摘 要：為實(shí)現(xiàn)家居室內(nèi)空氣的流通與潔凈，以嵌入式單片機(jī)STM32為核心控制器，提出一種智能室內(nèi)空氣交換裝置設(shè)計(jì)新方案。該系統(tǒng)主要由紅外檢測(cè)電路、CO2檢測(cè)電路、易燃?xì)怏w檢測(cè)電路、溫濕度檢測(cè)電路、語音控制電路、電源電路模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警提醒電路及顯示電路等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)通過外圍模塊檢測(cè)居室內(nèi)的空氣質(zhì)量，反饋給控制器作判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)易燃?xì)怏w濃度、CO2濃度與溫濕度的實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)空氣質(zhì)量超過設(shè)定閾值時(shí)，發(fā)出預(yù)警提醒，并控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以改善居室內(nèi)空氣質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該方案的正確性與可行性。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)；單片機(jī)；空氣交換；電機(jī)；閾值

中圖分類號(hào)：TM383 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）3１-0046-04

Abstract： In order to realize the circulation and cleanliness of indoor air in the home， a new design scheme for intelligent indoor air exchange device is proposed using the embedded microcontroller STM32 as the core controller. The system mainly consists of infrared detection circuit， CO2 detection circuit， flammable gas detection circuit， temperature and humidity detection circuit， voice control circuit， power supply circuit module， motor drive circuit， alarm reminder circuit and display circuit. The system detects the air quality in the room through peripheral modules and feeds back to the controller for judgment， realizing real-time display of flammable gas concentration， CO2 concentration and temperature and humidity. When the air quality exceeds the set threshold， an early warning is issued and the motor is controlled to rotate to improve the air quality in the room. Experimental results confirm the correctness and feasibility of the scheme.

Keywords： indoor; MCU; air exchange; motor; threshold

近年來，隨著社會(huì)公眾生活水平的不斷提高，人們對(duì)居室的裝飾裝修日漸豐富多樣，由此帶來的室內(nèi)的空氣污染也引發(fā)了社會(huì)公眾的高度關(guān)注[1-3]。居室生活是人類生活最為重要的構(gòu)成部分，其空氣質(zhì)量直接影響著人們的身心健康與生命安全，如室內(nèi)天然氣泄漏可能使人中毒、室內(nèi)CO2濃度超標(biāo)易使人嗜睡等[4-6]。研究表明，促進(jìn)空氣流通是改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵[7-9]?？諝饨粨Q裝置依靠自身的循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣交換，是被人們廣泛認(rèn)可的一種能有效改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的裝置[10-12]。目前，雖然市場(chǎng)上的空氣交換裝置種類繁多，但大多數(shù)裝置的功能還比較單一，有的只能實(shí)現(xiàn)空氣流通無空氣成分檢測(cè)功能，有的只能檢測(cè)一種氣體無預(yù)警提醒等應(yīng)急處置措施。因此，設(shè)計(jì)一款可以檢測(cè)空氣成分并具備一定應(yīng)急處置措施的多功能智能空氣交換裝置對(duì)于改善人們的居室環(huán)境、提高居室生活體驗(yàn)度有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于此，本文以STM32單片機(jī)為核心控制器，提出了一種智能室內(nèi)空氣交換裝置的制作方案。該方案依靠系統(tǒng)外圍電氣設(shè)備檢測(cè)居室內(nèi)的易燃?xì)怏w濃度、CO2濃度與溫濕度等多個(gè)影響空氣質(zhì)量的環(huán)境參數(shù)，送給單片機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，不僅實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與動(dòng)態(tài)顯示，還能對(duì)各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)是否超過預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行動(dòng)作判斷，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣交換，并賦予相應(yīng)的應(yīng)急處置措施。文中不僅列出了所提制作方案的系統(tǒng)架構(gòu)，還詳細(xì)分析了外圍主要電路的工作原理，最后通過搭建一個(gè)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了該方案的正確性與可行性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

