新型智能控制系統在空氣凈化器中的應用

東南大學成賢學院電子與計算機工程學院 余功堂 佘雨瑞 沈心語 叢絲曼

由于生活水平的上升，進入21世紀后，人類社會面臨和急待解決的關鍵課題之一便是環境污染的控制與治理問題。人們對環保的態度也在轉變，已經不僅僅滿足于室外，對室內空氣的干凈程度也有極高的需求。眾所周知的是，目前各種空氣凈化器種類繁多。我們想要設計出一款新的空氣凈化器，必須集中百家之長，完善性能，才能徹底的使空氣品質得到提升。我們希望在原有的基礎上做出創新，設計出全新的多功能智能空氣凈化器，為了讓人們的生活更舒適，我們實現了讓科技更加人性化，也達到了我們讓世界變得更美好的意愿。

1 系統設計

我們設計出全新的多功能智能空氣凈化器，根據室內空氣質量我們可以通過WiFi模塊由手機app可以自動或手動按鍵調整電機風速、電壓，使空氣依次經過活性炭、靜電棉、冷觸媒、hepa過濾網四層凈化，使空氣凈化器處于最佳工作狀態。系統設計整體框架如圖1所示。

圖1 整體框架

STM32單片機簡介：

“New Life”智能空氣凈化器使用STM32F103RCT6為主要芯片，STM32的最高工作頻率達到72MHz，其中包括有48KB靜態隨機存取存儲器Flash256KB，有8個定時器，51個通用IO口等。

2 智能空氣凈化器設計

2.1 總體設計

我們制作的空氣凈化器總體是由控制與驅動兩部分構成。控制部分核心STM32F10X單片機，建立WiFi模塊，通過傳感模塊檢測出溫度和濕度以及PM2.5顆粒濃度等實時數據，通過WiFi模塊由手機app可以自動或手動按鍵調整電機風速、電壓，使空氣依次經過活性炭、靜電棉、hepa過濾網三層凈化。液晶屏上會展示時間、溫度及適度、PM2.5濃度等數據，并且可以看到是自動模式還是手動模式。

2.2 控制系統詳細設計

2.2.1 L298直流電機驅動電路

①芯片：L298N直流電機驅動芯片；②驅動部分供電范圍：5～35V；供電的范圍：7～35V；③驅動部分峰值電流：2A；④邏輯部分供電范圍：5～7V；⑤邏輯工作電流范圍：0～36mA；⑥控制信號電壓范圍：低電平：-0.3V～1.5V高電平：2.3V～Vss；⑦使能信號電壓范圍：低電平：-0.3～1.5V高電平：

2.3V～Vss。

如果要對直流電機進行調速，需先通過設置IN1和IN2來確定風扇驅動的轉動方向，然后通過PWM信號脈沖實現占空比的改變來達到轉速的改變。

2.2.2 激光PM2.5傳感器模塊

SDS011原理采用到激光散射，可以測得空氣中0.3～10微米的微顆粒濃度，通過激光器與感光部件，得到的數據非常準確。

采用的激光散射原理：用激光作光源，當照到經過檢測通道的顆粒物時會出現光散射，在入射角方向上的散射出的波形和顆粒分布與直徑有關，憑借不同粒徑的波形得以計算出顆粒物的數量濃度。

2.2.3 WiFi控制電路

ESP8266是一款超低功耗的WiFi模塊，擁有超低的能耗，可將用戶移動端連接到Wi-Fi網絡上，從而實現凈化器與移動端聯網。

2.2.4 Dht11溫濕度傳感器電路

DHT11溫濕傳感器的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術是它獨特的技術，非常高的可靠性與了不起的穩定性是它的優點。內部包含一個感濕以及測溫元件，并內部包含一個8位單片機。傳感器串行接口都是單線的集成變得簡單方便。極小的占用面積、非常低的能耗，傳輸距離達到20m之上，使它是各種應用場合的最好選擇。總線的空閑的狀態處于高電平。DHT11接收到主機的開始信號后并等待開始信號終止后，傳輸80us的低電平信號。主機發送出開始信號結束后，延時等侯，接受DHT11的信號。

