、2路12位ADC（共12通道）、4个16位定时器、2个看门狗定时器，并支持2×I2C、2×SPI、3×USART和1×CAN通信接口，性能优于传统51单片机，适用于多外设连接场景。该芯片内置数据存储功能，便于开发扩展。其丰富的I/O接口可满足多种外设连接需求，避免接口资源不足问题。此外，芯片支持外围电路灵活扩展，开发者可基于总线原理高效设计功能模块，进一步提升系统性能。本文重点解析STM32F103C8T6的串行通信技术与串口扩展电路设计。该芯片兼容性强、可靠性高，且具备丰富的外设资源（如PWM、DMA等），能够适应复杂应用的扩展需求。STM32单片机系列中的F103型号。具有丰富的内部资源和良好的兼容性，支持多种外设连接，并且具备很好的可靠性。与传统的51单片机相比，它展现出了更高的运行速度。并且它拥有丰富的外围芯片资源，使得其具备更强的扩展能力。电源模块通过接口1输入5V电源，AMS1117-3.3芯片把电压降到3.3V，直接给STM32的VDD引脚和其他3.3V外设供电。电容用来滤掉输入和输出的电压杂波，保证电源稳定；GND为统一接地端，连接STM32和外设的地线。LED0加了个510Ω电阻作为电源指示灯，通电时亮起。整个电路通过稳压和滤波设计，为STM32提供可靠的低噪声3.3V电源，保障系统稳定运行。时钟电路的功能是生成精确的时钟信号，核心器件为32.768kHz的石英晶振，其两端通过OSC32_IN和OSC32_OUT引脚连接至微控制器，构成振荡电路的基础框架。两个电容分别从晶振两端接地，作为负载电容调节谐振频率，确保晶振稳定工作。整体设计通过晶振、电容与芯片引脚的协同作用，为系统提供可靠的时间基准信号。复位电路用于控制系统的上电复位或手动复位操作。电源通过电阻连接到芯片复位引脚，同时RST通过电容接地，形成RC延时网络——上电时电容充电会使RST短暂保持低电平，等到电容充满后恢复高电平，确保芯片在电源稳定后启动。开关并联在电容两端，按下时直接拉低RST触发强制复位，实现手动重启。整体设计通过电阻限流、电容充放电与开关协同，为系统提供可靠的复位信号控制功能。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s11单片机最小系统循迹传感器电路设计红外传感器主要用于检测环境中的红外信号的变化，并且通过OUT引脚输出对应的电信号。其中VCC为电源输入引脚，提供3.3V电压以驱动传感器工作；GND为接地引脚，确保电路电流回路稳定，避免信号干扰；OUT作为信号输出端，负责将传感器检测到的红外信号实时转换为电信号，供外部控制器或后续电路处理分析。当红外传感器感知到环境中的红外能量波动时，其内部电路会触发检测机制，并将结果通过OUT引脚传递，实现从物理信号到电信号的转换。电路设计图如REF_Ref685\h图STYLEREF1\s3-2所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s12红外传感器电路图避障传感器电路设计超声波传感器通过发射高频声波并接收反射回波来测量距离（d）。工作过程可以分为发射、传播与接收三个阶段。传感器内部的发射器由控制电路触发，产生一组40kHz左右的超声波脉冲，通过超声波换能器将电信号转换为机械振动并向外发射。声波在空气中传播，遇到障碍物后发生反射，部分回波被传感器接收端的换能器捕获，并重新转换为电信号。接收电路对信号进行放大和滤波，利用处理芯片检测回波的有效性，并通过计时模块计算发射与接收的时间差值（∆t）。根据公式3-1就可以计算出与物体之间的距离d=(v声×∆t)÷2（STYLEREF1\s3-SEQ公式\*ARABIC\s11）超声波传感器的四个接口中，接口1和接口4分别用于接地和连接+5V电源供电；接口2连接至单片机的PC15引脚，用于发送高电平触发脉冲以启动超声波发射；接口3连接至PC14引脚，用于接收超声波回波信号并输出与距离成比例的高电平脉冲，STM32通过测量该脉冲持续时间计算实际距离。触发信号由PC15控制发射，回波信号通过PC14捕获，两者协同实现超声波测距功能。电路设计图如REF_Ref724\h图STYLEREF1\s3-3所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s13超声波传感器电路图温湿度检测电路设计DHT11被定义为一种数字化的温湿度感测器。由于每个按钮只有一个接入口，因而可以使整个系统具有很高的可靠性。其内部结构包括一个电阻式的湿度感应元件和一个NTC温度测量元件，并与一台高性能的8位单片机进行了连接。本系统采用PB4来读取DHT11传感器的数据输出，DHT11输出是按照单总线模式输出数据的，PB4读取数据信息，STM32转换为温湿度。DHT11温湿度传感器电路图如REF_Ref780\h图STYLEREF1\s3-4所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s14温湿度电路图加湿电路设计加湿模块的VCC和GND接口连接外部5V电源和接地；IN1-IN4连接至STM32的GPIO引脚接收高低电平，通过L9110双H桥驱动芯片将控制信号放大后，由OUT1-OUT4输出至加湿器的雾化器，控制其启停。