室內(nèi)空氣交換裝置是一個(gè)機(jī)電集成一體化相對(duì)比較高的電氣設(shè)備系統(tǒng)。本文所提的制作方案總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由單片機(jī)、人體紅外檢測(cè)電路、CO2檢測(cè)電路、易燃?xì)怏w檢測(cè)電路、溫濕度檢測(cè)電路、語音控制電路、電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警提醒電路及顯示電路等幾部分構(gòu)成。其中，單片機(jī)為系統(tǒng)控制器，是整個(gè)制作方案的核心，根據(jù)實(shí)際功能需要，本文選用了一款具有功耗低、擴(kuò)展性強(qiáng)、處理能力快、可移植性好等優(yōu)點(diǎn)的嵌入式芯片STM32F103C8T6。系統(tǒng)在電源模塊正常供電下工作，其工作原理可簡(jiǎn)要描述為，外圍電路模塊依靠自身傳感器檢測(cè)室內(nèi)有無人體、易燃?xì)怏w濃度、CO2濃度與溫濕度等環(huán)境信息，饋送給單片機(jī)作數(shù)據(jù)處理與判斷，判斷結(jié)果用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的空氣交換。圖1中，顯示模塊主要用于實(shí)時(shí)顯示居室內(nèi)的空氣質(zhì)量，報(bào)警提醒模塊主要用于應(yīng)急處置，語音控制模塊主要用于人為調(diào)節(jié)電機(jī)的工況。

2 主要電路設(shè)計(jì)

2.1 人體紅外檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

人體紅外檢測(cè)電路用于檢測(cè)居室內(nèi)有無人體的環(huán)境，其前端是基于熱釋電效應(yīng)的一種紅外傳感器[13-14]，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、感應(yīng)效果好且價(jià)格便宜等特點(diǎn)，其電路原理如圖2所示。圖中VCC的有效電平為3.3～5 V，電路的工作原理可以簡(jiǎn)要描述為：在有效檢測(cè)范圍內(nèi)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到周圍有人體時(shí)，OUT引腳將輸出持續(xù)的高電平信號(hào)，并饋送至單片機(jī)的PA1引腳，單片機(jī)通過相應(yīng)程序控制電機(jī)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)“人來風(fēng)通”；當(dāng)未檢測(cè)到人或人已離開檢測(cè)范圍時(shí)，OUT引腳將輸出持續(xù)的低電平信號(hào)，此時(shí)，電機(jī)將斷電復(fù)位。

2.2 CO2檢測(cè)電路

CO2檢測(cè)電路主要用于檢測(cè)居室內(nèi)CO2的濃度，其前端選用了一款JW01 CO2傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、靈敏度好和使用方便等特點(diǎn)。由于JW01的工作電壓為5 V，而STM32單片機(jī)的正常工作電壓為3.3 V，為防止單片機(jī)燒壞，設(shè)計(jì)了一個(gè)向串口電平轉(zhuǎn)換電路以匹配數(shù)據(jù)在不同電壓域之間正常通信，其電路原理如圖3所示。電路的工作原理可簡(jiǎn)要描述為：電源接通后，單片機(jī)PA9引腳將輸出持續(xù)的低電平信號(hào)，通過電平轉(zhuǎn)換電路將引腳A拉至低電平，此時(shí)， JW01傳感器接收端無信號(hào)輸入；當(dāng)JW01傳感器檢測(cè)到CO2時(shí)，引腳B將輸出相應(yīng)的電平信號(hào)，饋送至單片機(jī)PA10引腳，若所測(cè)CO2濃度高于設(shè)置的閾值，單片機(jī)將控制電機(jī)加速轉(zhuǎn)動(dòng)，快速交換空氣，反之電機(jī)將繼續(xù)保持現(xiàn)有的工作狀態(tài)。

2.3 易燃?xì)怏w檢測(cè)電路

MQ-9氣敏傳感器對(duì)液化氣、天然氣與煤氣等易燃?xì)怏w都有較好靈敏度[15]，具有檢測(cè)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、成本低等特點(diǎn)，非常適用于居室內(nèi)易燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測(cè)，其電路原理如圖4所示。電路的工作原理可以簡(jiǎn)要描述為：當(dāng)MQ-9的感應(yīng)端感應(yīng)到可燃?xì)怏w時(shí)，感應(yīng)端輸出有效信號(hào)，與比較電路LM393設(shè)定閾值進(jìn)行比較，當(dāng)輸出值高于所設(shè)閾值時(shí)，LED燈點(diǎn)亮的同時(shí)，信號(hào)被傳輸至單片機(jī)的PA8引腳，單片機(jī)將控制電機(jī)加速轉(zhuǎn)動(dòng)，快速實(shí)現(xiàn)空氣交換以降低室內(nèi)易燃?xì)怏w的濃度。

