趙玉敏，宋開新，秦會(huì)斌

　　(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

       摘要：設(shè)計(jì)了一種電壓可調(diào)式靜電除塵裝置結(jié)合紫外燈殺菌消毒的家用空氣凈化器控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低功耗的32位微處理器STM32F103RCT6作為主控芯片，利用DHT11溫濕度傳感器、GP2Y1010AU0F灰塵傳感器和TGS2600氣體傳感器檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，并顯示到TFTLCD液晶屏上。單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)采用按鍵或藍(lán)牙來調(diào)整電機(jī)風(fēng)速、電壓以及紫外燈的開關(guān)等，使空氣凈化器處于最佳工作狀態(tài)。該系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，運(yùn)行穩(wěn)定，效果明顯。

　　關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；傳感器；紫外線；藍(lán)牙；靜電集塵裝置

　　中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.007

　　引用格式：趙玉敏，宋開新，秦會(huì)斌. 基于STM32的空氣凈化器控制系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（23）：24-27.

0引言

　　空氣凈化器技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展逐步形成的技術(shù)。目前市場上的空氣凈化器產(chǎn)品有以下幾類：HEPA過濾、活性炭吸附、負(fù)離子、光觸媒、臭氧、生物過濾、紫外燈、靜電除塵［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，單純用一種技術(shù)或材料并不能有效地同時(shí)解決空氣中的粉塵和細(xì)菌病毒問題。靜電除塵技術(shù)利用高壓靜電使氣體電離，從而使塵粒帶電，在庫侖力的作用下吸附到不同的極板上。紫外燈可以利用紫外線的照射，穿透微生物的細(xì)胞膜，破壞各種細(xì)菌、病毒等微生物的DNA結(jié)構(gòu)，毀壞其核酸分子鍵，使細(xì)菌、病毒當(dāng)即死亡或不能繁衍后代，從而殺菌消毒。本系統(tǒng)采用基于單片機(jī)STM32的智能控制方式，通過按鍵或藍(lán)牙輸入，結(jié)合傳感器的數(shù)據(jù)采集，利用靜電除塵與紫外燈結(jié)合使用，既能改善空氣質(zhì)量、降低灰塵指數(shù)又能殺菌消毒。同時(shí)單片機(jī)可根據(jù)數(shù)字電位器反饋方式控制靜電除塵裝置的電壓來實(shí)現(xiàn)高壓電源可調(diào)，減少濕度對(duì)空氣導(dǎo)電性能的影響，防止潮濕環(huán)境下打火，減少安全隱患，對(duì)室內(nèi)空氣凈化技術(shù)的研究具有重要意義。

1STM32單片機(jī)簡介

　　本系統(tǒng)采用基于ARM CortexM3內(nèi)核的32位微處理器STM32F1103RCT6作為主控芯片，STM32的處理器最高工作頻率達(dá)到72 MHz，包括48 KB SRAM、256 KB Flash、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、51個(gè)通用IO口、5個(gè)串口、2個(gè)DMA控制器、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口［2］。

2 空氣凈化器設(shè)計(jì)

　　2.1空氣凈化器總體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)控制系統(tǒng)用來控制工作在額定電壓為220 V的家用空氣凈化器，主要由控制和驅(qū)動(dòng)兩部分組成。控制部分以基于ARM CortexM3內(nèi)核的32位微處理器STM32F10X單片機(jī)為核心，建立人機(jī)接口，通過傳感器檢測(cè)出室內(nèi)溫濕度及灰塵數(shù)目等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)檢測(cè)處理，通過按鍵或藍(lán)牙串口輸入調(diào)整出適合在該環(huán)境下空氣凈化器的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)將傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。系統(tǒng)通過單片機(jī)處理，將控制信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電路部分，通過驅(qū)動(dòng)電路直接控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)整風(fēng)速、電壓以及紫外燈的運(yùn)行狀態(tài)。

　　2.2 控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　2.2.1系統(tǒng)電源模塊

　　整個(gè)控制系統(tǒng)通過電源電路模塊供電，空氣凈化器電源電路模塊將變壓器輸入的110 V交流電壓轉(zhuǎn)換為24 V和5 V。5 V電壓用于為溫濕度傳感器、灰塵傳感器、液晶等模塊的供電，通過AMS11173.3電源芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，為單片機(jī)控制芯片提供電壓。24 V電壓用于風(fēng)扇供電［3］。

