便攜式室內空氣凈化系統設計

摘"要：本研究致力于設計一種便攜式室內空氣凈化系統，旨在解決復雜的室內空氣污染問題。該系統以STM32單片機為核心，集成了溫濕度和灰塵濃度檢測模塊，并通過OLED顯示屏實時展示數據。利用藍牙模塊，系統能夠與手機進行數據交互，使用戶能夠輕松設定參數閾值。基于這些設定，系統能夠自動調節加濕器和通風風扇，通過智能分析環境參數變化并聯動多模塊協同工作，在凈化過程中兼顧能耗優化與用戶體驗平衡，具備多功能監測、操作簡便、成本效益高以及便攜性等特點，為室內空氣凈化提供了一個有效的解決方案。

關鍵詞：STM32；便攜式；空氣凈化器；傳感器

隨著城市化進程的加速和人們生活水平的提高，室內空氣質量對健康的影響日益受到關注［1］。在眾多室內空氣污染物里，揮發性有機物隱匿于居家燃煤、烹飪油煙以及裝修建材之中，這類污染物具備隨時間緩釋的特性，對室內空氣質量的長期穩定構成潛在威脅。傳統的室內空氣凈化設備往往體積龐大、不便攜帶，且能耗較高，無法滿足現代人們多樣化的使用場景和節能環保的需求。因此，設計一款便攜式、低能耗的室內空氣凈化系統具有重要的現實意義和市場價值。

1"系統整體設計

本文以單片機與傳感器技術為核心的室內空氣凈化系統開展探究，重點聚焦于硬件與軟件兩大設計板塊。在硬件設計維度，選用STM32F103單片機擔綱主控芯片，借助DHT11高精度傳感器捕捉空氣中的溫濕度信息，利用GP2Y10傳感器精準監測灰塵濃度［2］。OLED顯示屏將各類關鍵數據直觀呈現；藍牙模塊構筑了設備與手機之間的通信橋梁，確保檢測數據的順暢傳輸。用戶既能借助實體按鍵迅速調整參數，也能使用手機APP遠程設定相關閾值，操作靈活便捷。憑借軟硬件的深度協同，對用戶所處環境參數實現精準把控，全方位地保障室內空氣質量［3］。

STM32單片機聯合其他功能模塊，構建出了完備的系統架構。該架構細分為輸入、中控、輸出三個關鍵環節。

輸入環節精心設計了四大關鍵模塊：溫濕度檢測模塊如同敏銳的環境哨兵，持續監測周圍環境的溫濕度變化；灰塵濃度檢測模塊專注于PM2.5濃度的監測，為室內空氣質量提供堅固的防線；按鍵模塊構建了一個友好的人機交互界面，用戶通過簡單的操作，可以輕松切換界面、設置臨界參數；供電模塊持續提供穩定的電力，確保系統穩定運行。

中控環節以單片機控制器為核心，負責整合來自輸入環節的各類數據，并通過精確的內部運算與邏輯判斷，指導輸出環節執行后續動作。

輸出環節配備了四大核心模塊：數據顯示模塊實時更新并展示監測數據和用戶設定的臨界值；繼電器模塊精確控制加濕器、通風風扇的開關，靈活調整室內環境狀態；藍牙模塊具備輸入與輸出的雙重功能，在與手機成功連接后，用戶不僅能在手機端查看實時監測數據，還能遠程控制繼電器操作，切換系統模式。

通過對空氣的有效凈化、溫濕度的精準調節，以及空氣質量的實時監測與反饋控制等系列過程，系統綜合作用于室內環境，建立起一個符合人體健康需求、舒適度達標的生活空間生態，為使用者提供優質的室內環境條件保障。系統架構如圖1所示。

圖1"系統架構圖

2"系統硬件設計

2.1"溫濕度檢測模塊電路

DHT11作為一款溫濕度傳感器，具備數字信號輸出能力，其內部集成了由8位單片機管控的電阻式濕度感應器與NTC溫度感應器。這一設計使其功能更具綜合性，有別于僅專注溫度檢測的DS18B20傳感器，DHT11能夠同步監測溫度與濕度。

不過，DHT11在精度與測量范圍上存在一定局限性。就溫度檢測而言，其量程被限定于0℃～50℃，測量誤差為±2℃；濕度檢測范圍為20%～90%RH（相對濕度），相應誤差約為±5%RH。盡管如此，憑借自身成本優勢，DHT11在眾多應用場景下，依舊是高性價比的溫濕度監測方案之選。

