基于STM32的智能通風換氣系統設計

唐 偉，謝永智

（桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西桂林 541004）

0 引言

在當前的社會環境下，住房問題成為了人們關心的最大問題。在這個背景下，擁有一個綠色的健康的居住環境是人們共同的追求。

本設計所指向的應用環境是民用建筑的智能通風。利用傳感器的采集空氣數據的特性，了解居住環境的空氣質量，由主控芯片進行數據的處理，發送起始信號給執行機構，自動調節空氣質量。當空氣中的環境質量達標后，發送停止信號，執行機構停止運動。此外還可以通過按鍵開關單獨控制執行機構的啟停。

1 系統整體設計

本系統主要由MQ-135空氣質量傳感器、MQ-2易燃氣體檢測傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、TFT-LCD 液晶顯示屏、STM32F407ZGT6 單片機、電源模塊、報警裝置和通風機構組成。通過傳感器檢測各個房間的PM2.5 濃度、易燃氣體濃度和溫濕度數據，并在TFT-LCD液晶顯示屏上。將采集到的數據與自己預設的值相比較，如果大于閾值就會報警并打開通風或加濕裝置。其控制功能結構框圖如圖1所示。

圖1 系統控制功能結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 單片機最小系統

單片機最小系統主要分為電源電路、振蕩電路以及復位電路3部分。電源電路為單片機以及傳感器模塊提供正常工作所需要的電壓；振蕩電路使用了一個振蕩率為12 Hz 的晶振，晶振是一個單片機控制系統的核心，沒有晶振單片機就無法正常工作；復位電路的作用是使單片機系統恢復最初始的狀態，隨著程序的運行，有可能無法準確地判斷程序運行到哪個位置，按下復位按鍵，使系統復位回到程序開始運行的初始位置。

2.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11 溫濕度傳感器的濕度測量范圍在20%～90%，溫度測量范圍在0～50 ℃，但是DHT11 的測量精度不是非常高，多用于小規模的溫濕度檢測。本設計所指向的是民用建筑的室內智能通風系統，對于溫濕度的精度要求并不高，在滿足測量的條件下，選擇DHT11 的性價比較高。原理圖如圖2所示。

DHT11 傳感器收到主機發送的開始信號后，從低功耗的休眠模式轉換成高速運行模式。等待主機發送的開始信號結束后，即主機拉高電平，停止信號的發送，DHT11 向主機發送一個低電平的應答響應信號。在拉高延時準備輸出，拉低電平同時返回40位的數據，完成模擬信號的采集，一般都是高位在前，低位在后。采集數據完成后，DHT11 返回初始狀態，等待主機再次發送起始信號如果沒有接收到主機的起始信號，DHT11 不會進行溫濕度采集。

圖2 DHT11溫濕度傳感器

2.3 MQ-135氣體傳感器

MQ-135 氣體傳感器所使用的氣敏材料是二氧化錫（SnO2），二氧化錫在正常空氣環境中電導率較低，而當傳感器所處環境中存在一定含量的污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大[1]。它對煙霧和其他有害氣體的檢測也很理想。所以這種傳感器主要用來檢測空氣的質量。

2.4 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣體傳感器多用于家庭的氣體泄漏檢測裝置，主要用于檢測液化氣、酒精、煙霧等易燃氣體。在氣體傳感器采集到數據后，如何將采集到的數據轉換成空氣中實際濃度的含量，以MQ-2氣體傳感器為例，計算濃度與輸出電壓的關系如下：

式中：n為常數，與氣體檢測靈敏度有關，除了隨傳感器材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測量溫度和激活劑的不同而發生大幅度的變化[2]；m為常數，表示隨氣體濃度而變數的傳感器的靈敏度（也稱作為氣體分離率）。對于可燃性氣體來說，m的值多數介于1/2～1/3[2]。

傳感器的電阻阻值的計算如下：

式中：VC為回路電壓；VRL為傳感器4、6腳的輸出電壓；RL為負載電阻。

根據以上式子可以求出傳感器電阻RS。根據MQ-2 傳感器的電導率隨著氣體的濃度增大而增大，得出其輸出電壓的公式如下：

式中：VC為回路電壓，即引腳1、3 之間的電壓；RS為傳感器的阻值；US為傳感器引腳4、6之間的輸出電壓。

如果空氣中的氣體濃度上升，則會導致RS下降，根據式（3），則輸出電壓值US會增加。所以得到空氣中氣體的濃度與傳感器的輸出電壓值呈正相關。

2.5 TFT-LCD液晶顯示屏

一個功能完全的LCD 液晶屏幕顯示系統主要分為3 個部分：第1部分為主控系統，控制信號的發送；第2部分為LCD顯示控制器，控制信號的讀取與寫存，當主控系統的CPU 向LCD 顯示控制器發送信號，將數據寫入幀存控制模塊中，幀存控制模塊在整個LCD 顯示系統中起到的作用是給顯示數據一個緩沖的時間；第3 部分為LCD 顯示屏，主要將需要顯示的數據通過地址總線和數據總線，發送到圖形處理模塊，將傳進來的數據進行分析處理后，通過LCD 的時序發生模塊發生脈沖波，通過拉高脈沖，把要顯示的數據發給顯示器，數據發送結束后拉低脈沖。

