基于STM32單片機(jī)的便攜式空氣凈化器設(shè)計(jì)

魏偉，張磊，孫鵬達(dá)

（沈陽科技學(xué)院，遼寧沈陽，110167）

0 引言

近年來國內(nèi)霧霾現(xiàn)象日益嚴(yán)重，國內(nèi)多地受霧霾持續(xù)困擾，室內(nèi)外空氣中的微粒、細(xì)菌、病毒和其他有害物質(zhì)對人體健康構(gòu)成危害，特別是對長期工作或生活在惡劣環(huán)境下的人[1]。本文設(shè)計(jì)出一種多功能便捷式空氣凈化器，在檢測空氣質(zhì)量的同時(shí)還可以利用過濾層及負(fù)離子發(fā)生器改善人體吸入空氣的質(zhì)量，通過物聯(lián)網(wǎng)芯片將實(shí)時(shí)的空氣質(zhì)量傳送給服務(wù)器進(jìn)行分析。本設(shè)計(jì)可根據(jù)環(huán)境選取風(fēng)量調(diào)速模式，具有能耗低，維護(hù)簡單和可隨身攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)，由負(fù)離子發(fā)生器、微風(fēng)扇、空氣過濾裝置等系統(tǒng)組成。微風(fēng)扇使空氣流動(dòng)，流動(dòng)的空氣經(jīng)過裝在風(fēng)口的負(fù)離子發(fā)生器，將空氣不斷電離，產(chǎn)生大量負(fù)離子，形成負(fù)離子氣流，依次通過機(jī)內(nèi)的粗濾棉、活性炭濾芯、PM2.5試紙后將各種污染物過濾或吸附，達(dá)到清潔凈化空氣的目的。

圖1 凈化空氣流程

在霧霾環(huán)境下，傳感器感知周圍空氣，通過液晶顯示屏顯示當(dāng)前未凈化空氣的PM2.5值、溫度值和濕度值。通過風(fēng)扇的作用，空氣先流過負(fù)離子發(fā)生器，將空氣中帶電的大顆粒吸附到鐵絲過濾網(wǎng)上，通過粗濾棉進(jìn)行第一層過濾，活性炭網(wǎng)進(jìn)行第二層過濾，PM2.5濾紙過濾小微粒，再通過負(fù)離子發(fā)生器凈化空氣，使人體可以呼吸到潔凈空氣。此外，本系統(tǒng)搭配不同類型出風(fēng)口也可作為車載凈化器使用。

2 系統(tǒng)硬件組成

■2.1 系統(tǒng)主控模塊

本設(shè)計(jì)選用STM32單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理模塊，其對數(shù)據(jù)的處理速度快，能實(shí)時(shí)采樣PM2.5傳感器、溫濕度傳感器檢測的數(shù)據(jù)，精確計(jì)算出粉塵濃度、溫濕度，把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給OLED顯示屏，具有性價(jià)比高，功耗低等特點(diǎn)。

■2.2 PM2.5檢測模塊

本設(shè)計(jì)采用夏普PM2.5粉灰塵傳感器GP2Y1010AU0F檢測模塊，利用光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器感應(yīng)空氣中的塵埃粒子。內(nèi)部的紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使其能夠探測到空氣中塵埃反射光，通過檢測經(jīng)過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量。該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比，通過STM32單片機(jī)的采樣數(shù)據(jù)，運(yùn)用卡爾曼濾波算法精確計(jì)算出粉塵濃度，測量PM2.5的含量。

圖2 PM2.5檢測模塊電路圖

■2.3 風(fēng)扇模塊

風(fēng)扇作為凈化器空氣流動(dòng)的動(dòng)力來源，風(fēng)量的大小決定凈化速度的快慢。本設(shè)計(jì)采用DC12V微型風(fēng)扇，通過STM32單片機(jī)控制PWM調(diào)速，改變周期占空比大小來控制風(fēng)扇端電壓，進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