　　2.2.2傳感器測(cè)量模塊

　　考慮到空氣濕度對(duì)高壓靜電的影響，本設(shè)計(jì)采用廣州奧松有限公司生產(chǎn)的數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，其包括一個(gè)電阻式測(cè)濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，通過單片機(jī)等簡單的電路連接就能實(shí)時(shí)采集本地濕度與溫度，與單片機(jī)之間僅用一根線就能進(jìn)行單總線傳輸，濕度測(cè)量范圍20~90 %RH，分辨率1 %RH，符合系統(tǒng)對(duì)濕度的要求。數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且功耗很低［3］。

　　采用GP2Y1010AUF灰塵傳感器，中間有一個(gè)圓孔可以讓空氣通過，傳感器內(nèi)部發(fā)射紅外線打到通過小孔的灰塵上，如有灰塵通過會(huì)阻斷光線，光電檢測(cè)器檢測(cè)不到光源則低電位輸出，經(jīng)放大電路連接到單片機(jī)后分析得出空氣中的灰塵含量如香煙中的灰塵數(shù)據(jù)。采用費(fèi)加羅TGS2600氣體傳感器，其體積小、低功耗、應(yīng)用電路簡單且具有極高的靈敏度，僅用簡單的電路就能將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。傳感器與單片機(jī)STM32的連接電路如圖1所示。

       2.2.3電機(jī)控制及紫外燈模塊

　　空氣凈化器對(duì)電機(jī)的功能需求程度不高，采用圖2所示電路來控制電機(jī)及紫外燈。

　　為減少電機(jī)和高壓電路對(duì)單片機(jī)的影響，通過TLP521光耦與SRD電機(jī)調(diào)速進(jìn)行交互，其中，TLP521是一種可控制的光電耦合器件，既傳輸信號(hào)又互相隔離干擾，增強(qiáng)可靠性，簡化電路設(shè)計(jì)［4］。STM32單片機(jī)的PB5引腳接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，當(dāng)引腳被置為低電平時(shí)砷化鎵發(fā)光二極管導(dǎo)通，光敏三極管接收到光信號(hào)后通過電阻R35和R36分壓將信號(hào)輸出至Q4管使其導(dǎo)通，電機(jī)啟動(dòng)；引腳置為高電平時(shí)風(fēng)機(jī)因沒有輸入信號(hào)而關(guān)閉。

　　與電機(jī)相同，紫外燈模塊與光耦相連，通過單片機(jī)引腳低電平接通發(fā)光二極管，耦合至光敏三極管，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，電阻分壓，端口導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)紫外燈管。

　　2.2.4LCD顯示模塊

　　本設(shè)計(jì)液晶顯示采用的是通用2.8英寸TFTLCD，320×240分辨率，16位真彩顯示，支持65K色顯示，圖像質(zhì)量高，16位80并口，自帶觸摸屏，可用作控制輸入。試驗(yàn)中LCD顯示狀態(tài)如圖3所示。在狀態(tài)顯示面板上，液晶屏顯示了實(shí)時(shí)的時(shí)間、溫濕度、灰塵值、模式、風(fēng)速以及定時(shí)狀態(tài)。其中，模式有自動(dòng)、手動(dòng)、睡眠和高速4種；風(fēng)速有1、2、3、4四個(gè)等級(jí)；定時(shí)有0.5 h、1 h和2 h三檔。

　　2.2.5可調(diào)電壓模塊

　　本系統(tǒng)采用靜電集塵方式，空氣凈化器需要較高的電壓，而裝置的間距一經(jīng)設(shè)定就不會(huì)再變。高壓電能夠電離氣體分子使之成為離子導(dǎo)致絕緣性能改變，從而引起打火。長此以往會(huì)對(duì)凈化器產(chǎn)生損害，影響用戶使用。采用LM2596降壓型電源管理單片集成電路與I2C總線數(shù)字電位器X9241結(jié)合，設(shè)計(jì)了利用單片機(jī)接收傳感器采集的濕度數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓的調(diào)壓電路。如圖4所示，X9241內(nèi)部包括1個(gè)I2C接口和4個(gè)數(shù)字電位器，將其串聯(lián)，將SDA和SCL與單片機(jī)的SDA和SCL相連，作為與單片機(jī)的連接總線，由單片機(jī)通過調(diào)節(jié)PWM占空比進(jìn)行控制。將LM2596作為輸入電壓的降壓穩(wěn)壓芯片，輸出可調(diào)電壓［5］。

