基于STM32單片機的便攜式空氣凈化器設計

魏偉，張磊，孫鵬達

（沈陽科技學院，遼寧沈陽，110167）

0 引言

近年來國內霧霾現象日益嚴重，國內多地受霧霾持續困擾，室內外空氣中的微粒、細菌、病毒和其他有害物質對人體健康構成危害，特別是對長期工作或生活在惡劣環境下的人[1]。本文設計出一種多功能便捷式空氣凈化器，在檢測空氣質量的同時還可以利用過濾層及負離子發生器改善人體吸入空氣的質量，通過物聯網芯片將實時的空氣質量傳送給服務器進行分析。本設計可根據環境選取風量調速模式，具有能耗低，維護簡單和可隨身攜帶等優點。

1 系統整體設計

本設計基于STM32單片機，由負離子發生器、微風扇、空氣過濾裝置等系統組成。微風扇使空氣流動，流動的空氣經過裝在風口的負離子發生器，將空氣不斷電離，產生大量負離子，形成負離子氣流，依次通過機內的粗濾棉、活性炭濾芯、PM2.5試紙后將各種污染物過濾或吸附，達到清潔凈化空氣的目的。

圖1 凈化空氣流程

在霧霾環境下，傳感器感知周圍空氣，通過液晶顯示屏顯示當前未凈化空氣的PM2.5值、溫度值和濕度值。通過風扇的作用，空氣先流過負離子發生器，將空氣中帶電的大顆粒吸附到鐵絲過濾網上，通過粗濾棉進行第一層過濾，活性炭網進行第二層過濾，PM2.5濾紙過濾小微粒，再通過負離子發生器凈化空氣，使人體可以呼吸到潔凈空氣。此外，本系統搭配不同類型出風口也可作為車載凈化器使用。

2 系統硬件組成

■2.1 系統主控模塊

本設計選用STM32單片機作為數據處理模塊，其對數據的處理速度快，能實時采樣PM2.5傳感器、溫濕度傳感器檢測的數據，精確計算出粉塵濃度、溫濕度，把實時數據傳輸給OLED顯示屏，具有性價比高，功耗低等特點。

■2.2 PM2.5檢測模塊

本設計采用夏普PM2.5粉灰塵傳感器GP2Y1010AU0F檢測模塊，利用光學空氣質量傳感器感應空氣中的塵埃粒子。內部的紅外線發光二極管和光電晶體管，使其能夠探測到空氣中塵埃反射光，通過檢測經過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量。該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比，通過STM32單片機的采樣數據，運用卡爾曼濾波算法精確計算出粉塵濃度，測量PM2.5的含量。

圖2 PM2.5檢測模塊電路圖

■2.3 風扇模塊

風扇作為凈化器空氣流動的動力來源，風量的大小決定凈化速度的快慢。本設計采用DC12V微型風扇，通過STM32單片機控制PWM調速，改變周期占空比大小來控制風扇端電壓，進而控制風扇的轉速。

圖3 PWM調速系統電路圖

■2.4 溫濕度檢測模塊

本設計采用數字溫濕度傳感器DHT22模塊。DHT22數字溫濕度傳感器是一款含有校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有極高的可靠性與穩定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件。此模塊和STM32單片機單線制串行通信，簡易快捷，通過STM32單片機實時校準程序，使溫度、濕度數據更加精確[2]。

■2.5 負離子發生器模塊

通過負離子發生器的脈沖振蕩電路，將低電壓通過高壓模塊升壓為直流負高壓，經過碳素纖維尖端不斷產生負直流高電暈，高速的發射出大量的電子，立刻會被空氣中的氧分子捕捉，從而形成負離子。本設計利用負離子發生器使空氣中的甲醛、苯等有害氣體發生反應，將其分解為二氧化碳和水，達到除塵、滅菌、凈化空氣的目的。

■2.6 電源模塊

本設計選用DC12V、5000mA容量鋰電池為系統供電。該電源為外部各個傳感器模塊和單片機模塊提供穩定的電壓和電流，紋波小。此外，當系統電量不足時，能通過OLED顯示屏進行低電量顯示，提示使用者及時充電。電路設計如圖4所示。

圖4 電源電路

■2.7 cc2530芯片

通信模塊選擇美國 TI 公司的 CC2530F256，其含有一個標準的增強型8051 CPU，256KB可編程閃存，8–KB RAM和先進的RF收發器，結合ZigBee協議棧，可實現強大和完整的無線通信。本設計將STM32單片機與CC2530芯片設置相同的波特率，進行串口通信，將PM2.5及溫濕度數據傳送到相鄰的服務器。

3 系統測試

將各個模塊進行連接，首先測試各個模塊運行，觀察其狀態變化，系統狀態值可以在 OLED屏幕和示波器上觀察波形顯示。最后將各個模塊組裝測試。

■3.1 風扇模塊監測

通過改變每個周期中占空比的大小來控制風扇兩端電壓的大小，進而控制風扇的轉速。本設計中占空比設定為0.25、0.5、0.75、1四個等級，通過示波器檢測STM32單片機輸出占空比。

圖5 風扇轉速檢測

■3.2 PM2.5模塊監測

對PM2.5檢測模塊進行測試，當室內無煙時液晶顯示屏顯示PM2.5值為40，室內有煙時液晶顯示屏顯示PM2.5值為250，表明該模塊檢測靈敏度高。

■3.3 溫濕度模塊監測

正常溫室15.5℃時，相對濕度為64.4%，當給溫濕度傳感器周圍添加熱源后，溫度上升為18.7℃，當給溫濕度傳感器周圍放置加濕器后，相對濕度上升到88.8%，表明溫濕度傳感器性能良好。

圖6 PM2.5檢測

■3.4 OLED顯示器模塊監測

OLED模塊與STM32單片機通過IIC實現數據的傳輸，PM2.5傳感器、溫濕度傳感器檢測的數據發送到STM32單片機進行數據的處理與分析，把處理后的數據發送給OLED顯示屏，顯示經過凈化器凈化前后的PM2.5數值和空氣的溫度、濕度。

4 結束語

通過測試，該便攜式空氣凈化器可以有效地凈化人體吸入空氣，并最大程度地減少室內外空氣中懸浮的細菌和有害氣體，同時利用物聯網技術，可以實時將戶外空氣指數上傳至服務器，進行區域互聯，為行人提供一個安全舒適的室外呼吸環境。