基于STM32的空氣凈化器控制系統(tǒng)

趙玉敏，宋開新，秦會斌

(杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州 310018)

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基于STM32的空氣凈化器控制系統(tǒng)

趙玉敏，宋開新，秦會斌

(杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州 310018)

設計了一種電壓可調(diào)式靜電除塵裝置結(jié)合紫外燈殺菌消毒的家用空氣凈化器控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低功耗的32位微處理器STM32F103RCT6作為主控芯片，利用DHT11溫濕度傳感器、GP2Y1010AU0F灰塵傳感器和TGS2600氣體傳感器檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機，并顯示到TFTLCD液晶屏上。單片機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)采用按鍵或藍牙來調(diào)整電機風速、電壓以及紫外燈的開關(guān)等，使空氣凈化器處于最佳工作狀態(tài)。該系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，運行穩(wěn)定，效果明顯。

STM32單片機；傳感器；紫外線；藍牙；靜電集塵裝置

0 引言

空氣凈化器技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展逐步形成的技術(shù)。目前市場上的空氣凈化器產(chǎn)品有以下幾類：HEPA過濾、活性炭吸附、負離子、光觸媒、臭氧、生物過濾、紫外燈、靜電除塵[1]。據(jù)統(tǒng)計分析，單純用一種技術(shù)或材料并不能有效地同時解決空氣中的粉塵和細菌病毒問題。靜電除塵技術(shù)利用高壓靜電使氣體電離，從而使塵粒帶電，在庫侖力的作用下吸附到不同的極板上。紫外燈可以利用紫外線的照射，穿透微生物的細胞膜，破壞各種細菌、病毒等微生物的DNA結(jié)構(gòu)，毀壞其核酸分子鍵，使細菌、病毒當即死亡或不能繁衍后代，從而殺菌消毒。本系統(tǒng)采用基于單片機STM32的智能控制方式，通過按鍵或藍牙輸入，結(jié)合傳感器的數(shù)據(jù)采集，利用靜電除塵與紫外燈結(jié)合使用，既能改善空氣質(zhì)量、降低灰塵指數(shù)又能殺菌消毒。同時單片機可根據(jù)數(shù)字電位器反饋方式控制靜電除塵裝置的電壓來實現(xiàn)高壓電源可調(diào)，減少濕度對空氣導電性能的影響，防止潮濕環(huán)境下打火，減少安全隱患，對室內(nèi)空氣凈化技術(shù)的研究具有重要意義。

1 STM32單片機簡介

本系統(tǒng)采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器STM32F1103RCT6作為主控芯片，STM32的處理器最高工作頻率達到72 MHz，包括48 KB SRAM、256 KB Flash、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、51個通用IO口、5個串口、2個DMA控制器、3個SPI、2個I2C、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口[2]。

2 空氣凈化器設計

2.1 空氣凈化器總體設計

整個控制系統(tǒng)用來控制工作在額定電壓為220 V的家用空氣凈化器，主要由控制和驅(qū)動兩部分組成?？刂撇糠忠曰贏RM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器STM32F10X單片機為核心，建立人機接口，通過傳感器檢測出室內(nèi)溫濕度及灰塵數(shù)目等實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機檢測處理，通過按鍵或藍牙串口輸入調(diào)整出適合在該環(huán)境下空氣凈化器的運行狀態(tài)，同時將傳感器所測得的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。系統(tǒng)通過單片機處理，將控制信號發(fā)送給驅(qū)動電路部分，通過驅(qū)動電路直接控制步進電機，調(diào)整風速、電壓以及紫外燈的運行狀態(tài)。

2.2 控制系統(tǒng)詳細設計

2.2.1 系統(tǒng)電源模塊

整個控制系統(tǒng)通過電源電路模塊供電，空氣凈化器電源電路模塊將變壓器輸入的110 V交流電壓轉(zhuǎn)換為24 V和5 V。5 V電壓用于為溫濕度傳感器、灰塵傳感器、液晶等模塊的供電，通過AMS1117-3.3電源芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，為單片機控制芯片提供電壓。24 V電壓用于風扇供電[3]。

2.2.2傳感器測量模塊

考慮到空氣濕度對高壓靜電的影響，本設計采用廣州奧松有限公司生產(chǎn)的數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，其包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，通過單片機等簡單的電路連接就能實時采集本地濕度與溫度，與單片機之間僅用一根線就能進行單總線傳輸，濕度測量范圍20～90 %RH，分辨率1 %RH，符合系統(tǒng)對濕度的要求。數(shù)據(jù)準確且功耗很低[3]。