在通信機制方面，DHT11采用DATA通信協議與微處理器實現通信及同步。該協議基于單總線數據格式，單次通信時長約4毫秒。傳輸的數據共40位，分為整數、小數兩部分，依照從高位至低位的順序依次傳輸：先是8位濕度整數數據，隨后為8位濕度小數數據，緊接著是8位溫度整數數據、8位溫度小數數據，末尾則是8位校驗和數據。正常傳輸時，校驗和數據是前面所有數據計算結果的末8位，以此保障數據傳輸的精準性［4］。

2.2"灰塵濃度檢測模塊電路

GP2Y10是一款專為檢測氣體內懸浮顆粒物量身打造的專業儀器，其核心工作原理是光散射法，借助捕捉塵埃顆粒反射光線來測定空氣中的粉塵濃度，哪怕是煙霧里極其微小的煙塵顆粒，也能精準識別。在該傳感器內部，設有一個常用紅外發光二極管作為光源，使它持續向周圍空氣發射光線［5］。當粉塵顆粒穿梭于這些光線之中時，便會引發散射現象。與此同時，傳感器另一側裝配了光電晶體管充當光強接收器，專門負責捕捉散射過來的光線。

基于上述原理，GP2Y10通過檢測所接收光線的強度，對空氣中粉塵濃度做出評估。粉塵濃度與散射光線強度呈正相關，即粉塵濃度越高，散射光線越強，光強接收器捕捉到的光強度也就越大。隨后，傳感器會把接收到的光強度轉化為模擬電壓值，再借助模數轉換器進一步將模擬電壓轉變為數字電壓值，最終依據特定比例關系，換算得出空氣中精確的粉塵濃度。

2.3"藍牙模塊

ECB02藍牙模塊屬于串口透傳模塊，在效能方面表現卓越，專為適配低功耗藍牙協議而精心打造。它集多項優勢于一身，體積精巧，絲毫不會占據過多空間；性能出眾，能穩定且高效地處理各類數據傳輸任務；性價比極高，在有限的成本投入下，可為用戶帶來豐富的功能體驗；功耗低微，契合當下對節能降耗的嚴苛要求；平臺兼容性強大，可輕松融入多種不同系統與設備架構當中。正因如此，ECB02藍牙模塊為用戶鋪就了一條掌握藍牙技術的便捷之路，還極大助力產品開發進程，無疑是優化產品功能的理想之選。

3"系統軟件設計

在程序的核心區域中，首先，完成整個程序的初始化工作；其次，程序會進入主循環。在主循環當中，率先被調用的是按鍵處理函數，它主要涵蓋兩個關鍵環節：第一，激活按鍵掃描函數，對按鍵狀態展開全面探測；第二，依據捕捉到的具體鍵值，執行與之對應的操作指令。

監測函數核心任務時先收集各類測量數據，然后借助藍牙模塊，搭建起設備與手機端的數據傳輸通路，將所獲數據實時推送至手機端。數據傳輸完成后，顯示函數把檢測得出的數據以及預先設定的臨界值清晰直觀地呈現出來，讓用戶能夠第一時間了解系統的運行狀態。

而處理函數將肩負起環境調控的重任。一旦監測到溫度超出預設上限，又或是濕度跌落預設下限，程序便會即刻觸發加濕器，對環境濕度加以調整；同理，要是粉塵濃度突破預設的最大值，通風設備也會迅速啟動，助力提升空氣質量。整個系統的程序流程如圖2所示。

圖2"總流程圖

4"系統測試結果與分析

4.1"溫濕度檢測實物測試

在系統自動模式下，用戶可以通過一系列按鍵操作對環境參數進行個性化定制，以滿足特定的舒適需求。首先，系統會進入參數設置界面，在這個界面中，用戶可以設定溫度的最大值。具體來說，用戶可以利用后續的按鍵操作來確定所需的最高溫度，并且可以根據實際需要靈活地調整已設定的溫度上限，以確保環境溫度不會過高；相反，如果需要降低溫度上限，也可以相應地減少設定的最高溫度值。需要特別指出的是，系統允許設置的最高溫度上限為50℃，這一限制是為了確保系統的安全穩定運行，有效預防因過熱而可能造成的損害。在完成溫度最大值的設置后，系統會自動跳轉到濕度最小值的設置界面。在這個階段，用戶可以采用與設置溫度最大值相同的操作方式，通過按鍵操作對濕度最小值進行精確調整。這種設計賦予用戶更大的自主控制權，使他們能夠根據個人喜好和具體的環境條件靈活地設定濕度水平。

其次，持續按下相應的按鍵，系統將進一步切換至粉塵最大值的設置界面。與前兩個參數的設置流程類似，用戶能夠通過特定的按鍵來對粉塵最大值進行增加或減少的操作，這一功能對于維持室內空氣質量具有關鍵作用，能夠有效防止過多的粉塵對室內環境以及人體健康產生不良影響。

