基于STM32的空调散热片粉尘自动监测仪的设计

顾芳+付洋+张仙玲+曹骏+杨娟+陈子煊+管靓+张加宏

摘 要： 为了对空调散热片上的粉尘进行准确检测，设计并实现了一种超低功耗高精度粉尘自动监测仪。该系统由ARM处理器、阵列式光电传感器模块、微弱信号调理电路、模/数转换电路、触摸屏液晶显示及输入模块、声光报警系统、继电器开关控制电路、时钟模块以及串口通信模块构成。以STM32微处理器为主控，通过脉冲驱动阵列式光电传感器对空调散热片粉尘进行差分检测，并利用交流激励低噪声AD7195模数转换器将经过放大滤波处理后的电压信号转换成数字量。微处理器接受数字量后进行分析与处理，可实现分级别通过液晶显示和声光报警及时提醒用户清洗空调散热片，并且带有强制断电功能。经实际应用，该智能化空调散热片粉尘自动监测仪能有效精确实现实时显示、光电报警、上位机通信等功能，对各类空调内部散热片都能很好的监测，具有很强的实用价值。

关键词： STM32微处理器； HOA1405?002； AD7195； 粉尘检测； 空调散热片

中图分类号： TN710?34； TH216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）14?0093?05

Design of STM32?based automatic monitor for dust on air conditioning heat sink

GU Fang1， FU Yang2， ZHANG Xian?ling1， CAO Jun3， YANG Juan4， CHEN Zi?xuan3， GUAN Liang3， ZHANG Jia?hong2

（1. School of Physics and Optoelectronic Engineering， Nanjing University of Information Science &Technology，Nanjing 210044， China；

2. School of Electronic & Information Engineering， Nanjing University of Information Science &Technology. Nanjing 210044， China；

3. School of Atmospheric Sciences， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China；

4. School of Information Technology， Jinling Institute of Technology， Nanjing 211169， China）

Abstract： An ultra?low?power high?precision automatic dust monitor was designed and implemented to accurately detect dust on the air conditioning heat sink. The system is composed of ARM processor， photoelectric sensor array module， weak signal processing circuit， analog?digital conversion circuits， LCD touch screen display and input module， sound and light alarm system， relay switch control circuit， clock module and serial communication module. Taking STM32 microprocessor as a master controller， the differential detection for dust on the air conditioning heat sink is executed by the pulse?driving photoelectric sensor array. The low?noise AD7195 ADC excited by AD is used to convert the amplified and filtered voltage signals into digital signals. The microprocessor is employed to analyze and process the received digital signals， which can generate the monitoring results displayed by LCD and the sound?light alarm， forcibly close air conditioning， and remind the user promptly that they have to clean the air conditioning heat sink. The practical application shows that the intelligent automatic dust monitor for air conditioning heat sink can effectively and precisely achieve real?time display， optoelectronic alarm， PC communications and other functions. It can be used to monitor various types of air conditioning heat sink， and has a strong practical value.

Keywords： STM32 MCU； HOA1405?002； AD7195； dust monitoring； air conditioning heat sink

作为空调冷热交换的核心部件——散热片不仅会积聚污垢灰尘，由于温度、湿度适宜，散热片还会在冷凝水作用下滋生大量细菌、霉菌、螨虫等[1]。当空调开启时，这些灰尘和病菌就被空调吹出，随呼吸道进入人体，导致人体出现头晕乏力、过敏性鼻炎、甚至诱发哮喘。相关研究表明[2]，80%以上的空调散热片的细菌和霉菌总数超标，因此空调散热片污染已成为危害家庭健康的主要因素。但是目前，这一问题并没有引起人们的足够重视。国内外也没有类似的能对空调内部散热片上携带了大量细菌和霉菌的粉尘进行自动监测的新型空调或监测装置。由于粉尘的质量很轻，粉尘颗粒物体积也很微小。因此对粉尘进行检测的这类传感器就需要具有很高的精度。本文设计的基于STM32的低功耗空调散热片粉尘自动监测仪，采用了3个高精度反射式红外光电式传感器，通过发射红外光，并对空调散热片表面反射光进行检测，可以间接获得灰尘覆盖情况的信号。由于采用阵列式测量方式和高性能的微弱信号检测和转换电路，可以实时稳定地监测散热片上粉尘的情况，并做到对其的智能化管理——可自行设置粉尘量值的闸值，有越界语音提示警报和强制关闭空调的功能，使用户全面、直观地了解空调散热片的污染状况，及时对散热片进行清洗，避免影响人体健康，具有很强的实用价值。

