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学生的技术与实现

摘    要

为解决传统加湿器手动操作繁琐、湿度控制精度低、缺乏安全预警等问题，本文设计并实现了一款基于STM32的智能空气加湿器系统。该系统以 STM32F103C8T6 单片机为核心控制单元，集成DHT11温湿度传感器、水位传感器、SSD1306 OLED 显示屏、天问五一语音模块、红外接收模块及提示灯等硬件，构建 “感知 - 决策 - 执行 - 交互” 的全流程智能化加湿解决方案。方法上，通过DHT11传感器实时采集室内温湿度数据，STM32单片机将采集到的湿度值与设定阈值进行对比，自动控制加湿器启停；水位传感器实时监测水箱水位，低水位时触发报警功能；天问五一模块根据系统运行状态（开机、关机、报警）进行语音播报；SSD1306 显示屏实时显示温湿度数据与设定阈值，支持按键与红外遥控器双重方式调节阈值及控制加湿器开关；提示灯通过绿、黄双色区分加湿运行与停止状态。结果表明，该系统温湿度测量误差≤±5%，湿度控制精度可达 ±5% RH，低水位报警响应时间≤1s，语音播报清晰准确，红外遥控有效距离≥5m。结论：该系统实现了加湿器的智能化控制、精准加湿、安全预警与便捷交互，提升了使用体验与安全性，具有良好的实用价值与推广前景。

关键词：STM32；智能加湿器；水位报警；语音播报；红外遥控

1.1  研究背景与意义

现代社会中，人们约 80% 的时间处于室内环境，室内湿度直接影响人体生理舒适度与健康状态。医学研究表明，当室内湿度低于 40% RH 时，空气干燥易导致皮肤水分流失、呼吸道黏膜受损，增加感冒、鼻炎等疾病的发病概率；而湿度高于 60% RH 时，易滋生霉菌、细菌，引发过敏或呼吸道感染[4]。此外，适宜的湿度环境还能延长木材家具、纸质文件的使用寿命，避免电子设备因静电积累出现故障。

1.2  研究内容与技术路线

1.2.1  智能加湿器硬件技术研究进展

国外智能加湿器技术起步较早，在硬件集成与性能优化方面处于领先地位。美国、日本等国家的品牌，如戴森、夏普，推出的智能加湿器产品，多采用高精度温湿度传感器，如 SHT30、HDC1080，湿度测量精度可达 ±2% RH，结合高效加湿模块实现精准控湿；部分高端产品集成 WiFi、蓝牙模块，支持手机 APP 远程控制与数据监测。在硬件设计方面，国外研究注重模块化与小型化，通过优化电路布局与电源管理，降低设备功耗，延长使用寿命[5]。

1.2.2  湿度控制与交互技术研究现状

在湿度控制技术方面，国内外学者主要围绕控制算法优化展开研究。国外研究多采用 PID 控制、模糊控制等算法，提高湿度控制精度与稳定性[7]。例如，部分研究通过模糊控制算法动态调整加湿功率，根据湿度偏差与变化率优化控制策略，使湿度控制精度达到 ±3% RH[8]。国内研究则以简易控制算法为主，多数产品采用阈值对比控制方式，通过设定上下限阈值实现加湿器的启停控制，控制逻辑简单、响应迅速，但精度相对较低；部分学者尝试将 PID 控制算法应用于加湿器设计，通过参数调试提升控制精度，取得了一定成效。

2  系统硬件设计

2.1  核心控制器模块

2.1.1  STM32单片机选型与最小系统搭建

单片机选型：选用 STM32F103C8T6 单片机作为核心控制器，该型号单片机基于 ARM Cortex-M3 内核，主频 72MHz，具备 128KB Flash 存储器与 20KB SRAM，满足系统程序存储与数据处理需求[10]；拥有丰富的 I/O 接口，包含 37 个通用 I/O 口，支持 SPI、IIC、UART 等多种通信协议，可实现与各功能模块的灵活连接；性价比高、功耗低，适合低成本智能硬件设计。

2.1.2  主控芯片电路设计

主控芯片选用STM32F103C8T6，核心由最小系统与功能外设电路构成，为加湿器全流程控制提供硬件基础。

2.1.2  主控芯片电路设计

主控芯片选用STM32F103C8T6，核心由最小系统与功能外设电路构成，为加湿器全流程控制提供硬件基础。

2.2  感知模块设计

2.2.1  DHT11温湿度传感器电路设计

DHT11是一款低成本数字温湿度传感器，测量范围为温度 0-50℃、湿度 20%-90% RH，测量精度为温度 ±2℃、湿度 ±5% RH[11]，满足系统设计需求。

