基于STM32智能空氣凈化器設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：STM32；Wi-Fi；甲醛；PM2.5

0 引言

中國(guó)的傳統(tǒng)工業(yè)逐漸進(jìn)入高速發(fā)展階段，高度集成的工業(yè)化產(chǎn)業(yè)在提升人民生活水平的同時(shí)，也帶來(lái)了空氣污染問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)北方的一些城市，空氣質(zhì)量問(wèn)題變得更加嚴(yán)重，工業(yè)集成度更高，并且大部分石油化工產(chǎn)業(yè)沒(méi)有進(jìn)行轉(zhuǎn)型，因此排放了大量的諸如PM2.5等的污染物。又由于冬季風(fēng)速低，容易在地表附近形成穩(wěn)定的大氣，在各種因素的作用下，容易產(chǎn)生霧氣陰霾。嚴(yán)重的霧霾會(huì)直接影響室內(nèi)空氣狀況，再如汽車尾、煙草和易揮發(fā)物體的使用，也加大了污染的程度，因此提升空氣質(zhì)量尤為重要。

目前為止，大部分提升空氣質(zhì)量的產(chǎn)品都選擇使用負(fù)離子除塵技術(shù)，這種技術(shù)可以使負(fù)離子與粉塵等污染物相結(jié)合，形成顆粒物自動(dòng)下沉，這樣便能夠過(guò)濾出污染物，達(dá)到凈化空氣的效果。

室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域多數(shù)采用單一除塵技術(shù)，自動(dòng)化程度不高，部分產(chǎn)品采用集成芯片及相關(guān)電器元件提高空氣凈化系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化水平，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)為達(dá)到更好的除塵凈化效果，可根據(jù)不同的空氣狀況選擇不同的除塵凈化技術(shù)，讓用戶更加方便省心。因此本文設(shè)計(jì)一種無(wú)線空氣凈化器，此空氣凈化器有無(wú)線遙控功能，可以通過(guò)手機(jī)App實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化器的啟動(dòng)和關(guān)閉操作。此凈化器還有顯示PM2.5 以及甲醛濃度的功能，這增加了凈化器的準(zhǔn)確度和功能性。此外，該凈化器有污染濃度檢測(cè)的功能，如果甲醛或PM2.5的濃度超過(guò)設(shè)置的警戒值，則觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，在此情況下，可以遙控啟動(dòng)凈化器，風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動(dòng)，降低室內(nèi)有害物質(zhì)的濃度，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

單片機(jī)模塊和電源模塊為此次設(shè)計(jì)最基礎(chǔ)的模塊。單片機(jī)模塊，即MCU模塊，可以使用單片機(jī)為主控，并以此為中心來(lái)操控其余附屬模塊；而電源模塊，除了用來(lái)為USB供電，還用來(lái)控制風(fēng)扇按照不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，以及維持Wi-Fi模塊的正常運(yùn)行。Wi-Fi模塊負(fù)責(zé)整個(gè)空氣凈化器的無(wú)線遙控，通過(guò)手機(jī)App可以控制空氣凈化器的運(yùn)行，大大增加了其便利性。污染物檢測(cè)模塊是主要模塊之一，用來(lái)檢測(cè)空氣中污染物濃度，由兩個(gè)傳感器組成，分別是粉塵傳感器和甲醛傳感器，前者用來(lái)測(cè)量PM2.5的濃度，后者用來(lái)測(cè)量空氣中的甲醛含量。顯示模塊主要用來(lái)顯示污染物模塊測(cè)量出來(lái)的具體數(shù)值，能夠讓使用者及時(shí)知道空氣的污染程度。蜂鳴器模塊主要是用來(lái)報(bào)警，當(dāng)污染程度超過(guò)一定指標(biāo)，蜂鳴器就會(huì)自動(dòng)報(bào)警提示使用者。按鍵模塊的作用是通過(guò)不同的按鍵組合來(lái)實(shí)現(xiàn)凈化器的開關(guān)以及風(fēng)扇啟動(dòng)和關(guān)閉等操作。最后還有風(fēng)扇模塊，主要實(shí)現(xiàn)的是凈化的功能，可以有效通過(guò)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到凈化空氣的效果。各個(gè)模塊之間相互聯(lián)系，單片機(jī)作為主控元件，傳感器將PM2.5的濃度和甲醛含量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將收到的數(shù)值和報(bào)警閾值對(duì)比，決定是否啟動(dòng)風(fēng)扇、蜂鳴器等執(zhí)行模塊。