1 系统整体设计

如图1所示，本系统由空调散热片粉尘检测模块和中心接收处理模块两部分组成，均以低功耗STM32微处理器为主控。基于光电转换原理[3]，检测模块利用HOA1405?002反射式红外光电传感器阵列对空调散热片上的粉尘进行精确检测，并将获取的微弱电流信号通过精密电阻转换成电压信号后，再经微弱信号调理电路处理后传送给低噪声低功耗模/数转换器AD7195。

中心接收处理模块通过触摸液晶屏输入设置阈值并显示实时测量结果，当检测的电压值（对应于粉尘的量级）小于空调需要清洗的阈值时，控制继电器开关一直闭合，空调系统处于工作状态。

一旦粉尘较多，电压值将变大，超过阈值后，蜂鸣警和二极管声光报警。若在一定时间内，检测的电压值持续高于设置的空调需要清洗的闸值，则控制继电器切断供电，空调停止工作，达到强制用户对空调散热上的粉尘进行清洗的功能。

根据以上功能，用户可实时监测空调散热片的污染状况，及时清洗，最大程度上避免由于散热片污染造成的健康危害，同时可通过串口与上位机通信做到对空调散热片的智能化管理。

图1 系统整体框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片简介

考虑到具体目标功能的实现，主控芯片选用意法半导体的高性能、低功耗、低成本的STM32F103微处理器[4?5]。STM32F103基于ARM的Cortex?M3内核，它具有很强悍的处理功能，最高频率可以达到72 MHz，带4个片选的静态存储器控制和并行的LCD接口。多达112个快速I/O端口，所有的外部端口都可以映射到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5 V，多达13个通信端口，内置高速存储器，4个通用的16位定时器和2个PWM定时器。STM32F103可以工作于-40～105 ℃的温度范围，供电电压为2.0～3.6 V。选用这款微处理器，不仅可以满足在较宽的温度范围内驱动芯片、数据处理的要求，还可使微处理器进入一系列的低功耗省电模式，有效地减少系统功耗，节约电能，增加使用时间。

2.2 阵列式光电传感器模块

由于传感芯片安装于空调内部，工作环境较差，且要求长达3～5年以上的工作时间，故需要选择稳定和功耗很低的传感芯片。本系统选用反射式红外光电传感器[6]HOA1405?002。由于HOA1405?002的响应时间为12 μs，相对于散热片工作的速率很快，所以它能精确测出散热片动态时候的粉尘厚度。如图2所示，本系统信号采集实际上采用3个HOA1405?002光电传感器阵列式测量方式。

图2 光电传感器阵列平面示意图

利用阵列式测量方式的原因或优点主要包括：

（1） 当散热片处于静态时，考虑到散热片的形状，单个的光电传感器可能处于散热片的空隙中，从而不能测出散热片上的粉尘，本系统采用3个HOA1405?002光电传感器排列成以圆心相互成120°的阵列，能保证至少一个以上的光电传感器测到散热片上的粉尘；

（2） 即使有一个光电传感器出现故障，系统仍然能够正常工作，因此阵列式的测量方式能长期地实时监测静态或者动态时散热片上的粉尘；

（3） 对阵列式测量数据做平均可以减小随机误差，提高了粉尘的测量精度。

图3是本系统阵列式光电传感模块中单个光电传感器驱动电路图，HOA1405?002自带一个红外发射二极管和一个光接收复合管。本监测仪通过PE.1利用STM32微处理器发出脉冲电压来驱动发射管间隔发光，经过空调散热片上面的灰尘反射后被复合管接收转换为电流信号，再经过精密电阻R17转换成电压信号通过微弱信号调理电路处理送与AD7195进行模/数转换。值得注意的是，脉冲驱动可以消除暗电流的影响，提高了测量精度。