圖2所示數字溫濕度傳感器低電平為此時的總線狀態，也就是響應的信號被DHT11發送出，以50us低電平1bit的數據開始發送。當傳送完成最后的數據時，總線降低50us，而后總線變為閑暇狀態。

圖2 數字溫濕度傳感器低電平為此時的總線狀態

2.2.5 液晶顯示電路

本設計液晶顯示我們使用的是2.8寸TFTLCD顯示屏，分辨率為320×240；五種接口是通過屏上的BS0～BS2來配。試驗中TFTLCD顯示狀態如圖所示。在狀態展示在面板上，其液晶屏上顯示了當前的時間、PM2.5濃度、溫度濕度、工作模式選擇按鍵以及風速調節按鍵。其中凈化模式有2種，分別為自動模式與手動模式，風扇轉速有1～4四個等級可選擇。

2.2.6 人機交互模塊

使用掃描按鍵方式編寫按鍵的相關程序，可以避免了一鍵多次觸發。我們選擇ESP8266做WiFi模塊，可以與各種帶WiFi功能的移動端相配對。客戶端完成效果如圖3、圖4所示。

圖3 手機app操作界面圖

圖4 手機app各模塊信息圖

2.3 凈化模塊

系統利用傳感器監測室內空氣，把采集到的數據傳輸給單片機，并傳輸至單片機，之后再根據接收到的數據調整電機的風速，使空氣吸入凈化空間之中，并依次經過活性炭、靜電棉、冷觸媒、Hepa過濾網四層凈化，使得空氣中的是煙霧、灰塵、細菌、過敏物質（花粉螨蟲的糞便）等物質得到有效攔截。

冷觸媒：起的化學反應，會把將害氣體吸附同時進行分解，分解甲醛、苯、甲苯等有害氣體，生成水和二氧化碳，同時冷觸媒可以多次利用。冷觸媒無毒無害，不會產生二次污染，也大大延長了濾網使用的壽命。

HEPA濾網：對于直徑為0.3微米及以上的顆粒過濾的效率可達到99.7%，是煙霧、灰塵細菌等污染最強力的過濾材料。是目前世界上公認最為有效的材料，運用廣泛。

2.4 軟件模塊設計

系統軟件由按鍵處理程序、TFTLCD顯示程序、WiFi連接程序、pm2.5以及溫濕度傳感器程序、定時中斷程序、風扇電機驅動程序、模式控制程序、onenet云平臺等程序組成，實現了凈化功能。軟件設計流程如圖5所示。凈化器被打開后，單片機系統先初始化，之后各傳感器將檢測到的溫濕度及pm2.5濃度上傳至stm32單片機，并在TFTLCD液晶屏上顯示。一開始進行的是自動模式，單片機根據顆粒物濃度對凈化效果進行提升，也可以通過手機端對其進行實時監控以及手動控制其運作。

圖5 軟件流程圖

2.5 LD3320語音控制模塊

LD3320芯片作為一款非特定的語音識別芯片，因為它的低成本，高性能，所以選用它作為模塊核心，可以通過讀寫寄存器識別設置的拼音，并以此控制繼電器的開關來達到控制凈化器和加濕器的開關。

3 空氣凈化器系統測試

首先將空氣凈化器的各模塊連接，連接且運行成功后檢測各模塊功能。本凈化器的運行測試是通過按鍵和移動端控制stm32單片機，以觀察空氣的狀態及數值的變化，其數值可以在TFTLCD和手機app上顯示，主要有溫濕度、擋位、PM2.5濃度、日期時間、手動或自動等。

本文介紹了我們小組制作的“New Life”智能wifi空氣凈化器。主要的功能有：通過傳感器采集模塊，采集室內的溫濕度及粉塵濃度等空氣信息，并在液晶屏上顯示，同時可以通過手機云端的手動控制或者外部環境量的變化來自動調整電壓從而控制風機的擋位，以實現智能化。在手機云端中顯示出空氣數據，并可以遠程控制，此智能凈化控制系統已經實現確定且穩定的運行。