基于STM32的智能凈化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

韓竺秦，張麗娜

（1.韶關(guān)學(xué)院自動(dòng)化系，廣東韶關(guān)512005；2.韶關(guān)學(xué)院教育學(xué)院數(shù)字媒體專業(yè)，廣東韶關(guān)512126）

1 引言

隨著國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生活水平的不斷提高，人們對(duì)高質(zhì)量的生活方式越來越向往，對(duì)空氣質(zhì)量和身邊環(huán)境的要求也逐漸提高，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了智能凈化控制系統(tǒng)［1］［2］。主要由微控制器STM32、監(jiān)控終端、溫濕度傳感器與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系、PM2.5粉塵傳感器數(shù)據(jù)的處理，清潔電機(jī)控制，清潔凈化機(jī)器人移動(dòng)電機(jī)的控制，主要包括兩部分，控制空氣凈化器以及清潔掃地功能，同時(shí)可以將系統(tǒng)參數(shù)通過WIFI上傳到終端，終端上位機(jī)接收到信息，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控［3］。

主要功能：

（1）對(duì)特定環(huán)境下溫度、濕度、紅外避障、PM2.5粉塵傳感器等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

（2）利用WIFI模塊連接終端系統(tǒng)，通過終端APP對(duì)清潔凈化機(jī)器人進(jìn)行，遠(yuǎn)程開機(jī)關(guān)機(jī)，風(fēng)速等控制，在不同環(huán)境可進(jìn)行 5 擋調(diào)速［3］。

（3）通過液晶屏對(duì)溫度，濕度，甲醛等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并通過WiFi對(duì)相關(guān)的信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 控制系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)在工作時(shí)，控制器STM32負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)機(jī)器人整體工作任務(wù)，通過終端提供人機(jī)交互信息，包括所有傳感器的信息接收和處理。凈化控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括STM32主控制器，甲醛、溫濕度、PM2.5等光電傳感器，人機(jī)交互系統(tǒng)，WiFi模塊，靜電吸附模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，步進(jìn)電機(jī)等部分組成。當(dāng)甲醛氣體濃度或PM2.5濃度超過用戶所設(shè)定的閥值時(shí)，清潔凈化機(jī)器人能夠自動(dòng)從睡眠狀態(tài)被喚醒，啟動(dòng)風(fēng)扇，將有害氣體或者空氣抽入該設(shè)備之內(nèi)，抽入的空氣在排入或排除時(shí)，當(dāng)空氣經(jīng)過過濾網(wǎng)時(shí)，較大顆粒或者大部分被吸附在過濾網(wǎng)上，排出PM2.5和甲醛濃度低的空氣。

圖1 凈化控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)中除了正常需要的過濾網(wǎng)，它的風(fēng)扇選用了高速冷凝風(fēng)扇，風(fēng)力強(qiáng)是一個(gè)特點(diǎn)，還有一個(gè)是比較安靜，能夠在凈化空氣的時(shí)候給人一種安靜舒適的環(huán)境［4］。

3 凈化控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與電路設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集功能

依據(jù)功能分析，數(shù)據(jù)采集任務(wù)由PM2.5、甲醛氣體傳感器，光電傳感器以及溫濕度傳感器組成來完成。不同的氣體傳感器在空氣中接觸到不同的污染源會(huì)后產(chǎn)生相應(yīng)不同的信號(hào)，經(jīng)基于STM32系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和數(shù)據(jù)解算處理，可以得到各個(gè)污染氣體的濃度值。以此為依據(jù)來評(píng)判給出空氣質(zhì)量等級(jí)，并采取預(yù)定的處理策略進(jìn)行凈化處理。

3.2 凈化模式

（1）自動(dòng)運(yùn)行模式，凈化模式下進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)檢測(cè)的參數(shù)分析對(duì)電機(jī)進(jìn)行無級(jí)速度調(diào)節(jié)。

（2）手動(dòng)運(yùn)行模式，系統(tǒng)根據(jù)污染指數(shù)大小可以手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，可進(jìn)行5級(jí)調(diào)速；

（3）睡眠模式運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到空氣指數(shù)達(dá)到要求指標(biāo)。系統(tǒng)就自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式，電機(jī)工作在功率最低狀態(tài)，

3.3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.3.1 stm32f030c8t6 的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)是STM32能夠正常工作的基礎(chǔ)，是硬件和軟件能工作的基本環(huán)境，其一般包括晶振電路、復(fù)位電路以及電源電路等［5］。如圖2所示stm32f030c8t6最小系統(tǒng)。

圖2 stm32f030c8t6最小系統(tǒng)