图3 单个光电传感器驱动电路图

2.3 微弱信号调理电路模块

如图4所示是本系统的微弱信号调理电路，它包括前置放大端、双运放带通滤波器、中间级放大电路、二阶低通滤波器和隔离放大电路。

图4 微弱信号调理电路图

由OPA1及电阻电容组成前置放大电路，该电路是典型的差分放大电路，同时，C1和R3，C2与R4组成低通滤波器；由OPA2与OPA3组成双运放带通滤波器，本设计的带通滤波器Q值和中心频率可调，调节R6可以调节电路的谐振频率，调节R5可以调节电路的Q值；由OPA4构成的同相比例运算放大器，OPA4主要起到中间级放大的作用；由OPA5与电阻R14，R15，电容C9和C10构成有源低通滤波电路与隔离电阻R14，R15和电容C9，C10构成二阶低通滤波器，OPA5为电压跟随器，电压跟随器有阻抗匹配，还有隔离功能，所以利用一个运放兼顾有源滤波和隔离功能，其中OPA1到OPA5都是采用的OPA277的运算放大器。本系统采用三个相同微弱信号调理电路与上述的阵列传感器三个光电转换电路输出相连，将调理的模拟电压信号同时输给后续的ADC模数转换电路进行处理。

2.4 模/数转换模块

如图5所示是本系统的模/数转换电路，HOA1405?002光电传感器采集的信号经微弱电路调理电路后通过ADI公司生产的AD7195转换后与STM32单片机相连，然后将发光前后的转换的数值均送给单片机做差分处理，可以消除环境背景光的影响。值得注意的是，24位Σ?Δ型模/数转换器AD7195的均方根噪声为8.5 nV，功耗电流仅400 μA，特别适合要求低功耗和高精度测量的应用[7]。同时AD7195内置交流激励，通过如图6中外加的4个CMOS管组成的电路，CMOS的输出分别与AD7195的ACX1/ACX1和ACX2/ACX2相连接，可以进一步消除信号的误差，使所测得的数据更加精确。

2.5 中心接收处理模块

触摸屏液晶输入和显示模块：本设计采用带触摸屏的串行接口中文图形点阵TFT液晶显示模块RTSI056B03。在实时显示测量的电压值和表征粉尘量级参数的同时，利用该LCD触摸屏，用户可以自行设置空调需要清洗时的阈值。

声光报警模块：本系统报警采用蜂鸣器鸣叫和二极管发光实现。如果粉尘的量级超过了之前规定的阈值。蜂鸣器发出警报，同时通过单片机驱动发光二极管发光报警，让人们及时清理灰尘。

开关控制模块：图7是本系统采用的继电器控制开关电路[8]，电源通过继电器常开一端接入空调系统，正常情况下，电源供电，空调工作。当声光报警发生，而且STM32微处理器检测的A/D电压值持续高于闸值10 min 后，微处理器给继电器送入低电平，使继电器跳转，常开一端断开，电源断开连接，停止给空调系统供电，空调不工作。

时钟模块：使用时钟模块记录时间，以方便用户能较为准确地把握清理粉尘的频率。本设计采用DS1302时钟芯片，可以选择对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时。RS 232串口模块：采用电平转换芯片MAX232实现TTL逻辑电平和RS 232电平之间的相互转换。电平转换之后，串行信号TXD，RXD与串口连接在一起，实现STM32微处理器与PC机之间的通信。

图5 AD7195模数转换电路图

图6 AD7195交流激励外接电路图

图7 继电器控制开关电路

3 系统软件设计

3.1 软件流程

本文设计的空调散热片粉尘监测系统的主流程图如图8所示，当空调开机后，单片机被唤醒，散热片粉尘监测系统初始化，此时用户可通过实际情况利用触摸屏设置报警阈值。然后AD7195每隔一定时间对HOA1405?002光电传感器阵列测量的散热片粉尘数据采样一次。经过微弱调理电路放大滤波处理后送入AD7195进行数/模转换再输入到STM32进行处理，液晶屏显示粉尘量级，并判断采集数据是否超过设阈值，若超过，驱动蜂鸣警和二极管进行声光报警。计数定时，等待10 min，用户如果没有采取措施，则控制继电器跳转，切断电源，强制关闭空调。

