基于激光型PM2.5傳感器的空氣凈化器設計

白天奇++孫炎輝

摘 要：從激光型PM2.5傳感器的特性入手，根據環境中PM2.5濃度的標準值設計一款激光型PM2.5傳感器空氣凈化器。以STM32系列芯片為主控芯片，利用激光型PM2.5傳感器對環境中的PM2.5濃度進行實時采集，根據采集到的PM2.5的濃度，自動調節電機轉速，從而帶動指定環境空氣對流，使空氣通過專用的PM2.5濾網，從而達到過濾環境中PM2.5含量的目的。與此同時將空氣質量信息以及其他一些輔助信息顯示在機身自帶的液晶屏上，用戶可通過藍牙利用移動終端上的App進行空氣質量的實時監控與凈化等級的調節。從而簡單、可靠地凈化了空氣中的可吸入微顆粒物，得到了良好的凈化效果。

關鍵詞：激光型PM2.5傳感器；STM32；PWM；無刷直流電機

中圖分類號：TN108+.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-04

0 引 言

近些年伴隨著現代科技的發展和工業化進程，環境污染的問題愈發嚴重。而一項新的污染指標——“PM2.5”逐漸引起人們的重視，即空氣中直徑小于等于2.5 m的顆粒物。這種往往被忽視的顆粒物也正因其粒徑小，面積大，活性強，更易附帶有毒、有害物質如重金屬、微生物等特性，在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，從而對大氣質量造成了很大的影響[1]。同時這些微顆粒物對人體的危害極大，并且PM2.5也廣泛存在于我們日常生活的室內環境中。因此必須尋找一種有效的方式，從技術入手，檢測某指定環境下PM2.5的濃度指標，并在濃度超過預定閾值時及時反饋至用戶隨身攜帶的電子設備，同時允許用戶通過藍牙遠程控制電機以有效降低PM2.5的濃度，從而解除某指定環境中PM2.5濃度過高帶來的威脅。傳統的空氣凈化器多采用紅外線傳感器，無法靈敏及時地采集空氣中PM2.5的濃度值。但隨著激光技術的發展，激光型傳感器也普遍應用于各個領域。同樣，把激光型PM2.5傳感器應用于空氣凈化器領域，我們將更加準確及時地了解到當前環境中PM2.5的濃度參數。同時我們還可將溫濕度傳感器等加入該設計中，使采集到的信息更加多樣化，也使得產品更加人性化。

1 設計方案

本文所述產品主要實現的功能有如下幾項：

（1）激光型PM2.5傳感器對環境中的PM2.5濃度進行實時采集，讓用戶能及時了解到凈化器所在環境中的微顆粒物污染情況。

（2）根據采集到的PM2.5的濃度，自動調節電機轉速，帶動空氣對流以過濾PM2.5，從而實現空氣的智能凈化。

（3）將空氣質量信息及其他一些輔助信息顯示在機身自帶的液晶屏上，用戶可以直觀地了解到環境中PM2.5的濃度、溫度以及濕度信息。

（4）藍牙模塊與移動終端進行信息互傳，實現空氣質量的顯示并通過移動終端控制空氣凈化器。

本文所述產品選用高性價比的STM32系列芯片為主控芯片實現本設計的功能。因要求設計基于激光型PM2.5傳感器的空氣凈化器，因此不考慮傳統的紅外傳感器。雖然兩種傳感器同樣都利用光散射的原理，但由于激光型傳感器采用頻譜窄、能量強的激光作為光源，所以靈敏度更高，所設計出的產品采集到的數據也更加準確、及時，能夠滿足當前要求[2]。同樣由于工作重心在于硬件功能，藍牙模塊僅用于無線數據傳輸，將工作量更多的投入在硬件功能的設計方面，因此選擇HC-06藍牙模塊以避免復雜的棧協議帶來龐大的工作量。而在電機的選擇上，雖然交流電的電源條件容易滿足，但交流電源難以控制，能耗大。在考慮到用戶的維護成本時，有刷電機的缺點顯而易見，雖然成本相對無刷電機低廉很多，但能耗大、機械損耗大不可忽視。通過多方面考慮，最終選用無刷直流電機。其硬件系統設計框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 主控芯片

