基于STM32的空气净化器控制系统

赵玉敏，宋开新，秦会斌

(杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018)



基于STM32的空气净化器控制系统

赵玉敏，宋开新，秦会斌

(杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018)

设计了一种电压可调式静电除尘装置结合紫外灯杀菌消毒的家用空气净化器控制系统。系统采用低功耗的32位微处理器STM32F103RCT6作为主控芯片，利用DHT11温湿度传感器、GP2Y1010AU0F灰尘传感器和TGS2600气体传感器检测室内空气质量，将采集到的数据传输给单片机，并显示到TFTLCD液晶屏上。单片机根据接收到的数据采用按键或蓝牙来调整电机风速、电压以及紫外灯的开关等，使空气净化器处于最佳工作状态。该系统经过调试，运行稳定，效果明显。

STM32单片机；传感器；紫外线；蓝牙；静电集尘装置

0 引言

空气净化器技术是现代工业发展逐步形成的技术。目前市场上的空气净化器产品有以下几类：HEPA过滤、活性炭吸附、负离子、光触媒、臭氧、生物过滤、紫外灯、静电除尘[1]。据统计分析，单纯用一种技术或材料并不能有效地同时解决空气中的粉尘和细菌病毒问题。静电除尘技术利用高压静电使气体电离，从而使尘粒带电，在库仑力的作用下吸附到不同的极板上。紫外灯可以利用紫外线的照射，穿透微生物的细胞膜，破坏各种细菌、病毒等微生物的DNA结构，毁坏其核酸分子键，使细菌、病毒当即死亡或不能繁衍后代，从而杀菌消毒。本系统采用基于单片机STM32的智能控制方式，通过按键或蓝牙输入，结合传感器的数据采集，利用静电除尘与紫外灯结合使用，既能改善空气质量、降低灰尘指数又能杀菌消毒。同时单片机可根据数字电位器反馈方式控制静电除尘装置的电压来实现高压电源可调，减少湿度对空气导电性能的影响，防止潮湿环境下打火，减少安全隐患，对室内空气净化技术的研究具有重要意义。

1 STM32单片机简介

本系统采用基于ARM Cortex-M3内核的32位微处理器STM32F1103RCT6作为主控芯片，STM32的处理器最高工作频率达到72 MHz，包括48 KB SRAM、256 KB Flash、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、51个通用IO口、5个串口、2个DMA控制器、3个SPI、2个I2C、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口[2]。

2 空气净化器设计

2.1 空气净化器总体设计

整个控制系统用来控制工作在额定电压为220 V的家用空气净化器，主要由控制和驱动两部分组成。控制部分以基于ARM Cortex-M3内核的32位微处理器STM32F10X单片机为核心，建立人机接口，通过传感器检测出室内温湿度及灰尘数目等实时数据，经过单片机检测处理，通过按键或蓝牙串口输入调整出适合在该环境下空气净化器的运行状态，同时将传感器所测得的数据显示在液晶屏上。系统通过单片机处理，将控制信号发送给驱动电路部分，通过驱动电路直接控制步进电机，调整风速、电压以及紫外灯的运行状态。

2.2 控制系统详细设计

2.2.1 系统电源模块

整个控制系统通过电源电路模块供电，空气净化器电源电路模块将变压器输入的110 V交流电压转换为24 V和5 V。5 V电压用于为温湿度传感器、灰尘传感器、液晶等模块的供电，通过AMS1117-3.3电源芯片将5 V电压转换为3.3 V，为单片机控制芯片提供电压。24 V电压用于风扇供电[3]。

2.2.2传感器测量模块

考虑到空气湿度对高压静电的影响，本设计采用广州奥松有限公司生产的数字温湿度传感器DHT11，其包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，通过单片机等简单的电路连接就能实时采集本地湿度与温度，与单片机之间仅用一根线就能进行单总线传输，湿度测量范围20～90 %RH，分辨率1 %RH，符合系统对湿度的要求。数据准确且功耗很低[3]。