图8 空调散热片粉尘监测系统主流程图

3.2 智能化低功耗设计

由于粉尘的积累需要一定的时间，因此没有必要时刻对空调散热片进行粉尘测试，本系统程序按照低功耗方式设计。为了节约电能，除了必要的设备初始化以外，其余程序（触摸屏触发、定时器、A/D转换）均在中断中完成。当空调开机时，STM32微处理器被唤醒启动监测系统进行粉尘检测，其余大部分时间处于低功耗模式中，只有中断被触发时才被唤醒，这一设计方案大大降低了系统功耗[9?10]。当空调关闭后，STM32进入待机状态，关闭液晶背光，进一步降低了系统的功耗。

4 实际系统测试与分析

根据上述设计制作了空调散热片粉尘监测系统，经过软硬件调试成功之后，采用不同污染程度的空调散热片测试样品做试验，如图9所示，本文选取了两种不同厂家的空调散热片作为测试对象。测试时光电传感器阵列探头与测试样品的距离均为1 cm，具体的测试数据如表1所示。

从表1的实验结果可以看出，对于不同的测试样品，反射光信号经光电转换后的电压值也不同，所以可将空调散热片上的粉尘的浓度和电压值建立起对应的分段关系，并加以定级，提示用户需不需要清洗散热片。结合图9不难发现粉尘浓度越大，测得的电压差分值越大。当附着的粉尘浓度很大时，可将它们对应的电压值设置为阈值。一旦测量的电压值达到阈值，声光报警10 min后，如果用户不做处理，自动关闭空调，强制用户对散热片进行清洗。

图9 附着不同浓度粉尘的空调散热片测试样品

表1 不同测试条件下的实验数据

5 结 论

本设计通过阵列式光电传感器以及微弱信号调理电路，能实时精确地监测空调散热片上粉尘强度，可实现分级别通过液晶显示和声光报警及时提示用户清洗散热片，并且为用户的健康着想带有强制断电功能。该智能化空调散热片粉尘监测仪采用的各类模块均为微型化模块，可用普通5 V锂电池供电，具有低功耗、微型化、便携式、低成本的特点，稳定性高，同时具有数据实时显示、语音提示、与上位机通信等功能，适应于各种类型空调内部散热片粉尘测量监测，有很强的扩展性和推广价值。

参考文献

[1] 王克霞，郭伟，湛孝东，等.空调隔尘网尘螨变应原基因检测[J].中国病原生物学杂志，2013，8（5）：429?431.

[2] 徐周，胡芳，林玲，等.挂壁式空调机散热片微生物污染状况调查[J].环境与职业医学，2009，26（5）：444?446.

[3] 焦敬品，张强.便携式粉尘测试仪的研制[J].仪表技术与传感器，2009（4）：29?32.

[4] 郭智源，韩建，张西鹏，等.基于STM32的PID和PWM温度控制系统研究[J].科学技术与工程，2011（16）：3805?3807.

[5] 曹彬乾.基于STM32步进电机多细分控制的设计[J].科学技术与工程，2013（23）：6893?6897.

[6] 高月华.基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计[J].半导体光电，2009，30（1）：134?137.

[7] 王广超，张威，卢博友，等.水果分选机称重模块调理电路设计[J].农机化研究，2012（5）：132?135.

[8] 冒晓莉，杨博，杨静秋，等.基于MSP430单片机的节能型数字调频发射机[J].电子技术应用，2013，39（5）：138?140.

[9] 周子安，任家富，张敬伦.基于STM32的手持式地震波检波器测试仪研制[J].仪器仪表用户，2011，18（5）：31?33.

[10] 杨镇博，张加宏，吴雨生.基于ATmega16单片机的微型气象探测系统设计[J].现代电子技术，2013，36（11）：106?109.

图4 微弱信号调理电路图

由OPA1及电阻电容组成前置放大电路，该电路是典型的差分放大电路，同时，C1和R3，C2与R4组成低通滤波器；由OPA2与OPA3组成双运放带通滤波器，本设计的带通滤波器Q值和中心频率可调，调节R6可以调节电路的谐振频率，调节R5可以调节电路的Q值；由OPA4构成的同相比例运算放大器，OPA4主要起到中间级放大的作用；由OPA5与电阻R14，R15，电容C9和C10构成有源低通滤波电路与隔离电阻R14，R15和电容C9，C10构成二阶低通滤波器，OPA5为电压跟随器，电压跟随器有阻抗匹配，还有隔离功能，所以利用一个运放兼顾有源滤波和隔离功能，其中OPA1到OPA5都是采用的OPA277的运算放大器。本系统采用三个相同微弱信号调理电路与上述的阵列传感器三个光电转换电路输出相连，将调理的模拟电压信号同时输给后续的ADC模数转换电路进行处理。

