一种基于STM32的室内空气交换装置设计

摘 要：为实现家居室内空气的流通与洁净，以嵌入式单片机STM32为核心控制器，提出一种智能室内空气交换装置设计新方案。该系统主要由红外检测电路、CO2检测电路、易燃气体检测电路、温湿度检测电路、语音控制电路、电源电路模块、电机驱动电路、报警提醒电路及显示电路等模块构成。系统通过外围模块检测居室内的空气质量，反馈给控制器作判断，实现对易燃气体浓度、CO2浓度与温湿度的实时显示。当空气质量超过设定阈值时，发出预警提醒，并控制电机转动以改善居室内空气质量。实验结果证实该方案的正确性与可行性。

关键词：室内；单片机；空气交换；电机；阈值

中图分类号：TM383 文献标志码：A 文章编号：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

近年来，随着社会公众生活水平的不断提高，人们对居室的装饰装修日渐丰富多样，由此带来的室内的空气污染也引发了社会公众的高度关注[1-3]。居室生活是人类生活最为重要的构成部分，其空气质量直接影响着人们的身心健康与生命安全，如室内天然气泄漏可能使人中毒、室内CO2浓度超标易使人嗜睡等[4-6]。研究表明，促进空气流通是改善室内空气质量的关键[7-9]。空气交换装置依靠自身的循环系统实现室内外空气交换，是被人们广泛认可的一种能有效改善室内空气质量的装置[10-12]。目前，虽然市场上的空气交换装置种类繁多，但大多数装置的功能还比较单一，有的只能实现空气流通无空气成分检测功能，有的只能检测一种气体无预警提醒等应急处置措施。因此，设计一款可以检测空气成分并具备一定应急处置措施的多功能智能空气交换装置对于改善人们的居室环境、提高居室生活体验度有十分重要的现实意义。

基于此，本文以STM32单片机为核心控制器，提出了一种智能室内空气交换装置的制作方案。该方案依靠系统外围电气设备检测居室内的易燃气体浓度、CO2浓度与温湿度等多个影响空气质量的环境参数，送给单片机进行预处理，不仅实现了环境参数的实时检测与动态显示，还能对各项检测参数是否超过预设阈值进行动作判断，控制电机的转动以实现室内外空气交换，并赋予相应的应急处置措施。文中不仅列出了所提制作方案的系统架构，还详细分析了外围主要电路的工作原理，最后通过搭建一个简易的实验系统验证了该方案的正确性与可行性。

1 系统架构

室内空气交换装置是一个机电集成一体化相对比较高的电气设备系统。本文所提的制作方案总体架构如图1所示，系统主要由单片机、人体红外检测电路、CO2检测电路、易燃气体检测电路、温湿度检测电路、语音控制电路、电源电路、电机驱动电路、报警提醒电路及显示电路等几部分构成。其中，单片机为系统控制器，是整个制作方案的核心，根据实际功能需要，本文选用了一款具有功耗低、扩展性强、处理能力快、可移植性好等优点的嵌入式芯片STM32F103C8T6。系统在电源模块正常供电下工作，其工作原理可简要描述为，外围电路模块依靠自身传感器检测室内有无人体、易燃气体浓度、CO2浓度与温湿度等环境信息，馈送给单片机作数据处理与判断，判断结果用于驱动电机转动，以实现室内外的空气交换。图1中，显示模块主要用于实时显示居室内的空气质量，报警提醒模块主要用于应急处置，语音控制模块主要用于人为调节电机的工况。

2 主要电路设计

2.1 人体红外检测电路设计

人体红外检测电路用于检测居室内有无人体的环境，其前端是基于热释电效应的一种红外传感器[13-14]，具有结构简单、性能稳定、感应效果好且价格便宜等特点，其电路原理如图2所示。图中VCC的有效电平为3.3～5 V，电路的工作原理可以简要描述为：在有效检测范围内，当传感器检测到周围有人体时，OUT引脚将输出持续的高电平信号，并馈送至单片机的PA1引脚，单片机通过相应程序控制电机动作，以实现“人来风通”；当未检测到人或人已离开检测范围时，OUT引脚将输出持续的低电平信号，此时，电机将断电复位。

2.2 CO2检测电路

CO2检测电路主要用于检测居室内CO2的浓度，其前端选用了一款JW01 CO2传感器，具有结构简单、精度高、灵敏度好和使用方便等特点。由于JW01的工作电压为5 V，而STM32单片机的正常工作电压为3.3 V，为防止单片机烧坏，设计了一个向串口电平转换电路以匹配数据在不同电压域之间正常通信，其电路原理如图3所示。电路的工作原理可简要描述为：电源接通后，单片机PA9引脚将输出持续的低电平信号，通过电平转换电路将引脚A拉至低电平，此时， JW01传感器接收端无信号输入；当JW01传感器检测到CO2时，引脚B将输出相应的电平信号，馈送至单片机PA10引脚，若所测CO2浓度高于设置的阈值，单片机将控制电机加速转动，快速交换空气，反之电机将继续保持现有的工作状态。