模块的5V和GND需要保证电源的稳定，以满足驱动电流的需求，避免因电压波动导致电机工作异常，从而实现加湿器的高效稳定运转。加湿控制电路如REF_Ref907\h图STYLEREF1\s3-5所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s15加湿电路图水位检测电路设计WaterSensor水位检测传感器工作原理为其平行暴露的导线，分为A、B两组，同组的导线均是相连的，电流由B经过液体的导通流到A，暴露的导线可以感知是否有液体以及所接触液体量的大小，量越大，则经过导线并终到达回路的电流加大，并由三极管转化为相应变化的模拟信号输出。通过外部系统读取输出的模拟信号，则可以得知相应液位的变化。水位检测传感器原理图如REF_Ref18496\h图STYLEREF1\s3-6所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s16水位检测传感器原理图WaterSensor水位传感器通常包含三个接口，其中接口1为电源正极（VCC），用于连接3.3V或5V电源为传感器供电；接口3为电源负极（GND），构成电路回路。接口2连接至单片机的PA0引脚，用于输出与水位高度相关的模拟电压信号。水位检测传感器电路图如REF_Ref940\h图STYLEREF1\s3-7所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s17水位检测电路图按键电路设计按键使用微动开关，按键按下时接通，松开后自动弹起断开，不会保持状态。按键按下时，单片机的IO口电平被拉低（接负极），系统通过检测电压变化（高/低电平）判断按键状态。由于机械按键存在抖动，需通过延时或软件滤波确保稳定检测。避免重复触发，需检测按键释放后再执行相应操作。本系统中一共采用4个按键来完成参数设置。S2执行的功能为切换菜单栏；S3执行的功能为控制加湿器开启、增加湿度阈值和增加水位阈值；S4执行的功能为控制加湿器关闭、减少湿度阈值和减少水位阈值；S5执行的功能为切换移动模式。与单片机的接口电路图如REF_Ref1008\h图STYLEREF1\s3-8所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s18按键设计电路图电机驱动电路设计电机驱动电路是以L298N双H桥驱动芯片作为核心，通过5V提供电源输入，IN1-IN4接收逻辑电平信号分别控制左、右电机的转向，驱动电流经OUT1-OUT4输出到电机的正负极，GND为公共接地端。通过STM32单片机协调PWM与逻辑信号，实现两个电机的正、反调速控制。电机驱动模块电路如REF_Ref1041\h图STYLEREF1\s3-9所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s19电机驱动电路图蓝牙控制电路设计JDY-31是一款基于蓝牙3.0BLE技术的无线通信模块。其核心功能是通过蓝牙协议实现设备间的无线数据透传，模块内置射频芯片和天线，支持2.4GHz频段通信，典型传输距离为10-30米，可通过UART串口（TX/RX）与主控单片机无缝对接，实现双向数据传输。蓝牙模块的六个接口中，VCC和GND分别用于连接电源和接地以供电；接口4连接至STM32的PA11引脚，用于向蓝牙模块发送控制指令或数据；接口5连接至PA10引脚，用于接收来自蓝牙模块的数据；PA10和PA11通过串口通信实现STM32与蓝牙模块的双向数据传输.蓝牙控制电路图如REF_Ref1074\h图STYLEREF1\s3-10所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s110蓝牙控制电路图显示电路设计0.96OLED显示电路原理图主要由驱动模块、电源管理模块、控制接口模块及像素阵列四个部分组成。其核心是通过精确的电流控制实现每个有机发光二极管的单独开启和关闭。驱动电路采用行-列矩阵架构，行驱动通过逐行扫描激活目标像素行，列驱动则依据显示数据向对应列输出定制化电流信号，每个像素单元内置薄膜晶体管与存储电容，晶体管的作用是电流开关，存储电容用来维持像素电压的稳定。显示模块的四个接口中，VCC和GND分别用于连接电源和接地以供电；接口3连接至STM32的PB8引脚，接口4连接至PB9引脚，通过I2C协议实现微控制器与OLED屏的通信，传输显示数据和控制指令。核心功能由PB8和PB9完成数据交互，驱动0.96英寸OLED屏正常显示。OLED显示电路图如REF_Ref25859\h图STYLEREF1\s3-11所示。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s111OLED显示模块电路图