3.3.2 電源電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)是12V供電電路，12V電壓是通過適配器提供的，由于該設(shè)計(jì)的氣體檢測(cè)儀需要5V供電，選出常用降壓穩(wěn)壓芯片TPS5410，該芯片的輸入電壓限度在5.5V-36V，而輸出電壓范圍為1.22V-35V，芯片的內(nèi)部自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)振蕩器，PWM的開關(guān)頻率在500KHZ。

輸入電壓范圍，輸出電壓，輸入紋波電壓，輸出紋波電壓，輸入電流范圍，工作頻率。設(shè)計(jì)參數(shù)給出如下表1所示：

表1 電源設(shè)計(jì)參數(shù)

TPS5410型號(hào)的芯片要添加去耦電容，使用較大的輸入電容。電容一般用C1＝10μF，需要高品質(zhì)的瓷介電容，電容的耐壓值必須高于最高輸入的電壓，最好耐壓值應(yīng)該在輸入電壓值兩倍左右，容量需避免輸入電壓和電流的紋波的超出，因此電容的耐壓值需要高于最高的輸入電壓。

輸入電壓的紋波可以按照以下計(jì)算

IOUT（MAX）是最大負(fù)載電流，ESRMAX是輸入電容最大地等效串聯(lián)電阻，CIN則是輸入電容，fSW是開關(guān)頻率。

最大的紋波電流是很有必要檢測(cè)的，根據(jù)最壞的情況以下計(jì)算：

另外，也能夠加一些較大容量的電容，特別是TPS5410型號(hào)的電路板電源芯片的位置距離CIN多于2英寸時(shí)，需要最大輸入紋波電壓和紋波電流都能夠接受。芯片TPS5410輸出的電壓是由外部電阻R1和R2分壓來得到的，根據(jù)使能端電壓計(jì)算。選定R1，然后計(jì)算R2，推薦R1為10K電阻。

想要輸出 VOUT＝5V，則計(jì)算出來的 R2＝3.24KΩ。TPS5410 穩(wěn)壓電路如圖3所示：

圖3 TPS5410穩(wěn)壓電路

設(shè)計(jì)中3.3V電壓作為微控制器STM32和ESP8266的電源電壓，選用SP6203EM5-3.3V穩(wěn)壓器，電路圖如圖4所示，將TPS5410輸出的5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V穩(wěn)定輸出。SP6203具備十分低的壓差和接地電流，而且噪聲非常小，極其穩(wěn)定且容易使用。

圖4 SP6203EM5-3.3V 穩(wěn)壓電路

3.3.3 防反接電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)用BYG21M/SMA二極管防止倒灌，用SMAJ43CA/SMA雙向二極管防止電源正負(fù)極反接，利用二極管的單向?qū)щ娦裕谡龢O串聯(lián)一個(gè)防反接二極管能夠避免因光伏組件正負(fù)極反接而使電流反灌電路進(jìn)而毀壞電路；為避免光伏組件的方陣?yán)锏闹分g存有壓差致使電流倒送，這就是所謂的環(huán)流；當(dāng)所在組串存在時(shí)，這里當(dāng)做一個(gè)斷開點(diǎn)，把系統(tǒng)有效地分隔開，在保護(hù)故障組串的同時(shí)，也為檢測(cè)修理提供很多便利。

3.3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)電機(jī)用不同占空比的PWM來控制，關(guān)于PWM電機(jī)變速的電機(jī)電路，主要有下列性能標(biāo)準(zhǔn)。

（1）看輸出的電流和電壓的限度，它決定著這個(gè)電機(jī)電路有怎樣的驅(qū)動(dòng)能力，可以啟動(dòng)多少功率的電機(jī)。

（2）較高的效率不但表明了電路能夠很好地節(jié)約電源，同樣的也可以降低電路板地發(fā)熱度。想要提升電路的性能，我們可以從功率元件入手，看它的運(yùn)行狀態(tài)，盡量避免同時(shí)導(dǎo)通。

（3）功率電路對(duì)于輸入端需要有較好地信號(hào)隔絕，避免有大電壓和大電流進(jìn)入主芯片進(jìn)而損壞芯片，光耦是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇，在隔離方面起到了很好的作用。

（4）共態(tài)導(dǎo)通能夠引發(fā)電源的電壓瞬時(shí)降低形成高頻電源污染。

圖5為是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，PWM波形在芯片IO輸出，加個(gè)限流電阻后經(jīng)過光電耦合器，在三極管端加一個(gè)10k限流電阻，一個(gè)100k的下拉電阻，一個(gè)穩(wěn)壓二極管，然后是功率NMOS管，電機(jī)的兩端要反向并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，保證了電路其他元件的安全。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述及框圖