采用GP2Y1010AUF灰塵傳感器，中間有一個圓孔可以讓空氣通過，傳感器內(nèi)部發(fā)射紅外線打到通過小孔的灰塵上，如有灰塵通過會阻斷光線，光電檢測器檢測不到光源則低電位輸出，經(jīng)放大電路連接到單片機后分析得出空氣中的灰塵含量如香煙中的灰塵數(shù)據(jù)。采用費加羅TGS2600氣體傳感器，其體積小、低功耗、應用電路簡單且具有極高的靈敏度，僅用簡單的電路就能將電導率的變化轉(zhuǎn)換成與該氣體濃度相對應的信號輸出。傳感器與單片機STM32的連接電路如圖1所示。

圖1 傳感器連接電路

2.2.3 電機控制及紫外燈模塊

空氣凈化器對電機的功能需求程度不高，采用圖2所示電路來控制電機及紫外燈。

圖2 電機驅(qū)動電路

為減少電機和高壓電路對單片機的影響，通過TLP521光耦與SRD電機調(diào)速進行交互，其中，TLP521是一種可控制的光電耦合器件，既傳輸信號又互相隔離干擾，增強可靠性，簡化電路設計[4]。STM32單片機的PB5引腳接到電機驅(qū)動信號上，當引腳被置為低電平時砷化鎵發(fā)光二極管導通，光敏三極管接收到光信號后通過電阻R35和R36分壓將信號輸出至Q4管使其導通，電機啟動；引腳置為高電平時風機因沒有輸入信號而關(guān)閉。

與電機相同，紫外燈模塊與光耦相連，通過單片機引腳低電平接通發(fā)光二極管，耦合至光敏三極管，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，電阻分壓，端口導通?qū)動紫外燈管。

2.2.4 LCD顯示模塊

圖3 LCD顯示界面

本設計液晶顯示采用的是通用2.8英寸TFTLCD，320×240分辨率，16位真彩顯示，支持65K色顯示，圖像質(zhì)量高，16位80并口，自帶觸摸屏，可用作控制輸入。試驗中LCD顯示狀態(tài)如圖3所示。在狀態(tài)顯示面板上，液晶屏顯示了實時的時間、溫濕度、灰塵值、模式、風速以及定時狀態(tài)。其中，模式有自動、手動、睡眠和高速4種；風速有1、2、3、4四個等級；定時有0.5 h、1 h和2 h三檔。

2.2.5 可調(diào)電壓模塊

圖4 調(diào)壓模塊電路圖

本系統(tǒng)采用靜電集塵方式，空氣凈化器需要較高的電壓，而裝置的間距一經(jīng)設定就不會再變。高壓電能夠電離氣體分子使之成為離子導致絕緣性能改變，從而引起打火。長此以往會對凈化器產(chǎn)生損害，影響用戶使用。采用LM2596降壓型電源管理單片集成電路與I2C總線數(shù)字電位器X9241結(jié)合，設計了利用單片機接收傳感器采集的濕度數(shù)據(jù)來實時調(diào)節(jié)輸出電壓的調(diào)壓電路。如圖4所示，X9241內(nèi)部包括1個I2C接口和4個數(shù)字電位器，將其串聯(lián)，將SDA和SCL與單片機的SDA和SCL相連，作為與單片機的連接總線，由單片機通過調(diào)節(jié)PWM占空比進行控制。將LM2596作為輸入電壓的降壓穩(wěn)壓芯片，輸出可調(diào)電壓[5]。

2.2.6 其他模塊

按鍵程序編寫采用掃描按鍵方式，按鍵按下之后必須松開才能第二次觸發(fā)，防止按一次多次觸發(fā)，同時，按鍵掃描還有優(yōu)先級。藍牙模塊選擇一款高性能主從一體藍牙串口模塊ATK-HC05，可以與各種帶藍牙功能的智能終端配對，支持非常寬的波特率范圍：4 800～1 382 400，并且兼容5 V或3.3 V單片機系統(tǒng)。

此模塊非常小巧，通過6個2.54 mm間距的排針與單片機STM32連接。采用Android系統(tǒng)提供藍牙的API接口，編寫應用程序，實現(xiàn)藍牙設備的基本操作?？蛻舳嗽O計完成后的界面如圖5所示。

圖7 軟件流程圖

圖5 客戶端效果圖

2.3 硬件模塊設計

硬件模塊主要是對其硬件功能電路進行設計，主要電路包括系統(tǒng)的電源電路、電機控制電路、紫外燈控制電路、液晶顯示器電路、數(shù)字電位器與控制電路、傳感器電路、藍牙串口電路、按鍵、復位電路，以及JTAG仿真電路和單片機程序下載電路等[6]。

