新型智能控制系统在空气净化器中的应用

东南大学成贤学院电子与计算机工程学院 余功堂 佘雨瑞 沈心语 丛丝曼

由于生活水平的上升，进入21世纪后，人类社会面临和急待解决的关键课题之一便是环境污染的控制与治理问题。人们对环保的态度也在转变，已经不仅仅满足于室外，对室内空气的干净程度也有极高的需求。众所周知的是，目前各种空气净化器种类繁多。我们想要设计出一款新的空气净化器，必须集中百家之长，完善性能，才能彻底的使空气品质得到提升。我们希望在原有的基础上做出创新，设计出全新的多功能智能空气净化器，为了让人们的生活更舒适，我们实现了让科技更加人性化，也达到了我们让世界变得更美好的意愿。

1 系统设计

我们设计出全新的多功能智能空气净化器，根据室内空气质量我们可以通过WiFi模块由手机app可以自动或手动按键调整电机风速、电压，使空气依次经过活性炭、静电棉、冷触媒、hepa过滤网四层净化，使空气净化器处于最佳工作状态。系统设计整体框架如图1所示。

图1 整体框架

STM32单片机简介：

“New Life”智能空气净化器使用STM32F103RCT6为主要芯片，STM32的最高工作频率达到72MHz，其中包括有48KB静态随机存取存储器Flash256KB，有8个定时器，51个通用IO口等。

2 智能空气净化器设计

2.1 总体设计

我们制作的空气净化器总体是由控制与驱动两部分构成。控制部分核心STM32F10X单片机，建立WiFi模块，通过传感模块检测出温度和湿度以及PM2.5颗粒浓度等实时数据，通过WiFi模块由手机app可以自动或手动按键调整电机风速、电压，使空气依次经过活性炭、静电棉、hepa过滤网三层净化。液晶屏上会展示时间、温度及适度、PM2.5浓度等数据，并且可以看到是自动模式还是手动模式。

2.2 控制系统详细设计

2.2.1 L298直流电机驱动电路

①芯片：L298N直流电机驱动芯片；②驱动部分供电范围：5～35V；供电的范围：7～35V；③驱动部分峰值电流：2A；④逻辑部分供电范围：5～7V；⑤逻辑工作电流范围：0～36mA；⑥控制信号电压范围：低电平：-0.3V～1.5V高电平：2.3V～Vss；⑦使能信号电压范围：低电平：-0.3～1.5V高电平：

2.3V～Vss。

如果要对直流电机进行调速，需先通过设置IN1和IN2来确定风扇驱动的转动方向，然后通过PWM信号脉冲实现占空比的改变来达到转速的改变。

2.2.2 激光PM2.5传感器模块

SDS011原理采用到激光散射，可以测得空气中0.3～10微米的微颗粒浓度，通过激光器与感光部件，得到的数据非常准确。

采用的激光散射原理：用激光作光源，当照到经过检测通道的颗粒物时会出现光散射，在入射角方向上的散射出的波形和颗粒分布与直径有关，凭借不同粒径的波形得以计算出颗粒物的数量浓度。

2.2.3 WiFi控制电路

ESP8266是一款超低功耗的WiFi模块，拥有超低的能耗，可将用户移动端连接到Wi-Fi网络上，从而实现净化器与移动端联网。

2.2.4 Dht11温湿度传感器电路

DHT11温湿传感器的数字模块采集技术和温湿度传感技术是它独特的技术，非常高的可靠性与了不起的稳定性是它的优点。内部包含一个感湿以及测温元件，并内部包含一个8位单片机。传感器串行接口都是单线的集成变得简单方便。极小的占用面积、非常低的能耗，传输距离达到20m之上，使它是各种应用场合的最好选择。总线的空闲的状态处于高电平。DHT11接收到主机的开始信号后并等待开始信号终止后，传输80us的低电平信号。主机发送出开始信号结束后，延时等侯，接受DHT11的信号。

图2所示数字温湿度传感器低电平为此时的总线状态，也就是响应的信号被DHT11发送出，以50us低电平1bit的数据开始发送。当传送完成最后的数据时，总线降低50us，而后总线变为闲暇状态。

图2 数字温湿度传感器低电平为此时的总线状态

2.2.5 液晶显示电路

本设计液晶显示我们使用的是2.8寸TFTLCD显示屏，分辨率为320×240；五种接口是通过屏上的BS0～BS2来配。试验中TFTLCD显示状态如图所示。在状态展示在面板上，其液晶屏上显示了当前的时间、PM2.5浓度、温度湿度、工作模式选择按键以及风速调节按键。其中净化模式有2种，分别为自动模式与手动模式，风扇转速有1～4四个等级可选择。

2.2.6 人机交互模块

使用扫描按键方式编写按键的相关程序，可以避免了一键多次触发。我们选择ESP8266做WiFi模块，可以与各种带WiFi功能的移动端相配对。客户端完成效果如图3、图4所示。

图3 手机app操作界面图

图4 手机app各模块信息图

2.3 净化模块

系统利用传感器监测室内空气，把采集到的数据传输给单片机，并传输至单片机，之后再根据接收到的数据调整电机的风速，使空气吸入净化空间之中，并依次经过活性炭、静电棉、冷触媒、Hepa过滤网四层净化，使得空气中的是烟雾、灰尘、细菌、过敏物质（花粉螨虫的粪便）等物质得到有效拦截。

冷触媒：起的化学反应，会把将害气体吸附同时进行分解，分解甲醛、苯、甲苯等有害气体，生成水和二氧化碳，同时冷触媒可以多次利用。冷触媒无毒无害，不会产生二次污染，也大大延长了滤网使用的寿命。

HEPA滤网：对于直径为0.3微米及以上的颗粒过滤的效率可达到99.7%，是烟雾、灰尘细菌等污染最强力的过滤材料。是目前世界上公认最为有效的材料，运用广泛。

2.4 软件模块设计

系统软件由按键处理程序、TFTLCD显示程序、WiFi连接程序、pm2.5以及温湿度传感器程序、定时中断程序、风扇电机驱动程序、模式控制程序、onenet云平台等程序组成，实现了净化功能。软件设计流程如图5所示。净化器被打开后，单片机系统先初始化，之后各传感器将检测到的温湿度及pm2.5浓度上传至stm32单片机，并在TFTLCD液晶屏上显示。一开始进行的是自动模式，单片机根据颗粒物浓度对净化效果进行提升，也可以通过手机端对其进行实时监控以及手动控制其运作。

图5 软件流程图

2.5 LD3320语音控制模块

LD3320芯片作为一款非特定的语音识别芯片，因为它的低成本，高性能，所以选用它作为模块核心，可以通过读写寄存器识别设置的拼音，并以此控制继电器的开关来达到控制净化器和加湿器的开关。

3 空气净化器系统测试

首先将空气净化器的各模块连接，连接且运行成功后检测各模块功能。本净化器的运行测试是通过按键和移动端控制stm32单片机，以观察空气的状态及数值的变化，其数值可以在TFTLCD和手机app上显示，主要有温湿度、挡位、PM2.5浓度、日期时间、手动或自动等。

本文介绍了我们小组制作的“New Life”智能wifi空气净化器。主要的功能有：通过传感器采集模块，采集室内的温湿度及粉尘浓度等空气信息，并在液晶屏上显示，同时可以通过手机云端的手动控制或者外部环境量的变化来自动调整电压从而控制风机的挡位，以实现智能化。在手机云端中显示出空气数据，并可以远程控制，此智能净化控制系统已经实现确定且稳定的运行。