本文設(shè)計(jì)的凈化控制系統(tǒng)，是以STM32為核心來控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，包括對(duì)電機(jī)、行走機(jī)構(gòu)、負(fù)離子、傳感器數(shù)據(jù)的采集，按鍵輸入，終端APP以及人機(jī)交互界面的控制和通信，系統(tǒng)的軟件模塊框架如圖所示，控制程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)上電后，主程序開始執(zhí)行，主程序的流程框圖如圖7所示，先對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)控制程序，進(jìn)行WiFi等待配置，通過APP控制處理。

圖6 程序總體結(jié)構(gòu)框圖

圖7 主程序工作流程圖

4.2 wifi通信程序設(shè)計(jì)

按ESP8266開機(jī)初始化函數(shù)：ESP8266上電之后會(huì)配置到上次斷電前的狀態(tài)，為下次開機(jī)時(shí)設(shè)備自動(dòng)連接到路由器所以給以ESP8266一定時(shí)間的初始化等待。Smart模式下客戶能很方便的為設(shè)備配置路由器名稱及密碼。

4.3 APP功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該設(shè)計(jì)的APP主要有兩個(gè)操作界面手動(dòng)模式界面和自動(dòng)模式界面，手動(dòng)模式界面可以直接控制風(fēng)扇的開關(guān)和風(fēng)速。自動(dòng)模式界面相對(duì)復(fù)雜些，需要設(shè)置三個(gè)數(shù)值（甲醛濃度，PM2.5濃度，定時(shí)的時(shí)間），設(shè)置完畢后，App再根據(jù)空氣凈化器發(fā)送的數(shù)據(jù)反饋開啟關(guān)閉和電機(jī)風(fēng)速的指令。

APP界面的設(shè)計(jì)包括了自動(dòng)模式，手動(dòng)以及定時(shí)，其設(shè)計(jì)界面如圖8所示。

圖8 APP界面設(shè)計(jì)

①手動(dòng)模式界面如圖8所示左側(cè)，有進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)兩個(gè)標(biāo)題，他們的右邊都是五個(gè)按鈕，當(dāng)按第一個(gè)按鈕是，APP發(fā)送JHSM1000的數(shù)據(jù)，風(fēng)扇風(fēng)力為第一檔，當(dāng)按第二個(gè)按鈕是，APP發(fā)送JHSM2000的數(shù)據(jù)，風(fēng)扇風(fēng)力為第二檔，其他的以此類推，這便是APP的手動(dòng)模式設(shè)置。

②自動(dòng)模式界面如圖8所示右側(cè)，空氣凈化器通過ESP8266無線wifi發(fā)送檢測(cè)的數(shù)據(jù)給移動(dòng)設(shè)備端，移動(dòng)設(shè)備接收到將數(shù)據(jù)反饋到 APP界面（如PM2.5、甲醛、溫度、濕度等），自動(dòng)模式界面下半部有三條線，可以設(shè)置濃度的閥值和空氣凈化器運(yùn)行的時(shí)間，當(dāng)設(shè)置完后，當(dāng)空氣凈化器測(cè)試數(shù)據(jù)達(dá)到閥值時(shí)，移動(dòng)設(shè)備端就會(huì)發(fā)送一串運(yùn)行指令，空氣凈化器就會(huì)啟動(dòng)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)上電后，顯示器正常顯示各項(xiàng)參數(shù)，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在自動(dòng)模式下進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)界面顯示情況如圖9所示，PM2.5 顯示為 119ug/m3，甲醛 0.042ug/m3。

圖9 系統(tǒng)測(cè)試界面

空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)為中度污染，主要污染氣體為PM2.5。由于當(dāng)前空氣質(zhì)量差，電機(jī)處于中速運(yùn)行，為測(cè)試需要，凈化器工作于自動(dòng)模式下，人為制造了高濃度PM2.5的環(huán)境半封閉環(huán)境。點(diǎn)燃一支煙，并將其放在進(jìn)風(fēng)口電機(jī)，120S之后將其熄滅，一分鐘記錄一次數(shù)值并進(jìn)行讀取，記錄到40分鐘空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)且該值的波動(dòng)達(dá)到平穩(wěn)。

圖10 實(shí)際測(cè)量曲線圖

采用曲線擬合方式繪制出曲線圖，由下圖可知，一開始空氣污染數(shù)值迅速增加，香煙熄滅之后，數(shù)值開始下降，并在一定的范圍內(nèi)起伏變化，整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，半個(gè)小時(shí)之后基本趨于穩(wěn)定，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期效果。

6 結(jié)論

針對(duì)家庭和辦公室的空氣清新，研制出一套基于STM32的智能清潔控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)粉塵濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高室內(nèi)清潔效果，系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，凈化效率高。