1.2 硬件分析

本產(chǎn)品具體由以下幾個(gè)部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、電機(jī)模塊、Wi-Fi模塊、污染物測(cè)量模塊、顯示模塊、蜂鳴器模塊、按鍵模塊、風(fēng)扇模塊。如圖1所示為此次設(shè)計(jì)的整體硬件框圖。

1.2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的中樞核心，其余模塊都是在MCU 主芯片的控制下工作。STM32 單片機(jī)是ARM公司生產(chǎn)的內(nèi)核為Cortex-M3的高性價(jià)比產(chǎn)品，運(yùn)算周期采用單周期乘法和硬件除法，工作的頻率最高可達(dá)到72MHz，擁有13個(gè)通信接口。該芯片具備72MHz時(shí)鐘頻率，能實(shí)現(xiàn)高端運(yùn)算。同時(shí)具有128KB 閃存和20KB SRAM，可以存儲(chǔ)大量的程序代碼和數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高實(shí)時(shí)性要求[1]。

1.2.2 Wi-Fi 模塊

Wi-Fi模塊由無(wú)線傳輸芯片ESP8266和兩個(gè)電阻組成，ESP8266有雙排4列的插針，ESP8266芯片具有強(qiáng)大的存儲(chǔ)功能，它能夠通過(guò) GPIO口連接傳感器和其他的設(shè)備，這樣，在設(shè)計(jì)的初期階段可以最大程度地節(jié)約資源，減少功耗。ESP8266 是專門為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品所設(shè)計(jì)出來(lái)的元器件，它與其他的專利技術(shù)一起使機(jī)器實(shí)現(xiàn)了超低功耗[2]。

1.2.3 污染物測(cè)量模塊

（1） 粉塵傳感器電路

粉塵傳感器為ZPH01，用來(lái)檢測(cè)空氣中的PM2.5 含量，其靈敏度高，內(nèi)置的空氣收集器可自動(dòng)吸入空氣進(jìn)行檢測(cè)，與STM32之間采用單總線通信。ZPH01 通過(guò)使用粒子計(jì)數(shù)原理，來(lái)計(jì)算空氣中微小顆粒物數(shù)量，在出廠前進(jìn)行調(diào)試、老化、校準(zhǔn)后投入使用，不僅靈敏度高，而且具有PWM輸出，適用于各種場(chǎng)景。如圖3所示為粉塵傳感器原理圖。

（2） 甲醛傳感器電路

甲醛傳感器則可以檢測(cè)空氣中的CH2O的含量，其穩(wěn)定性較好，并且具有溫度補(bǔ)償和線性輸出的能力，使用周期也比較長(zhǎng)，與STM32采用的是雙總線通信。ZE08-CH2O則利用電化學(xué)原理來(lái)檢測(cè)空氣中甲醛氣體含量，不僅使用壽命長(zhǎng)，而且能耗比較高，同時(shí)靈敏度也較高。如圖4所示為甲醛傳感器原理圖。

1.2.4 風(fēng)扇模塊

將風(fēng)扇與場(chǎng)效應(yīng)MOS管IRLR8726連接，構(gòu)造出了本設(shè)計(jì)的風(fēng)扇模塊。風(fēng)扇的調(diào)速原理是通過(guò)改變高電平的占比來(lái)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，即風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與占空比大小有關(guān)。當(dāng)都為低電平時(shí)，風(fēng)速為0；當(dāng)都為高電平時(shí)，風(fēng)度達(dá)到100。

