基于STM32单片机的便携式空气净化器设计

魏伟，张磊，孙鹏达

（沈阳科技学院，辽宁沈阳，110167）

0 引言

近年来国内雾霾现象日益严重，国内多地受雾霾持续困扰，室内外空气中的微粒、细菌、病毒和其他有害物质对人体健康构成危害，特别是对长期工作或生活在恶劣环境下的人[1]。本文设计出一种多功能便捷式空气净化器，在检测空气质量的同时还可以利用过滤层及负离子发生器改善人体吸入空气的质量，通过物联网芯片将实时的空气质量传送给服务器进行分析。本设计可根据环境选取风量调速模式，具有能耗低，维护简单和可随身携带等优点。

1 系统整体设计

本设计基于STM32单片机，由负离子发生器、微风扇、空气过滤装置等系统组成。微风扇使空气流动，流动的空气经过装在风口的负离子发生器，将空气不断电离，产生大量负离子，形成负离子气流，依次通过机内的粗滤棉、活性炭滤芯、PM2.5试纸后将各种污染物过滤或吸附，达到清洁净化空气的目的。

图1 净化空气流程

在雾霾环境下，传感器感知周围空气，通过液晶显示屏显示当前未净化空气的PM2.5值、温度值和湿度值。通过风扇的作用，空气先流过负离子发生器，将空气中带电的大颗粒吸附到铁丝过滤网上，通过粗滤棉进行第一层过滤，活性炭网进行第二层过滤，PM2.5滤纸过滤小微粒，再通过负离子发生器净化空气，使人体可以呼吸到洁净空气。此外，本系统搭配不同类型出风口也可作为车载净化器使用。

2 系统硬件组成

■2.1 系统主控模块

本设计选用STM32单片机作为数据处理模块，其对数据的处理速度快，能实时采样PM2.5传感器、温湿度传感器检测的数据，精确计算出粉尘浓度、温湿度，把实时数据传输给OLED显示屏，具有性价比高，功耗低等特点。

■2.2 PM2.5检测模块

本设计采用夏普PM2.5粉灰尘传感器GP2Y1010AU0F检测模块，利用光学空气质量传感器感应空气中的尘埃粒子。内部的红外线发光二极管和光电晶体管，使其能够探测到空气中尘埃反射光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比，通过STM32单片机的采样数据，运用卡尔曼滤波算法精确计算出粉尘浓度，测量PM2.5的含量。

图2 PM2.5检测模块电路图

■2.3 风扇模块

风扇作为净化器空气流动的动力来源，风量的大小决定净化速度的快慢。本设计采用DC12V微型风扇，通过STM32单片机控制PWM调速，改变周期占空比大小来控制风扇端电压，进而控制风扇的转速。

图3 PWM调速系统电路图

■2.4 温湿度检测模块

本设计采用数字温湿度传感器DHT22模块。DHT22数字温湿度传感器是一款含有校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有极高的可靠性与稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件。此模块和STM32单片机单线制串行通信，简易快捷，通过STM32单片机实时校准程序，使温度、湿度数据更加精确[2]。

■2.5 负离子发生器模块

通过负离子发生器的脉冲振荡电路，将低电压通过高压模块升压为直流负高压，经过碳素纤维尖端不断产生负直流高电晕，高速的发射出大量的电子，立刻会被空气中的氧分子捕捉，从而形成负离子。本设计利用负离子发生器使空气中的甲醛、苯等有害气体发生反应，将其分解为二氧化碳和水，达到除尘、灭菌、净化空气的目的。

■2.6 电源模块

本设计选用DC12V、5000mA容量锂电池为系统供电。该电源为外部各个传感器模块和单片机模块提供稳定的电压和电流，纹波小。此外，当系统电量不足时，能通过OLED显示屏进行低电量显示，提示使用者及时充电。电路设计如图4所示。

图4 电源电路

■2.7 cc2530芯片

通信模块选择美国 TI 公司的 CC2530F256，其含有一个标准的增强型8051 CPU，256KB可编程闪存，8–KB RAM和先进的RF收发器，结合ZigBee协议栈，可实现强大和完整的无线通信。本设计将STM32单片机与CC2530芯片设置相同的波特率，进行串口通信，将PM2.5及温湿度数据传送到相邻的服务器。

3 系统测试

将各个模块进行连接，首先测试各个模块运行，观察其状态变化，系统状态值可以在 OLED屏幕和示波器上观察波形显示。最后将各个模块组装测试。

■3.1 风扇模块监测

通过改变每个周期中占空比的大小来控制风扇两端电压的大小，进而控制风扇的转速。本设计中占空比设定为0.25、0.5、0.75、1四个等级，通过示波器检测STM32单片机输出占空比。

图5 风扇转速检测

■3.2 PM2.5模块监测

对PM2.5检测模块进行测试，当室内无烟时液晶显示屏显示PM2.5值为40，室内有烟时液晶显示屏显示PM2.5值为250，表明该模块检测灵敏度高。

■3.3 温湿度模块监测

正常温室15.5℃时，相对湿度为64.4%，当给温湿度传感器周围添加热源后，温度上升为18.7℃，当给温湿度传感器周围放置加湿器后，相对湿度上升到88.8%，表明温湿度传感器性能良好。

图6 PM2.5检测

■3.4 OLED显示器模块监测

OLED模块与STM32单片机通过IIC实现数据的传输，PM2.5传感器、温湿度传感器检测的数据发送到STM32单片机进行数据的处理与分析，把处理后的数据发送给OLED显示屏，显示经过净化器净化前后的PM2.5数值和空气的温度、湿度。

4 结束语

通过测试，该便携式空气净化器可以有效地净化人体吸入空气，并最大程度地减少室内外空气中悬浮的细菌和有害气体，同时利用物联网技术，可以实时将户外空气指数上传至服务器，进行区域互联，为行人提供一个安全舒适的室外呼吸环境。