系统软件设计 软件程序是硬件工作的核心。硬件设计制作完成以后必须通过软件程序调试才能实现预定功能，因此软件程序的作用非常大。本项目是基于STM32单片机进行设计的，程序的设计需要经过编写编译然后调试代码直到正常运行。系统主程序设计本系统使用STM32单片机作为整体设备的控制模块，系统上电首先完成初始化，系统通过温湿度传感器和水位传感器获得当前的环境的温湿度和水箱水位。如果系统为自动控制，当检测到湿度低于设定阈值且水位高于阈值时，将自动控制加湿器开启加湿；当检测到湿度高于阈值或水位低于阈值，将自动控制加湿器停止加湿。如果系统为按键控制或蓝牙控制，可以根据用户的需求控制加湿器的启闭，移动模式的切换以及设置湿度、水位阈值。系统主流程图如REF_Ref32494\h图STYLEREF1\s4-1所示。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s11系统主流程图自动加湿子程序设计可移动式加湿器的自动加湿控制程序的控制逻辑是系统启动后进行初始化，用户根据需求设置湿度阈值参数。湿度传感器持续检测当前环境湿度值，若检测到湿度低于预设阈值时，水位检测传感器将进一步检测水箱水位是否低于安全水位；如果水位不足，将停止加湿功能；如果水位正常，则启动加湿模块工作。若当前湿度超过设定阈值，系统保持待机状态持续检测环境湿度。自动加湿程序流程如REF_Ref24443\h图STYLEREF1\s4-2所示。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s12自动加湿程序流程图循迹子程序设计可移动式加湿器的循迹控制系统通过红外传感器与超声波传感器的协同工作实现路径跟踪与简单避障功能。在循迹模式下，STM32单片机扫描加湿器底座左右车轮附近红外传感器的电平信号。当左侧传感器检测到路径边界时，系统判定加湿器运动方向向左偏移，控制器调节驱动电机输出右转控制信号；同理，右侧传感器触发边界信号时，控制器执行左转补偿指令，确保加湿器沿预定路径运动。系统同时配置超声波测距模块用于障碍物检测。当传感器返回的障碍物距离值达到20cm阈值时，控制器执行停止指令。加湿器循迹的程序流程图如REF_Ref6757\h图STYLEREF1\s4-3所示。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s13红外循迹流程图避障子程序设计超声波测距的流程首先通过传感器的发射端发射一串声波脉冲，发送声波的时候就启动内部定时，通过超声接收头接收声波是否反射了回来，如果接受头接收到了声波就立即停止计时。根据声波的速度以及时间来计算距离。可移动式加湿器在避障模式下，当超声波传感器未检测到前方存在障碍物，加湿器沿直线方向前进。当传感器检测到加湿器与障碍物距离小于20cm时，将控制加湿器改变行进方向避开障碍物。超声波避障程序流程图如REF_Ref10532\h图STYLEREF1\s4-4所示。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s14超声波避障程序流程图显示子程序设计本系统将传感器检测的实时数据（如湿度值、设备工作模式等），将这些数据显示到OLED显示屏上。在这之后持续检测数据是否更新，当检测到数据变化，则更新显示内容；当未检测到数据变化，测保持当前显示状态。OLED显示屏可以显示传感器检测出的数据。OLED显示程序流程图如REF_Ref18727\h图STYLEREF1\s4-5所示。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s15OLED显示程序流程图蓝牙控制子程序设计在蓝牙控制模式下，用户可以通过手机APP向加湿器发送指令，经过单片机对指令的解析之后执行控制操作。用户通过蓝牙模块可以控制可移动式加湿器的移动模式（循迹模式、避障模式和遥控模式），加湿功能开启与关闭以及调节湿度的阈值。蓝牙控制流程图如REF_Ref18486\h图STYLEREF1\s4-6所示。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s16蓝牙控制程序流程图按键子程序设计系统可以采用按键控制可移动式加湿器工作，当按键按下或松开时，按键的触点不会立马接触或者断开，而是会在短时间内出现多次通断。因此，必须对按键识别进行延时消抖，避免系统识别为多次操作。通过按键可以控制加湿器移动模式，加湿功能启闭以及调节湿度、水位阈值。按键消抖流程图如REF_Ref24988\h图STYLEREF1\s4-7所示。图STYLEREF1\s4-SEQ图\*ARABIC\s17按键消抖流程图