1.2.5 電源模塊

電源模塊分為兩大部分，一部分是給總設(shè)計(jì)提供電源的USB供電電路；另一部分是為Wi-Fi模塊

如圖5所示，用來(lái)給USB供電的模塊采用直流5V 點(diǎn)電壓驅(qū)動(dòng)，P1為電源接口，J1為電源總開關(guān)，里面的C1和C2都是濾波電容，兩個(gè)電容起到穩(wěn)定電源以及濾除電源載波的作用。

在如圖6所示的給Wi-Fi供電的原理圖中，采用了AMS1117-3.3元件，它是AMS1117的一款子型號(hào)，全稱為輸出正向低壓降穩(wěn)壓器，且電壓為3.3V。AMS1117系列中的電路設(shè)計(jì)，需要使用輸出電容作為器件的工作頻率補(bǔ)償?shù)囊徊糠帧MS1117系列有內(nèi)部電源和熱限制電路設(shè)計(jì)，以保護(hù)設(shè)備過(guò)載情況下不被燒壞。但是，由于最大結(jié)溫度額定值為125°C，所以在使用時(shí)不能長(zhǎng)時(shí)間地工作在高負(fù)載的狀態(tài)下[3]。AMS1117廣泛用于電池供電儀表、電池充電器、線性穩(wěn)壓器等產(chǎn)品。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件總體方案

程序整體流程圖如圖7所示。

當(dāng)打開電源鍵時(shí)，LCD屏?xí)疗穑M(jìn)入工作狀態(tài)，顯示的當(dāng)前的PM2.5濃度或者甲醛濃度，共有4個(gè)按鍵來(lái)進(jìn)行不同的操作。

KEY2按鍵可以將空氣凈化器切換到手動(dòng)或者自動(dòng)模式。KEY3和KEY4按鍵分別執(zhí)行增加操作和減少操作，即在不同時(shí)刻能夠設(shè)定警戒值或調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。KEY5按鍵則可以切換成PM2.5濃度顯示或者甲醛濃度顯示。

系統(tǒng)一開始先檢驗(yàn)是否啟用了Wi-Fi，即是否連接到手機(jī)，若沒(méi)有連接，則切換到手動(dòng)模式，按下按鍵便可以在顯示甲醛濃度和顯示PM2.5濃度之間進(jìn)行切換，LCD第一行顯示濃度，第二行顯示警戒值（可自定義），若當(dāng)前濃度超過(guò)設(shè)定的警戒值，則蜂鳴器報(bào)警，此時(shí)可以調(diào)整風(fēng)扇風(fēng)速，最大可達(dá)100%。

若檢測(cè)到已連接Wi-Fi，則可以進(jìn)入自動(dòng)模式，此時(shí)在手機(jī)App 上也能夠顯示當(dāng)前空氣中的甲醛或PM2.5濃度，App中有虛擬按鍵能夠執(zhí)行與實(shí)體按鍵一樣的操作，不同點(diǎn)在于，在自動(dòng)模式下，若實(shí)際值超過(guò)警戒值，則風(fēng)扇轉(zhuǎn)速會(huì)逐步增加，最高到100%，此模式下仍然可以調(diào)整警戒值。

2.2 軟件分析

2.2.1 PM2.5檢測(cè)

如圖8 中所示的是粉塵傳感器在PWM 模式下PM2.5的輸出波形。其中要重點(diǎn)掌握的是它的低脈沖率，即低電平與整個(gè)實(shí)時(shí)間周期的比值，它的計(jì)算公式如下：

其中RT是低脈沖率，LT為一個(gè)周期內(nèi)低電平的脈沖寬度，UT為一整個(gè)周期的脈沖寬度。根據(jù)低脈沖率與顆粒物對(duì)照表可以知道，低脈沖率越高，則空氣中的灰塵顆粒物就越高。