本設計采用STM32F103C8T6芯片作為主芯片，該芯片的工作頻率最高可達72 MHz，RAM容量為20 K×8，高達20 K字節的SRAM。同時，該芯片含有睡眠、停機和待機這三種低功耗模式，其VBAT為RTC和后備寄存器供電，更加符合節能低功耗的要求。該芯片可兼容USB、USART和CAN等多種串行通訊方式。而且其工作電壓為2.0 V～3.6 V，在電路上容易實現，且價格便宜合理。

2.2 PM2.5傳感器

本設計采用激光型PM2.5傳感器——CP15-A31e。CP15-A31的輸入電壓為5 V，輸出信號的電壓為3.3 V。

由于現在激光傳感器已大量投入使用，國內許多廠家也開始生產激光傳感器，因此其成本已大大降低。經初步查閱，將本設計采用的國產激光型PM2.5傳感器范圍鎖定在攀騰科技的PMSX、武漢四方的PM2005和益杉科技的CP15-A3這三種低能耗傳感器中。這三種激光型傳感器工作室電流均小于120 mA。在精度方面，CP15-A3的精度為±5%，遠高于PM2005和PMSX的±15%。而且在成本方面CP15-A31e（CP15-A3的改進型）每只為150元，其余兩個傳感器的價格在120元到180元不等，考慮到性價比等因素，最終選用CP15-A31e。PM2.5傳感器電路圖如圖2所示。

2.3 電機模塊

交流電機電壓為220 V。有刷電機的摩擦大，損耗大，需要定期清理更換碳刷，而且因為有刷電機中電刷和換向器的接觸電阻很大，容易產生很大熱量，而高溫可使磁鋼退磁，影響有刷電機壽命，同時發熱也將很大一部分電能轉化為熱能，因此輸出功率不大，效率也不高。在同樣的情況下，無刷電機去除了電刷，不會像有刷電機那樣在轉動時產生電火花，極大地減少了對本設計中藍牙傳輸模塊的干擾。而且去除電刷后，原本因為摩擦產生的噪音也會大大減小，不僅使設備運行更加穩定，也使得產品在居家環境中更人性化。值得一提的是，無刷電機因去除了電刷，因此主要是軸承方面產生磨損，從機械角度上看，這幾乎是一種免維護的電動機，其擁有更長的壽命，需要更少的維護。而且根據設計要求，傳感器檢測到環境中的PM2.5含量超標時，系統會開啟電機，調節PM2.5濃度使其降到標準值，所以要求電機的可控性強，同樣要求能耗盡量降低，故本設計最終選取無刷直流電機。本文所述方案采用正科電機生產的BLDC-38SRZ-S電機，其轉速為4 000轉，足以帶動空氣對流并通過濾網，降低指定環境中PM2.5的濃度。同時其額定功率僅為10 W，符合低能耗的設計倡議。此電機自帶6腳驅動模塊。電機模塊電路圖如圖3所示。

2.4 藍牙模塊

根據要求本設計利用藍牙模塊與移動終端進行信息互傳，實現空氣質量的顯示并可通過移動終端控制空氣凈化器的操作，經對比，最終選用HC-06。HC-06是主從一體化的藍牙串口模塊，可切換主從指令，指令少于同系列的HC-05，使用簡單。其供電電壓為3.3 V～3.6 V，工作電流不大于50 mA，能耗低，模塊的尺寸為27 mm×13 mm×2 mm，較為小巧，有助于減小產品體積，更加人性化，而且HC-06在一般家居環境中的通訊距離能達到8 m10 m[3]，完全可以滿足家居環境對設計的要求，故最終選取HC-06為本設計的藍牙模塊。藍牙模塊電路圖如圖4所示。

2.5 按鍵模塊

本設計之所以采用按鍵模塊是為了實現閾值的調整，設計完成時會預設一個PM2.5濃度的報警閾值。考慮到實際情況，本設計將設置值定義為一個三位數。用戶可通過S1選擇當年調節的設置值位數，例如個位、十位或者百位。S2則為增加數值，S3為降低數值。S2與S3每次改變的數值為1。同時設置值的每一位可調節范圍均為0至9。事實上，由上文可知，室內存在PM2.5是無法避免的，但我們的目的是將其過濾掉，故適宜的設置值不會很高，默認設置為30，建議設置值為30至50。