2.4 模/数转换模块

如图5所示是本系统的模/数转换电路，HOA1405?002光电传感器采集的信号经微弱电路调理电路后通过ADI公司生产的AD7195转换后与STM32单片机相连，然后将发光前后的转换的数值均送给单片机做差分处理，可以消除环境背景光的影响。值得注意的是，24位Σ?Δ型模/数转换器AD7195的均方根噪声为8.5 nV，功耗电流仅400 μA，特别适合要求低功耗和高精度测量的应用[7]。同时AD7195内置交流激励，通过如图6中外加的4个CMOS管组成的电路，CMOS的输出分别与AD7195的ACX1/ACX1和ACX2/ACX2相连接，可以进一步消除信号的误差，使所测得的数据更加精确。

2.5 中心接收处理模块

触摸屏液晶输入和显示模块：本设计采用带触摸屏的串行接口中文图形点阵TFT液晶显示模块RTSI056B03。在实时显示测量的电压值和表征粉尘量级参数的同时，利用该LCD触摸屏，用户可以自行设置空调需要清洗时的阈值。

声光报警模块：本系统报警采用蜂鸣器鸣叫和二极管发光实现。如果粉尘的量级超过了之前规定的阈值。蜂鸣器发出警报，同时通过单片机驱动发光二极管发光报警，让人们及时清理灰尘。

开关控制模块：图7是本系统采用的继电器控制开关电路[8]，电源通过继电器常开一端接入空调系统，正常情况下，电源供电，空调工作。当声光报警发生，而且STM32微处理器检测的A/D电压值持续高于闸值10 min 后，微处理器给继电器送入低电平，使继电器跳转，常开一端断开，电源断开连接，停止给空调系统供电，空调不工作。

时钟模块：使用时钟模块记录时间，以方便用户能较为准确地把握清理粉尘的频率。本设计采用DS1302时钟芯片，可以选择对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时。RS 232串口模块：采用电平转换芯片MAX232实现TTL逻辑电平和RS 232电平之间的相互转换。电平转换之后，串行信号TXD，RXD与串口连接在一起，实现STM32微处理器与PC机之间的通信。

图5 AD7195模数转换电路图

图6 AD7195交流激励外接电路图

图7 继电器控制开关电路

3 系统软件设计

3.1 软件流程

本文设计的空调散热片粉尘监测系统的主流程图如图8所示，当空调开机后，单片机被唤醒，散热片粉尘监测系统初始化，此时用户可通过实际情况利用触摸屏设置报警阈值。然后AD7195每隔一定时间对HOA1405?002光电传感器阵列测量的散热片粉尘数据采样一次。经过微弱调理电路放大滤波处理后送入AD7195进行数/模转换再输入到STM32进行处理，液晶屏显示粉尘量级，并判断采集数据是否超过设阈值，若超过，驱动蜂鸣警和二极管进行声光报警。计数定时，等待10 min，用户如果没有采取措施，则控制继电器跳转，切断电源，强制关闭空调。

图8 空调散热片粉尘监测系统主流程图

3.2 智能化低功耗设计

由于粉尘的积累需要一定的时间，因此没有必要时刻对空调散热片进行粉尘测试，本系统程序按照低功耗方式设计。为了节约电能，除了必要的设备初始化以外，其余程序（触摸屏触发、定时器、A/D转换）均在中断中完成。当空调开机时，STM32微处理器被唤醒启动监测系统进行粉尘检测，其余大部分时间处于低功耗模式中，只有中断被触发时才被唤醒，这一设计方案大大降低了系统功耗[9?10]。当空调关闭后，STM32进入待机状态，关闭液晶背光，进一步降低了系统的功耗。

4 实际系统测试与分析

根据上述设计制作了空调散热片粉尘监测系统，经过软硬件调试成功之后，采用不同污染程度的空调散热片测试样品做试验，如图9所示，本文选取了两种不同厂家的空调散热片作为测试对象。测试时光电传感器阵列探头与测试样品的距离均为1 cm，具体的测试数据如表1所示。