再次，當所有期望的參數均配置完成后，用戶僅需再次輕觸按鍵，即可順暢地退出設置界面。此時，系統將根據用戶所設定的各項參數，自動啟動并調節環境控制設備，包括風扇和加濕器等，確保環境始終保持在舒適且穩定的狀態。

最后，鑒于在實際應用中難以直接實現快速降溫，我們可以通過利用系統的參數設定機制來間接實現這一目標。例如，當室內溫度偏高時，用戶可以將溫度上限設定為低于當前檢測到的實際溫度值。在這種情況下，系統會依據這一設定自動啟動加濕器，通過提升室內濕度的方式來輔助降低體感溫度，從而為用戶創造一個更加舒適宜人的室內環境。

4.2"PM2.5檢測實物測試

當系統處于自動運行模式時，對室內空氣質量的精細化管理變得尤為重要，特別是粉塵濃度的控制。為此，系統特別配備了可自定義粉塵濃度最大值的功能，以滿足用戶的實際需求。在系統的用戶操作界面上，設定粉塵濃度最大值的操作非常簡便，用戶只需要輕觸幾下即可完成。

設定完成后，系統立即啟動對室內空氣粉塵濃度的嚴格監控。一旦檢測到粉塵濃度超過預設值，風扇將迅速做出反應，根據當前環境狀況，以適宜的轉速啟動。在風扇產生的穩定氣流作用下，懸浮在空氣中的粉塵顆粒隨之移動，從而能更高效地被吸附裝置捕獲，或者直接排出室外，確保室內空氣的清潔度。

4.3"系統測試結果總體分析

對便攜式室內空氣凈化系統的測試結果顯示，其整體性能基本符合預期設計目標。在凈化效率的檢測方面，對于顆粒物污染，系統運行一段時間后，對直徑0.3微米以上的顆粒物展現出了較高的去除率。出風口風速能夠達到一定水平，使得凈化后的空氣可以較為均勻地分布在一定范圍的空間內，保障了局部區域空氣的快速更替。在能耗表現上，系統處于標準模式下運行若干小時后，耗電量處于一個中等水平，后續可通過對風機和電路設計進行優化，從而進一步降低能耗。該便攜式室內空氣凈化系統在關鍵的凈化功能方面表現得較為出色，但在能耗控制和高風速運行時的噪聲問題上，仍需進行優化和改進，以便能夠更好地適應各種不同的使用場景，滿足用戶多樣化的需求。硬件實物如圖3所示。

圖3"硬件實物圖

5"總結

本研究以STM32單片機控制原理為基礎，開發了一套室內空氣凈化系統。設計階段，我們將單片機技術與傳感器技術相結合，從硬件架構的構建到軟件算法的編寫，都進行了深入而全面的評估與優化。該系統能夠精確地采集溫濕度數據，實時監測空氣中的灰塵濃度，并將這些關鍵信息以直觀清晰的方式展現。通過藍牙模塊，檢測數據能夠實時傳輸至用戶的手機，實現了便捷的遠程監控功能。此外，用戶不僅可以通過實體按鍵輕松設定參數值，還能利用手機應用靈活地調整相關閾值，顯著提升了操作的便捷性和靈活性。從整體設計來看，該系統高度集成，各功能模塊緊密配合，有效地降低了材料成本，同時使整體結構更加精巧緊湊。該設計操作簡便易行，特別適合空間有限、空氣流通不暢的小型環境，以及賓館、學校等人員密集、空氣需求復雜多變的大型場所。本設計在于改善并保障室內空氣質量，致力于為居住者和使用者精心打造健康、舒適的生活與工作環境。

參考文獻：

［1］魏慶麗，王潔，楊晨，等.GSM網絡的室內空氣質量監測系統設計［J］.傳感器與微系統，2016，35（9）：6971.

［2］童軍.FPSO電房模塊空氣凈化系統設計［J］.機電信息，2024（05）：5153.

［3］錢強.云平臺和云數據庫在商用空氣凈化系統的應用［J］.現代電子技術，2022，45（20）：134138.

［4］馬宇云.計算機通信技術在電子信息工程中的應用［J］.集成電路應用，2023，40（11）：358359.

［5］田貽麗，謝利利，徐如瑜.粉塵濃度測量的研究［J］.重慶大學學報（自然科學版），2003（06）：3031+48.

基金項目：廣西科技師范學院國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：202311546009）；廣西科技師范學院科研基金項目（項目編號：GXKS2024YB050）

作者簡介：黃娟蘭（2002—"），女，漢族，廣西玉林人，本科，研究方向：電子信息技術。

*通信作者：韋思惠（1985—"），男，壯族，廣西河池人，碩士研究生，講師，研究方向：電子信息技術。