基于STM32的室內換氣裝置的設計與實現

摘 要：該項目可以用于新裝修房屋的空氣成份檢測，也可用于廚房油煙檢測、衛生間的異味氣體檢測。通過各個氣體檢測器檢測這些有毒有害氣體成份之后，使用Zigbee模塊傳輸數據，匯總到主控制器中，分析結果，控制相應的風機工作狀態，保證室內空氣質量。

關鍵詞：STM32；有害氣體檢測；換氣裝置

本項目研究如何采集空氣成分中有害氣體的濃度，經過處理后根據該濃度以不同程度調節室內換氣裝置凈化空氣，從而減少或避免有害氣體對人體的傷害，實現室內空氣質量檢測和有效控制，體現國家大力提倡的節能環保理念。該系統能在建筑物各種窗戶始終關閉的情況下，通過信息化處理手段，使室內空氣始終保持潔凈，給人們提供健康和舒適的工作環境。

本項目所使用的主控芯片STM32是由意法半導體 （STMicroelectronics）集團開發的一款高性能芯片，自帶有ADC模塊和多個串口，還具有多個I2C通訊口，可以處理并分析氣體檢測模塊發來的信息。

一、室內自動換氣裝置原理

本項目系統分為五個模塊，其中四個為檢測模塊另外一個為顯示終端，每個檢測檢測模塊使用不同的傳感器分別檢測室內空氣中的VOC、CO、CO2以及氨氣等有害氣體的濃度，每個檢測模塊可以根據所采集的氣體濃度，去控制風機以達到調節空氣質量的目的。每個模塊與風機的控制關系為一對一的關系。每個檢測模塊將所采集的氣體濃度信息通過通訊模塊（Zigbee模塊）發送至顯示終端，顯示終端顯示出即時的氣體濃度信息。每個模塊中的CPU擬采用STM32F103CBT6，利用該芯片所帶的PWM控制功能去控制風機的轉速。

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二、室內自動換氣裝置的設計

1.氣體檢測傳感器。VOC傳感器采用TP-4傳感器，該傳感器對許多微量的還原氣體（或微毒性氣體分子）非常靈敏。能夠檢測二手煙、木材紙張燃燒煙霧、酒精氣體（酒精）、化妝品揮發分子，氨氣、硫化氫、氫氣、一氧化碳、丙烷、甘烷、苯乙烯、丙二醇、酚、丙酮、天那水、洗板水、殺蟲劑、涂改液、甲苯、甲醛等氣體。CO采用MQ-7氣體傳感器，該傳感器對一氧化碳的靈敏度高，是一款較低成本的傳感器。CO2傳感器采用MG811傳感器，該傳感器對CO2有良好的靈敏度和選擇性并且受溫濕度的變化影響較小，具有良好的穩定性和再現性。氨氣傳感器采用MQ-137傳感器，該傳感器可以進行定性的測量，成本相比電化學傳感器成本要低。

2.傳感器的AD采樣。所有傳感器的輸出均為模擬量，STM32

F103C8T6可將該模擬直接進行AD轉換。所有的采集模塊均采用STM32F103C8T6作為CPU，并且所有的無線通訊模塊均采用ZICM2410通訊模塊。

3.輸出模擬風機。利用12V風扇（FOXCONN 9025）來模擬風機，利用CPU輸出PWM模型來控制風機的轉速，達到抽風排氣的功能。

4.顯示終端。所有的采集模塊將信息都發送至顯示終端，顯示終端將所有的信息顯示在液晶屏上，液晶屏擬采用迪文顯示屏DMT48270M043_02W。迪文觸屏可使用串口通訊和STM32相連接并可以有一定的控制作用。

5.中央處理器STM32。由于大部分傳感器模塊輸出都為電壓信號或者經過調理電路之后的輸出也為電壓信號，故可以直接用芯片內置的ADC模塊來完成信號的采集工作。利用芯片的UART，與無線通訊模塊連接，將采集的數據進行匯總。STM32F103xB增強型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32為的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器（高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。該型號的器件包含3個通用16位定時器以及3個USART接口，內置2個16通道12位ADC模塊。利用該芯片的PWM輸出來控制裝置的風機，進行調速。由于該芯片自帶PWM輸出功能，并且還可以使用DMA的方式，保證了PWM輸出操作不占用CPU的資源。迪文顯示屏采用UART進行通訊，由于STM32F103C8T6具有3個UART，該芯片可以在接收無線通訊模塊的數據的同時控制液晶屏的顯示。利用芯片內在的看門狗監控程序的運行狀態，保證了程序的可靠性。STM32F103C8T6的運行速度為72MHz，完全可以完成該裝置的數據采集和風機控制功能。

三、硬件的調試

1.傳感器調試。TP-4傳感器、MQ-7氣體傳感器、MG811傳感器及MQ-137傳感器的輸出量均為模擬量，經過測試后，由于傳感器的輸出電壓高于CPU的電壓，所以決定將其輸出經過集成運放處理過后再作為模擬量輸入CPU再進行處理。

2.電源調試。由于傳感器提供的是模擬量，在設計電路的時候要注意數模隔離，5V電源端在使用LM1117-3.3穩壓后進行數模隔離。集成運放所用的-5V電壓由ICL7660產生，不需要另外的電源端。迪文觸摸屏的供電是3.3V-5V，3.3V為臨界啟動電壓，為了讓觸摸屏能夠正常啟動，保證輸出功率，在串口輸出端接上拉電阻。

四、軟件的調試

信號采集模塊采集到的信號由Zigbee傳輸到STM32中，經過處理后顯示到觸摸屏上。

五、結束語

現有的室內換氣系統功能單一，而且操作繁瑣，由于控制不夠精準易出現額外損耗，本室內換氣系統相對其他室內換氣系統具有更加全面，更加節能和自動化換氣的創新優點。相對其他市面產品，本項目具有監測有毒氣體，自動換氣，有機地將空間整體空氣系統的、立體化的處理，符合現代化智能房屋系統的理念。