采用GP2Y1010AUF灰尘传感器，中间有一个圆孔可以让空气通过，传感器内部发射红外线打到通过小孔的灰尘上，如有灰尘通过会阻断光线，光电检测器检测不到光源则低电位输出，经放大电路连接到单片机后分析得出空气中的灰尘含量如香烟中的灰尘数据。采用费加罗TGS2600气体传感器，其体积小、低功耗、应用电路简单且具有极高的灵敏度，仅用简单的电路就能将电导率的变化转换成与该气体浓度相对应的信号输出。传感器与单片机STM32的连接电路如图1所示。

图1 传感器连接电路

2.2.3 电机控制及紫外灯模块

空气净化器对电机的功能需求程度不高，采用图2所示电路来控制电机及紫外灯。

图2 电机驱动电路

为减少电机和高压电路对单片机的影响，通过TLP521光耦与SRD电机调速进行交互，其中，TLP521是一种可控制的光电耦合器件，既传输信号又互相隔离干扰，增强可靠性，简化电路设计[4]。STM32单片机的PB5引脚接到电机驱动信号上，当引脚被置为低电平时砷化镓发光二极管导通，光敏三极管接收到光信号后通过电阻R35和R36分压将信号输出至Q4管使其导通，电机启动；引脚置为高电平时风机因没有输入信号而关闭。

与电机相同，紫外灯模块与光耦相连，通过单片机引脚低电平接通发光二极管，耦合至光敏三极管，将光信号转变为电信号，电阻分压，端口导通驱动紫外灯管。

2.2.4 LCD显示模块

图3 LCD显示界面

本设计液晶显示采用的是通用2.8英寸TFTLCD，320×240分辨率，16位真彩显示，支持65K色显示，图像质量高，16位80并口，自带触摸屏，可用作控制输入。试验中LCD显示状态如图3所示。在状态显示面板上，液晶屏显示了实时的时间、温湿度、灰尘值、模式、风速以及定时状态。其中，模式有自动、手动、睡眠和高速4种；风速有1、2、3、4四个等级；定时有0.5 h、1 h和2 h三档。

2.2.5 可调电压模块

图4 调压模块电路图

本系统采用静电集尘方式，空气净化器需要较高的电压，而装置的间距一经设定就不会再变。高压电能够电离气体分子使之成为离子导致绝缘性能改变，从而引起打火。长此以往会对净化器产生损害，影响用户使用。采用LM2596降压型电源管理单片集成电路与I2C总线数字电位器X9241结合，设计了利用单片机接收传感器采集的湿度数据来实时调节输出电压的调压电路。如图4所示，X9241内部包括1个I2C接口和4个数字电位器，将其串联，将SDA和SCL与单片机的SDA和SCL相连，作为与单片机的连接总线，由单片机通过调节PWM占空比进行控制。将LM2596作为输入电压的降压稳压芯片，输出可调电压[5]。

2.2.6 其他模块

按键程序编写采用扫描按键方式，按键按下之后必须松开才能第二次触发，防止按一次多次触发，同时，按键扫描还有优先级。蓝牙模块选择一款高性能主从一体蓝牙串口模块ATK-HC05，可以与各种带蓝牙功能的智能终端配对，支持非常宽的波特率范围：4 800～1 382 400，并且兼容5 V或3.3 V单片机系统。

此模块非常小巧，通过6个2.54 mm间距的排针与单片机STM32连接。采用Android系统提供蓝牙的API接口，编写应用程序，实现蓝牙设备的基本操作。客户端设计完成后的界面如图5所示。

图7 软件流程图

图5 客户端效果图

2.3 硬件模块设计

硬件模块主要是对其硬件功能电路进行设计，主要电路包括系统的电源电路、电机控制电路、紫外灯控制电路、液晶显示器电路、数字电位器与控制电路、传感器电路、蓝牙串口电路、按键、复位电路，以及JTAG仿真电路和单片机程序下载电路等[6]。

图6 硬件模块设计

如图6所示，液晶显示电路、数字电位器与控制电路、传感器电路、蓝牙串口接收电路、按键、复位电路、JTAG仿真电路和单片机程序下载电路属于单片机主控制电路；电源电路、电机控制电路、紫外灯控制电路属于驱动控制电路。采用交流单相异步电机，在单片机的控制下启动风扇，使室内污浊的空气经过滤网，未被滤出的空气经静电除尘装置和紫外灯，有效去除可入肺颗粒物(PM2.5)，杀灭致病细菌、病毒[7]。