从表1的实验结果可以看出，对于不同的测试样品，反射光信号经光电转换后的电压值也不同，所以可将空调散热片上的粉尘的浓度和电压值建立起对应的分段关系，并加以定级，提示用户需不需要清洗散热片。结合图9不难发现粉尘浓度越大，测得的电压差分值越大。当附着的粉尘浓度很大时，可将它们对应的电压值设置为阈值。一旦测量的电压值达到阈值，声光报警10 min后，如果用户不做处理，自动关闭空调，强制用户对散热片进行清洗。

图9 附着不同浓度粉尘的空调散热片测试样品

表1 不同测试条件下的实验数据

5 结 论

本设计通过阵列式光电传感器以及微弱信号调理电路，能实时精确地监测空调散热片上粉尘强度，可实现分级别通过液晶显示和声光报警及时提示用户清洗散热片，并且为用户的健康着想带有强制断电功能。该智能化空调散热片粉尘监测仪采用的各类模块均为微型化模块，可用普通5 V锂电池供电，具有低功耗、微型化、便携式、低成本的特点，稳定性高，同时具有数据实时显示、语音提示、与上位机通信等功能，适应于各种类型空调内部散热片粉尘测量监测，有很强的扩展性和推广价值。

参考文献

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[5] 曹彬乾.基于STM32步进电机多细分控制的设计[J].科学技术与工程，2013（23）：6893?6897.

[6] 高月华.基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计[J].半导体光电，2009，30（1）：134?137.

[7] 王广超，张威，卢博友，等.水果分选机称重模块调理电路设计[J].农机化研究，2012（5）：132?135.

[8] 冒晓莉，杨博，杨静秋，等.基于MSP430单片机的节能型数字调频发射机[J].电子技术应用，2013，39（5）：138?140.

[9] 周子安，任家富，张敬伦.基于STM32的手持式地震波检波器测试仪研制[J].仪器仪表用户，2011，18（5）：31?33.

[10] 杨镇博，张加宏，吴雨生.基于ATmega16单片机的微型气象探测系统设计[J].现代电子技术，2013，36（11）：106?109.

图4 微弱信号调理电路图

由OPA1及电阻电容组成前置放大电路，该电路是典型的差分放大电路，同时，C1和R3，C2与R4组成低通滤波器；由OPA2与OPA3组成双运放带通滤波器，本设计的带通滤波器Q值和中心频率可调，调节R6可以调节电路的谐振频率，调节R5可以调节电路的Q值；由OPA4构成的同相比例运算放大器，OPA4主要起到中间级放大的作用；由OPA5与电阻R14，R15，电容C9和C10构成有源低通滤波电路与隔离电阻R14，R15和电容C9，C10构成二阶低通滤波器，OPA5为电压跟随器，电压跟随器有阻抗匹配，还有隔离功能，所以利用一个运放兼顾有源滤波和隔离功能，其中OPA1到OPA5都是采用的OPA277的运算放大器。本系统采用三个相同微弱信号调理电路与上述的阵列传感器三个光电转换电路输出相连，将调理的模拟电压信号同时输给后续的ADC模数转换电路进行处理。

2.4 模/数转换模块

如图5所示是本系统的模/数转换电路，HOA1405?002光电传感器采集的信号经微弱电路调理电路后通过ADI公司生产的AD7195转换后与STM32单片机相连，然后将发光前后的转换的数值均送给单片机做差分处理，可以消除环境背景光的影响。值得注意的是，24位Σ?Δ型模/数转换器AD7195的均方根噪声为8.5 nV，功耗电流仅400 μA，特别适合要求低功耗和高精度测量的应用[7]。同时AD7195内置交流激励，通过如图6中外加的4个CMOS管组成的电路，CMOS的输出分别与AD7195的ACX1/ACX1和ACX2/ACX2相连接，可以进一步消除信号的误差，使所测得的数据更加精确。

2.5 中心接收处理模块

触摸屏液晶输入和显示模块：本设计采用带触摸屏的串行接口中文图形点阵TFT液晶显示模块RTSI056B03。在实时显示测量的电压值和表征粉尘量级参数的同时，利用该LCD触摸屏，用户可以自行设置空调需要清洗时的阈值。

