新型智能控制系統(tǒng)在空氣凈化器中的應(yīng)用

東南大學(xué)成賢學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 余功堂 佘雨瑞 沈心語(yǔ) 叢絲曼

由于生活水平的上升，進(jìn)入21世紀(jì)后，人類(lèi)社會(huì)面臨和急待解決的關(guān)鍵課題之一便是環(huán)境污染的控制與治理問(wèn)題。人們對(duì)環(huán)保的態(tài)度也在轉(zhuǎn)變，已經(jīng)不僅僅滿(mǎn)足于室外，對(duì)室內(nèi)空氣的干凈程度也有極高的需求。眾所周知的是，目前各種空氣凈化器種類(lèi)繁多。我們想要設(shè)計(jì)出一款新的空氣凈化器，必須集中百家之長(zhǎng)，完善性能，才能徹底的使空氣品質(zhì)得到提升。我們希望在原有的基礎(chǔ)上做出創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出全新的多功能智能空氣凈化器，為了讓人們的生活更舒適，我們實(shí)現(xiàn)了讓科技更加人性化，也達(dá)到了我們讓世界變得更美好的意愿。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)出全新的多功能智能空氣凈化器，根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量我們可以通過(guò)WiFi模塊由手機(jī)app可以自動(dòng)或手動(dòng)按鍵調(diào)整電機(jī)風(fēng)速、電壓，使空氣依次經(jīng)過(guò)活性炭、靜電棉、冷觸媒、hepa過(guò)濾網(wǎng)四層凈化，使空氣凈化器處于最佳工作狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框架如圖1所示。

圖1 整體框架

STM32單片機(jī)簡(jiǎn)介：

“New Life”智能空氣凈化器使用STM32F103RCT6為主要芯片，STM32的最高工作頻率達(dá)到72MHz，其中包括有48KB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器Flash256KB，有8個(gè)定時(shí)器，51個(gè)通用IO口等。

2 智能空氣凈化器設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

我們制作的空氣凈化器總體是由控制與驅(qū)動(dòng)兩部分構(gòu)成?？刂撇糠趾诵腟TM32F10X單片機(jī)，建立WiFi模塊，通過(guò)傳感模塊檢測(cè)出溫度和濕度以及PM2.5顆粒濃度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)WiFi模塊由手機(jī)app可以自動(dòng)或手動(dòng)按鍵調(diào)整電機(jī)風(fēng)速、電壓，使空氣依次經(jīng)過(guò)活性炭、靜電棉、hepa過(guò)濾網(wǎng)三層凈化。液晶屏上會(huì)展示時(shí)間、溫度及適度、PM2.5濃度等數(shù)據(jù)，并且可以看到是自動(dòng)模式還是手動(dòng)模式。

2.2 控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1 L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

①芯片：L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片；②驅(qū)動(dòng)部分供電范圍：5～35V；供電的范圍：7～35V；③驅(qū)動(dòng)部分峰值電流：2A；④邏輯部分供電范圍：5～7V；⑤邏輯工作電流范圍：0～36mA；⑥控制信號(hào)電壓范圍：低電平：-0.3V～1.5V高電平：2.3V～Vss；⑦使能信號(hào)電壓范圍：低電平：-0.3～1.5V高電平：

2.3V～Vss。

如果要對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，需先通過(guò)設(shè)置IN1和IN2來(lái)確定風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后通過(guò)PWM信號(hào)脈沖實(shí)現(xiàn)占空比的改變來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)速的改變。

2.2.2 激光PM2.5傳感器模塊

SDS011原理采用到激光散射，可以測(cè)得空氣中0.3～10微米的微顆粒濃度，通過(guò)激光器與感光部件，得到的數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確。

采用的激光散射原理：用激光作光源，當(dāng)照到經(jīng)過(guò)檢測(cè)通道的顆粒物時(shí)會(huì)出現(xiàn)光散射，在入射角方向上的散射出的波形和顆粒分布與直徑有關(guān)，憑借不同粒徑的波形得以計(jì)算出顆粒物的數(shù)量濃度。

2.2.3 WiFi控制電路

ESP8266是一款超低功耗的WiFi模塊，擁有超低的能耗，可將用戶(hù)移動(dòng)端連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)凈化器與移動(dòng)端聯(lián)網(wǎng)。

2.2.4 Dht11溫濕度傳感器電路

DHT11溫濕傳感器的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)是它獨(dú)特的技術(shù)，非常高的可靠性與了不起的穩(wěn)定性是它的優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)部包含一個(gè)感濕以及測(cè)溫元件，并內(nèi)部包含一個(gè)8位單片機(jī)。傳感器串行接口都是單線(xiàn)的集成變得簡(jiǎn)單方便。極小的占用面積、非常低的能耗，傳輸距離達(dá)到20m之上，使它是各種應(yīng)用場(chǎng)合的最好選擇?？偩€(xiàn)的空閑的狀態(tài)處于高電平。DHT11接收到主機(jī)的開(kāi)始信號(hào)后并等待開(kāi)始信號(hào)終止后，傳輸80us的低電平信號(hào)。主機(jī)發(fā)送出開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等侯，接受DHT11的信號(hào)。

