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(huán)境污染的控制與治理問題。人們對環(huán)保的態(tài)度也在轉(zhuǎn)變，已經(jīng)不僅僅滿足于室外，對室內(nèi)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(zhì)得到提升。我們希望在原有的基礎上做出創(chuàng)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(xiàn)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(tǒng)設計

我們設計出全新的多功能智能空氣凈化器，根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量我們可以通過WiFi模塊由手機app可以自動或手動按鍵調(diào)整電機風速、電壓，使空氣依次經(jīng)過活性炭、靜電棉、冷觸媒、hepa過濾網(wǎng)四層凈化，使空氣凈化器處于最佳工作狀態(tài)。系統(tǒng)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(tài)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(qū)動兩部分構(gòu)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(shù)據(jù)，通過WiFi模塊由手機app可以自動或手動按鍵調(diào)整電機風速、電壓，使空氣依次經(jīng)過活性炭、靜電棉、hepa過濾網(wǎng)三層凈化。液晶屏上會展示時間、溫度及適度、PM2.5濃度等數(shù)據(jù)，并且可以看到是自動模式還是手動模式。

2.2 控制系統(tǒng)詳細設計

2.2.1 L298直流電機驅(qū)動電路

①芯片：L298N直流電機驅(qū)動芯片；②驅(qū)動部分供電范圍：5～35V；供電的范圍：7～35V；③驅(qū)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(diào)速，需先通過設置IN1和IN2來確定風扇驅(qū)動的轉(zhuǎn)動方向，然后通過PWM信號脈沖實現(xiàn)占空比的改變來達到轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)非常準確。

采用的激光散射原理：用激光作光源，當照到經(jīng)過檢測通道的顆粒物時會出現(xiàn)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(shù)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(wǎng)絡上，從而實現(xiàn)凈化器與移動端聯(lián)網(wǎng)。

2.2.4 Dht11溫濕度傳感器電路

DHT11溫濕傳感器的數(shù)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(wěn)定性是它的優(yōu)點。內(nèi)部包含一個感濕以及測溫元件，并內(nèi)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?？偩€的空閑的狀態(tài)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(fā)送出開始信號結(jié)束后，延時等侯，接受DHT11的信號。

圖2所示數(shù)字溫濕度傳感器低電平為此時的總線狀態(tài)，也就是響應的信號被DHT11發(fā)送出，以50us低電平1bit的數(shù)據(jù)開始發(fā)送。當傳送完成最后的數(shù)據(jù)時，總線降低50us，而后總線變?yōu)殚e暇狀態(tài)。

圖2 數(shù)字溫濕度傳感器低電平為此時的總線狀態(tài)

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(tài)如圖所示。在狀態(tài)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(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(fā)。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?？蛻舳送瓿尚Ч鐖D3、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(tǒng)利用傳感器監(jiān)測室內(nèi)空氣，把采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機，并傳輸至單片機，之后再根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)調(diào)整電機的風速，使空氣吸入凈化空間之中，并依次經(jīng)過活性炭、靜電棉、冷觸媒、Hepa過濾網(wǎng)四層凈化，使得空氣中的是煙霧、灰塵、細菌、過敏物質(zhì)（花粉螨蟲的糞便）等物質(zhì)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(chǎn)生二次污染，也大大延長了濾網(wǎng)使用的壽命。

HEPA濾網(wǎng)：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(tǒng)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(qū)動程序、模式控制程序、onenet云平臺等程序組成，實現(xiàn)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(tǒng)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(jù)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(jiān)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(tǒng)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(tài)及數(shù)值的變化，其數(shù)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(nèi)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(huán)境量的變化來自動調(diào)整電壓從而控制風機的擋位，以實現(xiàn)智能化。在手機云端中顯示出空氣數(shù)據(jù)，并可以遠程控制，此智能凈化控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)確定且穩(wěn)定的運行。