　　2.2.6其他模塊

　　按鍵程序編寫采用掃描按鍵方式，按鍵按下之后必須松開才能第二次觸發(fā)，防止按一次多次觸發(fā)，同時(shí)，按鍵掃描還有優(yōu)先級(jí)。藍(lán)牙模塊選擇一款高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊ATKHC05，可以與各種帶藍(lán)牙功能的智能終端配對(duì)，支持非常寬的波特率范圍：4 800~1 382 400，并且兼容5 V或3.3 V單片機(jī)系統(tǒng)。

　　此模塊非常小巧，通過6個(gè)2.54 mm間距的排針與單片機(jī)STM32連接。采用Android系統(tǒng)提供藍(lán)牙的API接口，編寫應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的基本操作。客戶端設(shè)計(jì)完成后的界面如圖5所示。

　　2.3硬件模塊設(shè)計(jì)

　　硬件模塊主要是對(duì)其硬件功能電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要電路包括系統(tǒng)的電源電路、電機(jī)控制電路、紫外燈控制電路、液晶顯示器電路、數(shù)字電位器與控制電路、傳感器電路、藍(lán)牙串口電路、按鍵、復(fù)位電路，以及JTAG仿真電路和單片機(jī)程序下載電路等［6］。

　　如圖6所示，液晶顯示電路、數(shù)字電位器與控制電路、傳感器電路、藍(lán)牙串口接收電路、按鍵、復(fù)位電路、JTAG仿真電路和單片機(jī)程序下載電路屬于單片機(jī)主控制電路；電源電路、電機(jī)控制電路、紫外燈控制電路屬于驅(qū)動(dòng)控制電路。采用交流單相異步電機(jī)，在單片機(jī)的控制下啟動(dòng)風(fēng)扇，使室內(nèi)污濁的空氣經(jīng)過濾網(wǎng)，未被濾出的空氣經(jīng)靜電除塵裝置和紫外燈，有效去除可入肺顆粒物(PM2.5)，殺滅致病細(xì)菌、病毒［7］。

　　2.4軟件模塊設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)初始化程序、液晶顯示程序、按鍵處理程序、藍(lán)牙處理程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、APB總線接口程序、定時(shí)中斷處理程序、模式控制程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、紫外燈管驅(qū)動(dòng)模塊、客戶端處理程序、省電保護(hù)程序和警報(bào)提示等子程序以及主程序共同組成。各子程序經(jīng)過單片機(jī)主程序的運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的凈化功能［6］。模塊化的設(shè)計(jì)使軟件更加靈活，便于調(diào)用、移植，發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可以迅速找出問題所在，大大提高運(yùn)行效率及可靠性。軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

　　接入電源，系統(tǒng)開始工作，單片機(jī)進(jìn)行初始化檢測(cè)，傳感器檢測(cè)室內(nèi)空氣狀況并傳輸至單片機(jī)以顯示到液晶屏上，如沒有按鍵或藍(lán)牙信號(hào)輸入則進(jìn)入自動(dòng)模式，單片機(jī)根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)置好的程序?qū)︼L(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，如有信號(hào)輸入則根據(jù)輸入信號(hào)作相應(yīng)操作。

3系統(tǒng)測(cè)試

　　將各個(gè)模塊用多邦線進(jìn)行連接，完成后的控制電路板如圖8所示。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)試是通過按鍵或藍(lán)牙控制凈化系統(tǒng)，以觀察其狀態(tài)變化，系統(tǒng)狀態(tài)值可以在LCD和示波器上進(jìn)行波形顯示，其中，顯示值在前面已給出，下圖9分別是風(fēng)速為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)時(shí)所對(duì)應(yīng)的PWM，占空比越小電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，占空比越大則轉(zhuǎn)速越高。

4結(jié)束語

　　本文主要介紹了一種靜電式結(jié)合紫外燈式的空氣凈化器控制部分設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了傳感器數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊，用于采集室內(nèi)空氣信息，并傳輸至液晶屏以完成空氣凈化器隨外部環(huán)境自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整電壓和風(fēng)速等狀態(tài)。此控制系統(tǒng)基本功能已實(shí)現(xiàn)且運(yùn)行穩(wěn)定，有待于進(jìn)一步的測(cè)試及應(yīng)用。

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