系统测试系统硬件调试本次基于单片机设计的调试主要是硬件电路板的调试，在调试过程中要仔细谨慎，防止出现短路断路等情况，还要检查元器件焊接是否存在漏焊等，电路各处的电压是否正确，引脚的电平变化是否正常等问题需要一一逐级检查。然后是程序软件的调试，软件调试要结合对应的软件和串口助手软件进行。最后经过不断的调试，通过软硬件联调联试实现小车的功能。本设计中，完成硬件的调试后，首先是将各个模块，比如单片机、循迹模块、避障传感器传感器等插接到主板上。在插接硬件模块和器件的时候，需要注意方向和供电的正负问题，插接的时候要注意不能插接反和错位，插接好硬件后就插上电源线完成通电。通电后会完成系统初始化。系统实物图组装如REF_Ref3255\h图STYLEREF1\s5-1所示。图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s11实物整机组装图系统软件调试在系统软件的调试过程中，使用KeilμVision5编译器来进行源代码的编译和仿真调试，同时也进行硬件电路板的设计和制造。通过使用KeilμVision5编程语言，完成系统软件的调试工作。调试时必须要注意程序与源文件之间存在差异。在编写和编译代码后，用KeilμVision5软件进行编译，但在编译的过程中，如果发生，应依次排查语法错误、头文件引用缺失及外设寄存器地址冲突等典型问题，直到编译成功生成目标文件.hex，将设计的程序编译并生成目标文件.hex通过编程器下载到单片机中，然后将单片机插入插座，将制作的实物连接到电源，这样就可以完成程序的下载。在下载的过程当中，单片机必须切断电源才能进行下载。下载前要确保串口定位准确，同时单片机的型号选择也必须准确无误。接下来，需要确保初始化程序的准确性，并按照设计标准来设定合适的初始化流程，从而为后续程序的运行提供良好的基础。另外还要检查程序设计的合理性，包括程序结构是否合理、逻辑顺序是否清晰等。接下来的步骤是按照软件的具体实施步骤，逐一验证程序的实用性，并检查程序的嵌套能力是否满足设计标准。软件程序调试如REF_Ref3323\h图STYLEREF1\s5-2所示。图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s12软件调试图实物组装与调试对各个子系统调试成功后，进行了综合调试。在硬件调试的基础上，根据各部分的功能和特性，完成了软件的调试，整个系统基本上能够实现预定的功能。上电测试本系统采用锂电池供电，当锂电池的接口插接到主板上的电源底座上，系统初始化，OLED屏幕亮起，蓝牙闪烁进入配对模式。上电测试如REF_Ref3376\h图STYLEREF1\s5-3所示。图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s13上电测试图OLED显示测试可移动式加湿器通过温湿度传感器检测的温湿度数据、水位检测传感器检测的水箱水位数据、以及加湿器移动模式都将显示在屏幕上。如果通过按键切换菜单栏可以显示湿度阈值、水位阈值和加湿器的开启和关闭。OLED显示测试如REF_Ref3415\h图STYLEREF1\s5-4所示。（a）主显示页面（b）湿度阈值设置页面（c）水位阈值设置页面图（d）加湿器启闭页面图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s14OLED显示测试图自动循迹测试可移动试加湿器在循迹模式下，根据用户设定好的路线，通过加湿器底座的红外传感器检测黑线和白线来获取电平的变化，判断加湿器运动方向是否偏离路线。并且通过超声波传感器测量加湿器与前方障碍物的距离，判断是否需要停止移动。当未检测到障碍物时，加湿器沿路径形式；当检测到障碍物时加湿器停止前进。循迹测试如REF_Ref3457\h图STYLEREF1\s5-5所示。（a）正常行驶（b）行驶中检测到障碍物停止图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s15循迹测试图自动避障测试可移动式加湿器在前进中运行时，通过超声波传感器检测前方障碍物，当未检测到障碍物时，加湿器沿直线行驶；当检测前方障碍物与加湿器距离小于阈值时，加湿器自动绕行避开障碍物。可移动式加湿器避障绕行测试如REF_Ref3513\h图STYLEREF1\s5-6所示。（a）行驶中检测到障碍物（b）自动避开障碍物图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s16避障测试图自动加湿测试加湿器通过温湿度传感器实时检测环境中的温湿度。当检测到当前湿度低于设定的下限阈值，并且检测水箱水位不低于最低阈值时系统自动启动加湿功能；当检测到当前湿度高于设定的上限阈值时，系统自动关闭加湿功能。自动加湿测试如REF_Ref3559\h图STYLEREF1\s5-7所示。图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s17加湿测试图按键控制测试加湿器可以通过内置按键可以控制的功能为调节加湿开启的阈值；加湿功能的开启与关闭，其中加湿器的启动要在水箱水位高于最低阈值时才能执行；切换移动模式。按键控制测试如REF_Ref3663\h图STYLEREF1\s5-8所示。（a）按键调节湿度阈值（b）按键调节水位阈值（c）按键控制加湿启闭（d）按键切换为遥控模式（e）按键切换为避障模式（f）按键切换为循迹模式图STYLEREF1\s5-SEQ图\*ARABIC\s18按键控制测试图蓝牙控制测试加湿器可以通过蓝牙连接手机APP控制加湿器的启闭、设置湿度、水位阈值和移动模式。在循迹模式和避障模式下，可以将前方障碍物与加湿器的距离显示在手机APP上。在遥控模式下，可以使用手机APP