基于STM32單片機新風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

石秋萍，周 旭，單 昱

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

隨著國家高等教育的普及，培養(yǎng)重心也由數(shù)量的擴張轉(zhuǎn)移到對學(xué)生綜合質(zhì)量的提升。特別是面臨技能型人才缺口越來越大，應(yīng)用型本科教育逐漸走上舞臺。以山東華宇工學(xué)院為例，作為一所應(yīng)用型本科高校，注重于工科學(xué)生技術(shù)能力的培養(yǎng)。作者在技能訓(xùn)練課堂中發(fā)現(xiàn)，從事電子工藝焊接過程中產(chǎn)生一定的一氧化氮、臭氧等有害氣體，也因為高校教室與工廠廠房車間的不同，存在室內(nèi)面積小、密封嚴實、空氣流暢不通的現(xiàn)象，煙熏造成學(xué)生眼睛干澀、呼吸不暢、學(xué)習(xí)效率降低等問題。山東華宇工學(xué)院認識到問題所在，在電子實驗室改造過程中，采用并投資了作者開發(fā)設(shè)計的基于STM32單片機新風(fēng)控制系統(tǒng)。在實際應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)在控溫保濕的基礎(chǔ)上，通過及時監(jiān)測形成良好的換氣效果有效的降低有害氣體濃度，為學(xué)生和老師們保持安全、清新的教學(xué)環(huán)境。

1 新風(fēng)系統(tǒng)的研究和發(fā)展動態(tài)

國民經(jīng)濟和社會發(fā)展正處于持續(xù)穩(wěn)定增長的階段，為社會帶來巨大福利的同時，也導(dǎo)致諸多問題，例如空氣質(zhì)量嚴重下降和環(huán)境污染狀況加劇。尤其是霧霾天氣的出現(xiàn)，不僅導(dǎo)致人們出行不便，還極大危害著人體健康，而且這種天氣給人們在家、辦公樓等人多的公眾場合開窗透氣帶來影響，導(dǎo)致辦公效率低、共公場合環(huán)境“不協(xié)調(diào)”等諸多問題。至今新風(fēng)機制造和出售的規(guī)模十分少，并且在國內(nèi)新風(fēng)機剛被人們認可，因此新風(fēng)機的市場潛力巨大，非?？捎^。

2 基于STM32單片機新風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計的必要性

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，空調(diào)、電視、冰箱等智能家居受到人們的喜愛，由于國內(nèi)對新風(fēng)系統(tǒng)的研究與制作起步較晚，尤其對新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)點智能控制和互聯(lián)網(wǎng)接入的研究不多。當(dāng)前制作售賣新風(fēng)系統(tǒng)的大部分是手工作坊式的個體經(jīng)營商和工廠，并且這種新風(fēng)系統(tǒng)的控制多數(shù)是基于紅外原理，操控時只能在紅外控制的允許范圍內(nèi)新風(fēng)系統(tǒng)才能實現(xiàn)個功能，并不能滿足人們完成工作下班時遠程打開家中的新風(fēng)機，回到家便立即享受到清新的空氣。

3 基于STM32單片機新風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計分析

單片機STM32F103ZET6作為系統(tǒng)下位機的核心部件，利用CCS811傳感器模塊測量室內(nèi)TVOC、CO2等濃度，利用A4-CG傳感器檢測室內(nèi)PM2.5濃度，利用DHT22傳感器對室內(nèi)的溫度和濕度實時進行檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)信息傳送到單片機的下位機系統(tǒng)，下位機系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)信息進行處理，整體平滑處理，去除噪聲。各個數(shù)據(jù)最終顯示在手機端，利用手機微信的AirKiss技術(shù)通過Wi-Fi模塊將操作信號傳送至上位機等待處理：風(fēng)機輸送室內(nèi)空氣到室內(nèi)，過程中過濾灰塵PM2.5并紫外殺菌。其中下位機系統(tǒng)包括STM32主控電路、Wi-Fi通信電路、電源電路，運用手機程序顯示TVOC和CO2等數(shù)據(jù)。新風(fēng)控制系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程