ZPH01傳感器的軟件流程圖如圖9所示，傳感器連接到P10接口，首先要檢驗(yàn)P10是否有低電平，若無(wú)低電平出現(xiàn)，則繼續(xù)之前的操作，直到檢測(cè)到低電平位置。若檢驗(yàn)到低電平，則對(duì)低電平出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)完后之后，根據(jù)公式計(jì)算出低脈沖率，再由對(duì)照表便可以得出灰塵濃度PM的值。從主函數(shù)中調(diào)用此函數(shù)，顯示粉塵濃度值到LCD屏幕上。

2.2.2 甲醛檢測(cè)

甲醛傳感器ZE08-CH2O共有9個(gè)管腳，其量程為0～5ppm，工作電壓在3.7～5.5V，波特率為9 600，無(wú)校驗(yàn)位。通過(guò)I/O接口與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，負(fù)責(zé)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)模塊，通信方式分為主動(dòng)式和問(wèn)答式，主動(dòng)式上傳的數(shù)據(jù)有9位[4]，其格式如表1所示。

當(dāng)?shù)?位為0xff，并且第2位和第3位分別為0x17 和0x04時(shí)，說(shuō)明數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確，再根據(jù)甲醛濃度值的計(jì)算公式：濃度值（PPB） =（氣體濃度高位×256+氣體濃度低位），計(jì)算出甲醛濃度值，最后通過(guò)串口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，再通過(guò)LCD屏幕顯示出來(lái)[5]。如圖10所示為甲醛傳感器的控制流程。

2.2.3 無(wú)線控制

無(wú)線控制功能通過(guò)ESP8266 元件實(shí)現(xiàn)，其數(shù)字I/O口為雙向口，一般通過(guò)串口向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)，首先要初始化串口，包括設(shè)置波特率和串口的工作模式，然后設(shè)置串口中斷，接著定義串口發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，同樣也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀入，最后再將此模塊初始化，以便下一次數(shù)據(jù)傳輸。如圖11所示為該模塊的流程圖。

2.2.4 濃度超標(biāo)警報(bào)

以蜂鳴器作為發(fā)出警報(bào)的元件，有源蜂鳴器內(nèi)部有震蕩源，一般接上電源就能夠發(fā)出聲音，無(wú)源蜂鳴器一般要使用2～5K的方波脈沖才能使用。

在本次設(shè)計(jì)中，將蜂鳴器連接到P2端口的第0 位，當(dāng)周圍空氣的污染指數(shù)超過(guò)了設(shè)置的警戒值時(shí)，由P2.0引腳輸出低電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，以達(dá)到警報(bào)的效果。

3 結(jié)論

此次設(shè)計(jì)的無(wú)線空氣凈化器，是基于STM32單片機(jī)，具有PM2.5濃度檢測(cè)，甲醛濃度檢測(cè)，污染警報(bào)，無(wú)線遙控等功能，既可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇速度，也可以遙控控制，便于日常操作。PM2.5濃度檢測(cè)功能采用粉塵傳感器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)低電平計(jì)算出低脈沖率，一般低脈沖率越高，PM2.5濃度越高。甲醛檢測(cè)功能通過(guò)甲醛傳感器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)上傳數(shù)據(jù)中的校驗(yàn)位符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則利用公式計(jì)算出甲醛濃度值。無(wú)線遙控功能通過(guò)ESP8266芯片實(shí)現(xiàn)，通過(guò)串口往單片機(jī)傳送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。顯示功能利用LCD液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)，每次可以顯示兩行數(shù)據(jù)。按鍵方面采用獨(dú)立按鍵，并且使用蜂鳴器作為報(bào)警器件，此外再利用PWM控制風(fēng)扇以實(shí)現(xiàn)凈化空氣的功能。