2.2.2  水位传感器报警电路设计

选用接触式水位传感器监测水箱水位，该传感器通过探测电极与水的接触状态判断水位高低，具有成本低、响应快的特点[12]。

3.1  软件开发环境与工具

开发环境：Keil uVision5，支持STM32系列单片机的程序编写、编译、调试；

编程语言：C 语言，具有执行效率高、可读性强、兼容性好的特点；

辅助工具：STM32CubeMX，用于生成单片机初始化代码，简化开发流程；串口调试助手，用于调试串口通信功能，如天问五一语音模块指令发送与接收；红外解码工具，用于解析红外遥控器编码。

3.2  主程序逻辑设计

3.2.1  系统初始化流程

系统上电后首先执行初始化程序，初始化流程如下

单片机内核初始化

外设初始化

模块初始化

参数初始化

开机提示

3.2.2  温湿度采集与阈值判断逻辑

主程序采用循环执行方式，核心逻辑如下

温湿度采集

水位检测

状态显示

交互响应

4  系统测试与分析

4.1  测试环境与设备

4.1.1  测试环境参数

测试环境：室内实验室，面积 20㎡，初始温度 25℃，初始湿度 35% RH；

测试时间：常温环境下（20℃-28℃），连续测试 24 小时；

辅助条件：无强电磁干扰，无阳光直射，保证红外遥控信号正常传输。

4.1.2  测试设备与工具

系统硬件：基于 STM32F103C8T6 的智能空气加湿器原型机；

测试工具：高精度温湿度计（精度 ±0.1℃/±1% RH）、万用表、示波器、红外遥控信号测试仪、电子水位计；

辅助设备：5V/2A 直流电源适配器、USB 下载器、电脑（用于程序调试与数据记录）。

4.2  功能测试

4.2.1  温湿度采集与智能加湿功能验证

表4.1  测试结果

测试次数	初始湿度（% RH）	加湿启动湿度（% RH）	加湿停止湿度（% RH）	湿度控制误差（% RH）
1	35	48	52	±2
2	36	47	53	±3
3	34	48	52	±2
4	37	49	51	±1
5	35	48	52	±2
平均值	-	48	52	±2

4.2.2  阈值调节与显示功能测试

4.2.3  水位报警与语音播报功能测试

4.2.4  红外遥控与提示灯功能测试

5  总结与展望

5.1  研究总结

5.1.1  系统实现的核心功能总结

本文成功设计并实现了基于STM32的智能空气加湿器系统，完成了硬件电路设计、软件程序开发与系统测试，核心功能均达到设计目标

智能加湿控制

多方式交互

安全预警

状态反馈

稳定性强

5.1.2  研究创新点

多模块协同设计：整合温湿度采集、水位监测、语音播报、红外遥控等功能，构建全方位智能加湿系统，解决传统加湿器功能单一的问题；

5.2  未来展望

5.2.1  系统功能拓展方向

无线通信功能：增加 WiFi 或蓝牙模块，支持手机 APP 远程控制与数据监测，实现阈值设置、运行状态查看、报警推送等功能；

5.2.2  技术优化与应用推广前景

参 考 文 献

1.  王瑜山,刘鑫磊.基于“健康工业设计”理念的家用湿膜空气加湿器设计探索——以秒新A3s为例[J].装饰,2025,(09):136-138.
2.  刘思思,刘建泽.用户体验需求下的智能加湿器创新设计研究[J].包装工程,2025,46(16):524-532.
3.  吕丽英,杨海生,徐千晶,等.水晶智能加湿器的设计研究[J].现代盐化工,2022,49(03):94-96.
4.  张卓远.宅经济驱动下基于模糊Kano模型的家用智能香薰加湿器设计[D].湖南工业大学,2022.
5.  朱宇轩,陈丽琼.基于STM32的空气加湿器系统设计[J].无线互联科技,2022,19(03):56-57.
6.  王秀玲.基于眼动实验的空气加湿器用户体验设计研究[D].华中科技大学,2022.

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注：仅展示部分文档内容和系统截图，需要完整的视频、代码、文章和安装调试环境请私信up主。