圖2所示數(shù)字溫濕度傳感器低電平為此時(shí)的總線(xiàn)狀態(tài)，也就是響應(yīng)的信號(hào)被DHT11發(fā)送出，以50us低電平1bit的數(shù)據(jù)開(kāi)始發(fā)送。當(dāng)傳送完成最后的數(shù)據(jù)時(shí)，總線(xiàn)降低50us，而后總線(xiàn)變?yōu)殚e暇狀態(tài)。

圖2 數(shù)字溫濕度傳感器低電平為此時(shí)的總線(xiàn)狀態(tài)

2.2.5 液晶顯示電路

本設(shè)計(jì)液晶顯示我們使用的是2.8寸TFTLCD顯示屏，分辨率為320×240；五種接口是通過(guò)屏上的BS0～BS2來(lái)配。試驗(yàn)中TFTLCD顯示狀態(tài)如圖所示。在狀態(tài)展示在面板上，其液晶屏上顯示了當(dāng)前的時(shí)間、PM2.5濃度、溫度濕度、工作模式選擇按鍵以及風(fēng)速調(diào)節(jié)按鍵。其中凈化模式有2種，分別為自動(dòng)模式與手動(dòng)模式，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速有1～4四個(gè)等級(jí)可選擇。

2.2.6 人機(jī)交互模塊

使用掃描按鍵方式編寫(xiě)按鍵的相關(guān)程序，可以避免了一鍵多次觸發(fā)。我們選擇ESP8266做WiFi模塊，可以與各種帶WiFi功能的移動(dòng)端相配對(duì)?？蛻?hù)端完成效果如圖3、圖4所示。

圖3 手機(jī)app操作界面圖

圖4 手機(jī)app各模塊信息圖

2.3 凈化模塊

系統(tǒng)利用傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣，把采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，并傳輸至單片機(jī)，之后再根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)調(diào)整電機(jī)的風(fēng)速，使空氣吸入凈化空間之中，并依次經(jīng)過(guò)活性炭、靜電棉、冷觸媒、Hepa過(guò)濾網(wǎng)四層凈化，使得空氣中的是煙霧、灰塵、細(xì)菌、過(guò)敏物質(zhì)（花粉螨蟲(chóng)的糞便）等物質(zhì)得到有效攔截。

冷觸媒：起的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)把將害氣體吸附同時(shí)進(jìn)行分解，分解甲醛、苯、甲苯等有害氣體，生成水和二氧化碳，同時(shí)冷觸媒可以多次利用。冷觸媒無(wú)毒無(wú)害，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，也大大延長(zhǎng)了濾網(wǎng)使用的壽命。

HEPA濾網(wǎng)：對(duì)于直徑為0.3微米及以上的顆粒過(guò)濾的效率可達(dá)到99.7%，是煙霧、灰塵細(xì)菌等污染最強(qiáng)力的過(guò)濾材料。是目前世界上公認(rèn)最為有效的材料，運(yùn)用廣泛。

2.4 軟件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由按鍵處理程序、TFTLCD顯示程序、WiFi連接程序、pm2.5以及溫濕度傳感器程序、定時(shí)中斷程序、風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、模式控制程序、onenet云平臺(tái)等程序組成，實(shí)現(xiàn)了凈化功能。軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。凈化器被打開(kāi)后，單片機(jī)系統(tǒng)先初始化，之后各傳感器將檢測(cè)到的溫濕度及pm2.5濃度上傳至stm32單片機(jī)，并在TFTLCD液晶屏上顯示。一開(kāi)始進(jìn)行的是自動(dòng)模式，單片機(jī)根據(jù)顆粒物濃度對(duì)凈化效果進(jìn)行提升，也可以通過(guò)手機(jī)端對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及手動(dòng)控制其運(yùn)作。

圖5 軟件流程圖

2.5 LD3320語(yǔ)音控制模塊

LD3320芯片作為一款非特定的語(yǔ)音識(shí)別芯片，因?yàn)樗牡统杀?，高性能，所以選用它作為模塊核心，可以通過(guò)讀寫(xiě)寄存器識(shí)別設(shè)置的拼音，并以此控制繼電器的開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到控制凈化器和加濕器的開(kāi)關(guān)。

3 空氣凈化器系統(tǒng)測(cè)試

首先將空氣凈化器的各模塊連接，連接且運(yùn)行成功后檢測(cè)各模塊功能。本凈化器的運(yùn)行測(cè)試是通過(guò)按鍵和移動(dòng)端控制stm32單片機(jī)，以觀(guān)察空氣的狀態(tài)及數(shù)值的變化，其數(shù)值可以在TFTLCD和手機(jī)app上顯示，主要有溫濕度、擋位、PM2.5濃度、日期時(shí)間、手動(dòng)或自動(dòng)等。

本文介紹了我們小組制作的“New Life”智能wifi空氣凈化器。主要的功能有：通過(guò)傳感器采集模塊，采集室內(nèi)的溫濕度及粉塵濃度等空氣信息，并在液晶屏上顯示，同時(shí)可以通過(guò)手機(jī)云端的手動(dòng)控制或者外部環(huán)境量的變化來(lái)自動(dòng)調(diào)整電壓從而控制風(fēng)機(jī)的擋位，以實(shí)現(xiàn)智能化。在手機(jī)云端中顯示出空氣數(shù)據(jù)，并可以遠(yuǎn)程控制，此智能凈化控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)確定且穩(wěn)定的運(yùn)行。