TFT-LCD液晶顯示電路原理如圖3所示。

圖3 2.8寸TFTLCD液晶顯示屏模塊原理圖

2.6 繼電器控制部分

通風換氣的模塊通過繼電器串聯一個5 V直流風扇進行控制。正常通電情況下，繼電器接常開，在沒有得到單片機發送信號時不做動作，如果檢測到溫度過高或者氣體濃度超標時，繼電器得電吸合，由常開變為常閉，風扇開始轉動。

3 系統軟件設計

系統軟件的設計應考慮到產品的功能要求，逐步實現控制要求。功能要求：能夠自動檢測兩個房間的溫濕度與空氣質量，設置報警值并自動控制兩個房間的通風裝置的啟停，而且還有能夠具備手動控制風扇的啟停的功能[3]。主程序的流程如圖4所示。

圖4 主程序的程序執行流程

本設計中主要使用到了ADC數模轉換的相關知識。12位ADC數字模擬轉換器有多達18個通道，可測量16個外部信號源和2個內部信號源，是一種逐次逼近型的轉換器[5]。每個通道的A/D 轉換可以單次、連續掃描或間斷模式執行，本設計中采用到的是A/D轉換的單次掃描，將結果儲存在FSMC寄存器中[5]。

STM32F4 中ADC 的轉換分為規則通道組和注入通道組[6]。其中規則通道是系統正常運行的程序，而注入通道，就相當于中斷函數[6]。在程序正常執行的時候，注入通道的轉換可以打斷規則通道的轉換，規則通道只能在注入通過轉換完成后才能夠繼續轉換[6]。

本設計用到的是STM32F407自帶的ADC時鐘電路，在初始化ADC的時候，需要參考到STM32F407的參考手冊，查閱相關的時鐘初始化及配置程序。ADC 在開始精確轉換之前需要一段穩定時間tSTAB，ADC 開始轉換并經過15 個時鐘周期后，EOC 標志置1，轉換結果存放在16 位ADC 數據寄存器中[7]。

4 系統調試

開啟ADC時鐘后，編寫數據讀取函數，使用串口調試助手，進行數據的接收與顯示。這里用到串口調試，需要編寫串口函數，打開串口。使用Printf函數打印出MQ-135、MQ-2和兩個DHT11的數據。

注意：這里讀取出來的值是在0～4 095之間的一個值。但是無法直觀地感受到空氣中的濃度，所以需要將它轉換成百分比來看。用讀取到的值除以4 095，再乘以100%，就可以轉換成百分比值，方便比較。

經過串口調試過后的程序，確定各傳感器的數據轉換與讀取函數沒有問題，編寫主函數后，在LCD 屏上顯示自己想要的數據。

自從控制部分以房間一為例，當檢測到的可燃氣體的濃度大于預設值時，開啟蜂鳴器和繼電器，進行報警以及通風。通風完成后，關閉蜂鳴器和繼電器。

手動控制部分以房間二的換氣扇和加濕器進行演示。系統初始化設置運行模式為自動模式，自動模式下按動按鍵無法觸發按鍵函數。在按下模式切換按鍵后，系統執行手動控制的函數。按下KEY1打開繼電器，開啟位于客廳的換氣扇，再次按下則關閉繼電器。

5 結束語

本文主要研究了如何通過單片機系統對室內房間進行智能通風換氣的設計與實現。通過利用STM32F407ZGT6高性能的單片機以及溫濕度和氣體傳感器，實現房間的溫濕度以及空氣質量的檢測，能夠通過LCD 顯示屏進行實時顯示、實現超限報警并開啟通風的控制要求；同時還能自動或通過按鍵手動控制調節裝置。自動控制時，當環境條件高于安全值時開啟報警裝置提醒用戶，并自動通風。當環境條件降低到可以接受的范圍時，會停止空氣調節裝置的運行；手動控制可以根據自身的體感舒適度開啟或者關閉空氣調節裝置。