2.3 易燃气体检测电路

MQ-9气敏传感器对液化气、天然气与煤气等易燃气体都有较好灵敏度[15]，具有检测稳定、使用寿命长、成本低等特点，非常适用于居室内易燃气体泄漏监测，其电路原理如图4所示。电路的工作原理可以简要描述为：当MQ-9的感应端感应到可燃气体时，感应端输出有效信号，与比较电路LM393设定阈值进行比较，当输出值高于所设阈值时，LED灯点亮的同时，信号被传输至单片机的PA8引脚，单片机将控制电机加速转动，快速实现空气交换以降低室内易燃气体的浓度。

2.4 温湿度检测电路

温湿度检测电路主要用于采集居室内的温度与湿度，选用了一款有校正数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11，它具有稳定性强、灵敏度好、性价比高等特点，其电路原理如图5所示。电路的工作原理可简要描述为：模块被正常供电后，前端传感器就会对居室内环境的温湿度进行实时检测，经自动数据校准后，以单总线序列的方式馈送给单片机PA7引脚以实现通信。

2.5 电机驱动电路

电机驱动电路主要完成吸气与排气功能，以应对室内复杂的空气状况。设计时，选用了一款具有正反转功能的直流电动机。为使电机正常工作，采用了H桥作为驱动电路，通过控制桥臂上各开关管的导通与关断来改变流经电机的电流方向，进而控制电机工况，其电路原理如图6所示。电路的工作原理可以简要描述为：单片机PB5引脚一直持续输出高电平的状态，当单片机PB6引脚输出高电平且PB7引脚输出低电平时，开关管Q1与Q4导通、Q2与Q3截止，电机正向转动；当单片机PB6引脚输出低电平且PB7引脚输出高电平时，开关管Q1与Q4截止、Q2与Q3导通，电机反向转动；当单片机PB6引脚输出低电平且PB7引脚输出低电平时，开关管Q1与Q3截止、开关管Q2与Q4导通，电机实现快速制动。

2.6 语音控制电路

语音控制电路选用了一款具有自定义词条的AI离线智能控制芯片ASR-PRO，其电路原理如图7所示。电路的工作原理可以简要描述为：使用时，用户可根据自身语言风格来设定命令词条，当ASR-PRO识别到有效词条后，将与芯片内部设定词条进行信息比对，如果比对匹配，则发出控制信号馈送至单片机对应的引脚，单片机在收到相应的电平变化后，通过所编写的相应子程序来控制电动机的转动，并同时通过扩音器进行语音播报。

2.7 报警提醒电路

报警提醒电路由1个三极管Q5与1个蜂鸣器构成，其电路原理如图8所示。电路的工作原理可以简要描述为：当居室内发生险情时，如易燃气体浓度超标，此时，单片机将通过相应程序控制PB0引脚输出电平信号，使得三极管Q5导通，蜂鸣器通电发出警报提醒声。

3 实验结果

基于上述理论分析，为进一步验证所提方案的正确性与可行性，搭建了一个简易的实验系统装置，如图9所示。实验时，假定居室环境CO2浓度未超过所设阈值，以释放丁烷气体来模拟室内空气中易燃气体超标的工况，将丁烷气体靠近MQ-9传感器的检测端，此时，显示屏的数值也会随之变化，电机两侧的实验测试波形如图10所示。调整环境状况，使装置所处环境CO2浓度超过所设阈值，其余环境条件不改变，再次进行实验，实验结果与预期相符合，其电机两侧的实验测试波形也与图10所示一致。由图10可知，当检测到居室内易燃气体浓度或CO2浓度未超过设定阈值时，电动机负极侧为低电平信号，电动机正转，处于吸气状态；当检测居室内易燃气体浓度或CO2浓度超过设定阈值时，电动机负极侧为高电平信号，电动机反转，进入排气状态。

4 结束语

本文以嵌入式单片机STM32为核心控制器，提出了一种多功能智能空气交换装置的设计方案。该方案具有CO2气体检测、可燃气体检测、人体红外检测、语音控制、温湿度检测、蜂鸣器报警与OLED显示等功能，可以帮助人们了解室内的空气状况并维持较好的室内空气环境。实验结果表明，该方案能够根据室内空气成分的实时变化而做出相应动作，从而实现室内空气的流通，并能进行语音控制，具有较好的市场前景，可以为居室内空气交换与净化装置的研发提供一定的思路与方法。

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