声光报警模块：本系统报警采用蜂鸣器鸣叫和二极管发光实现。如果粉尘的量级超过了之前规定的阈值。蜂鸣器发出警报，同时通过单片机驱动发光二极管发光报警，让人们及时清理灰尘。

开关控制模块：图7是本系统采用的继电器控制开关电路[8]，电源通过继电器常开一端接入空调系统，正常情况下，电源供电，空调工作。当声光报警发生，而且STM32微处理器检测的A/D电压值持续高于闸值10 min 后，微处理器给继电器送入低电平，使继电器跳转，常开一端断开，电源断开连接，停止给空调系统供电，空调不工作。

时钟模块：使用时钟模块记录时间，以方便用户能较为准确地把握清理粉尘的频率。本设计采用DS1302时钟芯片，可以选择对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时。RS 232串口模块：采用电平转换芯片MAX232实现TTL逻辑电平和RS 232电平之间的相互转换。电平转换之后，串行信号TXD，RXD与串口连接在一起，实现STM32微处理器与PC机之间的通信。

图5 AD7195模数转换电路图

图6 AD7195交流激励外接电路图

图7 继电器控制开关电路

3 系统软件设计

3.1 软件流程

本文设计的空调散热片粉尘监测系统的主流程图如图8所示，当空调开机后，单片机被唤醒，散热片粉尘监测系统初始化，此时用户可通过实际情况利用触摸屏设置报警阈值。然后AD7195每隔一定时间对HOA1405?002光电传感器阵列测量的散热片粉尘数据采样一次。经过微弱调理电路放大滤波处理后送入AD7195进行数/模转换再输入到STM32进行处理，液晶屏显示粉尘量级，并判断采集数据是否超过设阈值，若超过，驱动蜂鸣警和二极管进行声光报警。计数定时，等待10 min，用户如果没有采取措施，则控制继电器跳转，切断电源，强制关闭空调。

图8 空调散热片粉尘监测系统主流程图

3.2 智能化低功耗设计

由于粉尘的积累需要一定的时间，因此没有必要时刻对空调散热片进行粉尘测试，本系统程序按照低功耗方式设计。为了节约电能，除了必要的设备初始化以外，其余程序（触摸屏触发、定时器、A/D转换）均在中断中完成。当空调开机时，STM32微处理器被唤醒启动监测系统进行粉尘检测，其余大部分时间处于低功耗模式中，只有中断被触发时才被唤醒，这一设计方案大大降低了系统功耗[9?10]。当空调关闭后，STM32进入待机状态，关闭液晶背光，进一步降低了系统的功耗。

4 实际系统测试与分析

根据上述设计制作了空调散热片粉尘监测系统，经过软硬件调试成功之后，采用不同污染程度的空调散热片测试样品做试验，如图9所示，本文选取了两种不同厂家的空调散热片作为测试对象。测试时光电传感器阵列探头与测试样品的距离均为1 cm，具体的测试数据如表1所示。

从表1的实验结果可以看出，对于不同的测试样品，反射光信号经光电转换后的电压值也不同，所以可将空调散热片上的粉尘的浓度和电压值建立起对应的分段关系，并加以定级，提示用户需不需要清洗散热片。结合图9不难发现粉尘浓度越大，测得的电压差分值越大。当附着的粉尘浓度很大时，可将它们对应的电压值设置为阈值。一旦测量的电压值达到阈值，声光报警10 min后，如果用户不做处理，自动关闭空调，强制用户对散热片进行清洗。

图9 附着不同浓度粉尘的空调散热片测试样品

表1 不同测试条件下的实验数据

5 结 论

本设计通过阵列式光电传感器以及微弱信号调理电路，能实时精确地监测空调散热片上粉尘强度，可实现分级别通过液晶显示和声光报警及时提示用户清洗散热片，并且为用户的健康着想带有强制断电功能。该智能化空调散热片粉尘监测仪采用的各类模块均为微型化模块，可用普通5 V锂电池供电，具有低功耗、微型化、便携式、低成本的特点，稳定性高，同时具有数据实时显示、语音提示、与上位机通信等功能，适应于各种类型空调内部散热片粉尘测量监测，有很强的扩展性和推广价值。

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