2.4 软件模块设计

控制系统软件由系统初始化程序、液晶显示程序、按键处理程序、蓝牙处理程序、数据采集处理程序、APB总线接口程序、定时中断处理程序、模式控制程序、电机驱动程序、紫外灯管驱动模块、客户端处理程序、省电保护程序和警报提示等子程序以及主程序共同组成。各子程序经过单片机主程序的运算处理，实现系统的净化功能[6]。模块化的设计使软件更加灵活，便于调用、移植，发生错误时可以迅速找出问题所在，大大提高运行效率及可靠性。软件设计流程如图7所示。

接入电源，系统开始工作，单片机进行初始化检测，传感器检测室内空气状况并传输至单片机以显示到液晶屏上，如没有按键或蓝牙信号输入则进入自动模式，单片机根据内部预先设置好的程序对风速进行调整，如有信号输入则根据输入信号作相应操作。

3 系统测试

图8 主控制板实物

将各个模块用多邦线进行连接，完成后的控制电路板如图8所示。本设计系统的测试是通过按键或蓝牙控制净化系统，以观察其状态变化，系统状态值可以在LCD和示波器上进行波形显示，其中，显示值在前面已给出，下图9分别是风速为1级、2级、3级、4级时所对应的PWM，占空比越小电机转速越低，占空比越大则转速越高。

图9 不同风速下的波形图

4 结束语

本文主要介绍了一种静电式结合紫外灯式的空气净化器控制部分设计。设计了传感器数据采集与发送模块，用于采集室内空气信息，并传输至液晶屏以完成空气净化器随外部环境自动或手动调整电压和风速等状态。此控制系统基本功能已实现且运行稳定，有待于进一步的测试及应用。

[1] 史黎薇. 空气净化器的分类及其净化效率的比较[J]. 中国环境卫生, 2007, 7(2):102-104.

[2] 王永虹，徐炜，郝立平 .STM32 系列 ARM Cortex-M3 微控制器原理与实践 [M]. 北京：北京航天航空大学出版社，2008.

[3] 段仲麒. 一种基于AVR单片机的空气净化器控制系统[J]. 制造业自动化, 2011(17):109-111.

[4] 姬弘扬. 一种基于光耦HCPL0601的光电隔离型功率MOSFET驱动电路[J]. 数字技术与应用, 2014(10):81.

[5] 刘连浩, 刘耀, 王加阳,等. 非易失性数字电位器X9241及其与89C2051的接口[J]. 湖南工业职业技术学院学报, 2002, 2(4):20-23.

[6] 李果. 基于ATmega128单片机的空气净化器控制系统设计与研究[D]. 合肥：合肥工业大学, 2010.

[7] 任俊龙. 基于AVR单片机的空气净化器控制系统的硬件设计与实现[D]. 合肥：合肥工业大学, 2010.

Control system of air purifier based on STM32

Zhao Yumin，Song Kaixin，Qin Huibin

(Research Institute of New Electronic Devices and Application, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

An home air purifier control system is designed in this paper, which use adjustable voltage electrostatic dust removal device,combined with UV to disinfect.Low-power 32-bit microprocessor as the core, the application of temperature and humidity sensor DHT11 ,dust sensor GP2Y and air sensor TGS2600 in the detection of indoor environment, the collected data will transfer to the SCM,and display on TFTLCD. SCM using button or bluetooth to adjust the wind speed and voltage of the air purifier in the best working condition according to the received data.After commissioning,we get a stable and significant effect system.

STM32 SCM;sensor;UV;Bluetooth;electrostatic dust collector

TP23

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.23.007

赵玉敏，宋开新，秦会斌. 基于STM32的空气净化器控制系统[J].微型机与应用，2016,35(23)：24-27.

2016-07-05)

赵玉敏(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向：电子器件材料。

宋开新(1977-)，通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：电子器件设计与应用。E-mail：kxsong@hdu.edu.cn。