用戶可通過按鍵模塊自行調節閾值，而系統通過算法檢測與閾值的差值等級來調節電機轉速。本設計旨在使產品更加人性化。其算法流程圖如圖5所示。

3 軟件設計

在軟件設計上，首先要進行STM32串口的初始化，然后執行while主循環程序查詢串口3中讀取PM2.5傳感器轉化后的結果并顯示在液晶屏上并將采集到的數據發送至App以判斷當前PM2.5濃度是否達到閾值，如果達到閾值則發送警報到移動終端，若沒有達到則再回到主循環中繼續監控。當查詢到串口3讀取傳感器轉化的結果的同時判斷是否接收到了App發送來的設置的PM2.5濃度的參數，系統判斷當前環境中PM2.5濃度與設定值之間的差值等級，從而調節電機轉速，加強空氣對流并通過濾網，使空氣中的PM2.5濃度接近設定值。整個程序回到主循環中再次執行，實現環境中PM2.5的實時監控與治理。軟件設計框圖如圖6所示。

本次軟件設計采用了新穎的電機調速控制思路——PWM調節，即脈沖寬度調制。因為上文中提到本設計的設定值可根據用戶自身調節，那么一成不變的電機調速函數已不再理想。本設計中的PWM調節程序上設置了“u8 sp_buf[10]={0， 30， 40， 50， 60， 70， 80， 87， 90，99}； //電機速度定義”這幾個PWM的占空比。即PM2.5按照數值分成了10個等級，每一個等級分別對應一種速度，從而實現整個系統更高效的凈化。電機調速程序思路框圖如圖7所示。

控制步進電機轉向采用增量式PID控制算法。采用增量式算法時，計算輸出控制量u（k）對應的是本次執行機構的位置增量，而不是對應執行機構的實際位置，因此要求執行機構必備對控制量增量的累積功能，這樣才能完成對被控對象的控制操作[4]。其理想算式為：

（1）

式中u（t）是控制器輸出，e（t）是控制器輸入，Kr為放大系數，Ti是積分時間，Td是微分時間。

設u（k）是第k次的采樣輸出值，可得算式：

（2）

由（2）式可得：

即：

其中：

而其串口中斷子流程圖如圖8所示。

4 設備運行

產品運行時會將空氣質量參數顯示在硬件環境所在的液晶屏上，同時通過藍牙將采集到的數據傳送到移動終端的App上以實現實時監控。液晶模塊的顯示內容有當前PM2.5的濃度、當前溫度、當前濕度和設置值。而App端的顯示內容有當前PM2.5的濃度、當前溫度、當前濕度和凈化等級調節。

在設備運行精度方面，我們使用高精度手持式PM2.5檢測儀將采集到的數據與本文所述產品采集到的數據進行比較，結果如表1所列。

由上表可算出平均誤差為1.74%，完全可以達到精度要求，可以準確反映出環境中PM2.5的濃度。

5 結 語

本文所設計方案的工作原理是加速空氣對流，讓空氣由入風口進入，并強迫其通過專用的聚丙烯高效濾紙，再由出風口回到室內環境中，從而完成空氣的凈化。而本文所述方案的亮點之一在于從命題出發，大膽地選用了激光型PM2.5傳感器，可更靈敏準確地反應出微顆粒物濃度參數。另一個亮點在于當前作為研究熱點的PWM調制。本文所設計的電機轉速調節便采用了這一當前的熱門方法。系統通過設置多個占空比以對應不同的電機轉速（凈化等級）。同時結合其他系統模塊完成空氣凈化器的設計，達到了預期目標。

參考資料

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[2]佟偉鋼，王維寬，胡.室內空氣凈化技術及其發展趨勢[J].科技創新導報，2013（17）：125-126.

[3]郭琦，王志剛，牛寶超，等.一種基于ARM的WiFi 無線監控系統設計[J].電子設計工程，2013，21（4）：184-186.

[4]賀安坤，張亮，宋長青，等.基于 Zig Bee 技術的智能家居系統的設計與實現[J].微計算機信息，2012，28（9）：168-169.

[5] GC Carvalho，ML Siqueira，SC Absi-Alfaro. Offline programming of flexible welding manufacturing cells [J].Journal of Materials Processing Technology， 1998， 78（1-3）：24-28.

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