圖6 硬件模塊設計

如圖6所示，液晶顯示電路、數(shù)字電位器與控制電路、傳感器電路、藍牙串口接收電路、按鍵、復位電路、JTAG仿真電路和單片機程序下載電路屬于單片機主控制電路；電源電路、電機控制電路、紫外燈控制電路屬于驅(qū)動控制電路。采用交流單相異步電機，在單片機的控制下啟動風扇，使室內(nèi)污濁的空氣經(jīng)過濾網(wǎng)，未被濾出的空氣經(jīng)靜電除塵裝置和紫外燈，有效去除可入肺顆粒物(PM2.5)，殺滅致病細菌、病毒[7]。

2.4 軟件模塊設計

控制系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)初始化程序、液晶顯示程序、按鍵處理程序、藍牙處理程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、APB總線接口程序、定時中斷處理程序、模式控制程序、電機驅(qū)動程序、紫外燈管驅(qū)動模塊、客戶端處理程序、省電保護程序和警報提示等子程序以及主程序共同組成。各子程序經(jīng)過單片機主程序的運算處理，實現(xiàn)系統(tǒng)的凈化功能[6]。模塊化的設計使軟件更加靈活，便于調(diào)用、移植，發(fā)生錯誤時可以迅速找出問題所在，大大提高運行效率及可靠性。軟件設計流程如圖7所示。

接入電源，系統(tǒng)開始工作，單片機進行初始化檢測，傳感器檢測室內(nèi)空氣狀況并傳輸至單片機以顯示到液晶屏上，如沒有按鍵或藍牙信號輸入則進入自動模式，單片機根據(jù)內(nèi)部預先設置好的程序?qū)︼L速進行調(diào)整，如有信號輸入則根據(jù)輸入信號作相應操作。

3 系統(tǒng)測試

圖8 主控制板實物

將各個模塊用多邦線進行連接，完成后的控制電路板如圖8所示。本設計系統(tǒng)的測試是通過按鍵或藍牙控制凈化系統(tǒng)，以觀察其狀態(tài)變化，系統(tǒng)狀態(tài)值可以在LCD和示波器上進行波形顯示，其中，顯示值在前面已給出，下圖9分別是風速為1級、2級、3級、4級時所對應的PWM，占空比越小電機轉(zhuǎn)速越低，占空比越大則轉(zhuǎn)速越高。

圖9 不同風速下的波形圖

4 結(jié)束語

本文主要介紹了一種靜電式結(jié)合紫外燈式的空氣凈化器控制部分設計。設計了傳感器數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊，用于采集室內(nèi)空氣信息，并傳輸至液晶屏以完成空氣凈化器隨外部環(huán)境自動或手動調(diào)整電壓和風速等狀態(tài)。此控制系統(tǒng)基本功能已實現(xiàn)且運行穩(wěn)定，有待于進一步的測試及應用。

[1] 史黎薇. 空氣凈化器的分類及其凈化效率的比較[J]. 中國環(huán)境衛(wèi)生, 2007, 7(2):102-104.

[2] 王永虹，徐煒，郝立平 .STM32 系列 ARM Cortex-M3 微控制器原理與實踐 [M]. 北京：北京航天航空大學出版社，2008.

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Control system of air purifier based on STM32

Zhao Yumin，Song Kaixin，Qin Huibin

(Research Institute of New Electronic Devices and Application, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

An home air purifier control system is designed in this paper, which use adjustable voltage electrostatic dust removal device,combined with UV to disinfect.Low-power 32-bit microprocessor as the core, the application of temperature and humidity sensor DHT11 ,dust sensor GP2Y and air sensor TGS2600 in the detection of indoor environment, the collected data will transfer to the SCM,and display on TFTLCD. SCM using button or bluetooth to adjust the wind speed and voltage of the air purifier in the best working condition according to the received data.After commissioning,we get a stable and significant effect system.

STM32 SCM;sensor;UV;Bluetooth;electrostatic dust collector

TP23

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.23.007

趙玉敏，宋開新，秦會斌. 基于STM32的空氣凈化器控制系統(tǒng)[J].微型機與應用，2016,35(23)：24-27.

2016-07-05)

趙玉敏(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向：電子器件材料。

宋開新(1977-)，通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：電子器件設計與應用。E-mail：kxsong@hdu.edu.cn。