2.4 溫濕度檢測(cè)電路

溫濕度檢測(cè)電路主要用于采集居室內(nèi)的溫度與濕度，選用了一款有校正數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11，它具有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度好、性價(jià)比高等特點(diǎn)，其電路原理如圖5所示。電路的工作原理可簡(jiǎn)要描述為：模塊被正常供電后，前端傳感器就會(huì)對(duì)居室內(nèi)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)自動(dòng)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后，以單總線序列的方式饋送給單片機(jī)PA7引腳以實(shí)現(xiàn)通信。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要完成吸氣與排氣功能，以應(yīng)對(duì)室內(nèi)復(fù)雜的空氣狀況。設(shè)計(jì)時(shí)，選用了一款具有正反轉(zhuǎn)功能的直流電動(dòng)機(jī)。為使電機(jī)正常工作，采用了H橋作為驅(qū)動(dòng)電路，通過控制橋臂上各開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷來改變流經(jīng)電機(jī)的電流方向，進(jìn)而控制電機(jī)工況，其電路原理如圖6所示。電路的工作原理可以簡(jiǎn)要描述為：?jiǎn)纹瑱C(jī)PB5引腳一直持續(xù)輸出高電平的狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)PB6引腳輸出高電平且PB7引腳輸出低電平時(shí)，開關(guān)管Q1與Q4導(dǎo)通、Q2與Q3截止，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)單片機(jī)PB6引腳輸出低電平且PB7引腳輸出高電平時(shí)，開關(guān)管Q1與Q4截止、Q2與Q3導(dǎo)通，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)單片機(jī)PB6引腳輸出低電平且PB7引腳輸出低電平時(shí)，開關(guān)管Q1與Q3截止、開關(guān)管Q2與Q4導(dǎo)通，電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。

2.6 語音控制電路

語音控制電路選用了一款具有自定義詞條的AI離線智能控制芯片ASR-PRO，其電路原理如圖7所示。電路的工作原理可以簡(jiǎn)要描述為：使用時(shí)，用戶可根據(jù)自身語言風(fēng)格來設(shè)定命令詞條，當(dāng)ASR-PRO識(shí)別到有效詞條后，將與芯片內(nèi)部設(shè)定詞條進(jìn)行信息比對(duì)，如果比對(duì)匹配，則發(fā)出控制信號(hào)饋送至單片機(jī)對(duì)應(yīng)的引腳，單片機(jī)在收到相應(yīng)的電平變化后，通過所編寫的相應(yīng)子程序來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并同時(shí)通過擴(kuò)音器進(jìn)行語音播報(bào)。

2.7 報(bào)警提醒電路

報(bào)警提醒電路由1個(gè)三極管Q5與1個(gè)蜂鳴器構(gòu)成，其電路原理如圖8所示。電路的工作原理可以簡(jiǎn)要描述為：當(dāng)居室內(nèi)發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，如易燃?xì)怏w濃度超標(biāo)，此時(shí)，單片機(jī)將通過相應(yīng)程序控制PB0引腳輸出電平信號(hào)，使得三極管Q5導(dǎo)通，蜂鳴器通電發(fā)出警報(bào)提醒聲。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述理論分析，為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方案的正確性與可行性，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，假定居室環(huán)境CO2濃度未超過所設(shè)閾值，以釋放丁烷氣體來模擬室內(nèi)空氣中易燃?xì)怏w超標(biāo)的工況，將丁烷氣體靠近MQ-9傳感器的檢測(cè)端，此時(shí)，顯示屏的數(shù)值也會(huì)隨之變化，電機(jī)兩側(cè)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形如圖10所示。調(diào)整環(huán)境狀況，使裝置所處環(huán)境CO2濃度超過所設(shè)閾值，其余環(huán)境條件不改變，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相符合，其電機(jī)兩側(cè)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形也與圖10所示一致。由圖10可知，當(dāng)檢測(cè)到居室內(nèi)易燃?xì)怏w濃度或CO2濃度未超過設(shè)定閾值時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)極側(cè)為低電平信號(hào)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，處于吸氣狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)居室內(nèi)易燃?xì)怏w濃度或CO2濃度超過設(shè)定閾值時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)極側(cè)為高電平信號(hào)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，進(jìn)入排氣狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文以嵌入式單片機(jī)STM32為核心控制器，提出了一種多功能智能空氣交換裝置的設(shè)計(jì)方案。該方案具有CO2氣體檢測(cè)、可燃?xì)怏w檢測(cè)、人體紅外檢測(cè)、語音控制、溫濕度檢測(cè)、蜂鳴器報(bào)警與OLED顯示等功能，可以幫助人們了解室內(nèi)的空氣狀況并維持較好的室內(nèi)空氣環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能夠根據(jù)室內(nèi)空氣成分的實(shí)時(shí)變化而做出相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣的流通，并能進(jìn)行語音控制，具有較好的市場(chǎng)前景，可以為居室內(nèi)空氣交換與凈化裝置的研發(fā)提供一定的思路與方法。

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