圖3 PWM調(diào)速系統(tǒng)電路圖

■2.4 溫濕度檢測模塊

本設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT22模塊。DHT22數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有極高的可靠性與穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件。此模塊和STM32單片機(jī)單線制串行通信，簡易快捷，通過STM32單片機(jī)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)程序，使溫度、濕度數(shù)據(jù)更加精確[2]。

■2.5 負(fù)離子發(fā)生器模塊

通過負(fù)離子發(fā)生器的脈沖振蕩電路，將低電壓通過高壓模塊升壓為直流負(fù)高壓，經(jīng)過碳素纖維尖端不斷產(chǎn)生負(fù)直流高電暈，高速的發(fā)射出大量的電子，立刻會(huì)被空氣中的氧分子捕捉，從而形成負(fù)離子。本設(shè)計(jì)利用負(fù)離子發(fā)生器使空氣中的甲醛、苯等有害氣體發(fā)生反應(yīng)，將其分解為二氧化碳和水，達(dá)到除塵、滅菌、凈化空氣的目的。

■2.6 電源模塊

本設(shè)計(jì)選用DC12V、5000mA容量鋰電池為系統(tǒng)供電。該電源為外部各個(gè)傳感器模塊和單片機(jī)模塊提供穩(wěn)定的電壓和電流，紋波小。此外，當(dāng)系統(tǒng)電量不足時(shí)，能通過OLED顯示屏進(jìn)行低電量顯示，提示使用者及時(shí)充電。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 電源電路

■2.7 cc2530芯片

通信模塊選擇美國 TI 公司的 CC2530F256，其含有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，256KB可編程閃存，8–KB RAM和先進(jìn)的RF收發(fā)器，結(jié)合ZigBee協(xié)議棧，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大和完整的無線通信。本設(shè)計(jì)將STM32單片機(jī)與CC2530芯片設(shè)置相同的波特率，進(jìn)行串口通信，將PM2.5及溫濕度數(shù)據(jù)傳送到相鄰的服務(wù)器。

3 系統(tǒng)測試

將各個(gè)模塊進(jìn)行連接，首先測試各個(gè)模塊運(yùn)行，觀察其狀態(tài)變化，系統(tǒng)狀態(tài)值可以在 OLED屏幕和示波器上觀察波形顯示。最后將各個(gè)模塊組裝測試。

■3.1 風(fēng)扇模塊監(jiān)測

通過改變每個(gè)周期中占空比的大小來控制風(fēng)扇兩端電壓的大小，進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)中占空比設(shè)定為0.25、0.5、0.75、1四個(gè)等級，通過示波器檢測STM32單片機(jī)輸出占空比。

圖5 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速檢測

■3.2 PM2.5模塊監(jiān)測

對PM2.5檢測模塊進(jìn)行測試，當(dāng)室內(nèi)無煙時(shí)液晶顯示屏顯示PM2.5值為40，室內(nèi)有煙時(shí)液晶顯示屏顯示PM2.5值為250，表明該模塊檢測靈敏度高。

■3.3 溫濕度模塊監(jiān)測

正常溫室15.5℃時(shí)，相對濕度為64.4%，當(dāng)給溫濕度傳感器周圍添加熱源后，溫度上升為18.7℃，當(dāng)給溫濕度傳感器周圍放置加濕器后，相對濕度上升到88.8%，表明溫濕度傳感器性能良好。

圖6 PM2.5檢測

■3.4 OLED顯示器模塊監(jiān)測

OLED模塊與STM32單片機(jī)通過IIC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，PM2.5傳感器、溫濕度傳感器檢測的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析，把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給OLED顯示屏，顯示經(jīng)過凈化器凈化前后的PM2.5數(shù)值和空氣的溫度、濕度。

4 結(jié)束語

通過測試，該便攜式空氣凈化器可以有效地凈化人體吸入空氣，并最大程度地減少室內(nèi)外空氣中懸浮的細(xì)菌和有害氣體，同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)將戶外空氣指數(shù)上傳至服務(wù)器，進(jìn)行區(qū)域互聯(lián)，為行人提供一個(gè)安全舒適的室外呼吸環(huán)境。