激光粉塵傳感器A4-CG能夠精確測得空氣中PM2.5等顆粒物濃度，將信號傳遞給相應(yīng)模塊自動調(diào)節(jié)適合的通風(fēng)量實現(xiàn)智能凈化的功能。CCS811是一款耗能低、小巧的MEMS氣體傳感器，使用IIC通信方式，但是相比于最常見的一種IIC傳感器，CCS811傳感器模塊多了中斷、使能、復(fù)位這些相應(yīng)的管腳與功能，且程序控制涉及到模式和狀態(tài)切換。CCS811氣體傳感器通過將室內(nèi)各氣體濃度與設(shè)定的標準值進行對比，一旦超過標準值將把啟動新風(fēng)的信號傳遞給單片機，進而注入新鮮空氣，實現(xiàn)新風(fēng)換氣的功能。

ESP8266模塊具有非常多的優(yōu)點，具有完整的屬于本模塊的一個Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能，不僅能夠獨自應(yīng)用，而且還能夠作為從機搭載于STM32單片機運行。該芯片是一種高度集成的32位芯片，擁有低功耗、緊湊設(shè)計和高穩(wěn)定性等優(yōu)點?；赟TM32單片機新風(fēng)控制系統(tǒng)可通過Wi-Fi模塊并利用AirKiss技術(shù)實現(xiàn)凈化器與手機微信通信互聯(lián)，并可實現(xiàn)遠程控制。

基于STM32單片機新風(fēng)控制系統(tǒng)不僅向用戶提供了手機端控制的方式，而且從家中老人對手機操作不熟練等問題的角度考慮，還設(shè)計了最簡單的按鍵方式，解決老人等用戶修改諸多變量的問題。

4 成果展示

基于STM32單片機新風(fēng)控制系統(tǒng)的部分實物如圖2、圖3所示，這樣把所有有關(guān)驅(qū)動部分的器件統(tǒng)一放在控制盒內(nèi)，既方便排查故障又美化了作品。圖2中OLED顯示屏的添加更加彰顯設(shè)計的人性化。室內(nèi)的溫度、各氣體濃度等都可顯示在OLED顯示屏中，方便人們察看室內(nèi)各氣體濃度，減少人們感知上不明顯的缺陷，蜂鳴器同時配合OLED顯示屏共同工作，一旦室內(nèi)各項數(shù)據(jù)超過正常值，蜂鳴器鳴叫，OLED顯示屏則紅屏警告。

圖2 驅(qū)動部分

圖3 控制部分

在此基礎(chǔ)上研發(fā)的新風(fēng)控制器：包括固定架和安裝結(jié)構(gòu)，固定架的表面活動連接有控制器本體，固定架的表面設(shè)有安裝結(jié)構(gòu)，安裝架的表面設(shè)有防護裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。多功能新風(fēng)控制器解決了新風(fēng)控制器通常是直接固定安裝在墻體表面導(dǎo)致當(dāng)新風(fēng)控制器損壞需要維修時，不便于工作人員對于新風(fēng)控制器的安裝與拆卸，進而浪費了工作人員的工作時間，導(dǎo)致工作人員工作效率降低的問題。

圖4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

5 結(jié)束語

基于STM32單片機新風(fēng)控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)、技術(shù)等方面的一些研究與設(shè)計，對新風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部電路做了詳細的描述。在當(dāng)前國內(nèi)人們剛認可新風(fēng)系統(tǒng)的情況下，基于STM32單片機新風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計，擺脫傳統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)近距離操控的方式，方便工作人員對于新風(fēng)控制器的安裝與拆卸。同時相比于其他輔熱、輔冷設(shè)備，基于STM32單片機新風(fēng)控制系統(tǒng)各模塊選擇合理，節(jié)約能耗，可智能化的提醒人們室內(nèi)各氣體濃度，具有較高的實用價值，合乎現(xiàn)代社會的發(fā)展趨勢。