基于單片機的辦公室用空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計 中 文 摘 要</p><p>　隨著我國現(xiàn)代化進程的腳步不斷加快，各地方PM2.5值居高不下。針對這一現(xiàn)象，本課題以STM32單片機為控制核心，首先對國內(nèi)外空氣凈化器做了具體分析，給出了一種電壓可調(diào)式的辦公室用空氣凈化器總體設(shè)計方案；其次，根據(jù)市場需求及方案可行性對比，對MCU最小系統(tǒng)單元、TFT_LCD液晶顯示模塊、L298N驅(qū)動模塊、DHT11溫濕度傳感器、SDS011

2、激光傳感器進行了硬件電路設(shè)計，搭建了完整的硬件平臺；再次，基于嵌入式操作系統(tǒng)采用模塊化編程的方式，完成了對主程序、顯示子程序、PWM輸出子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、上位機控制臺操作子程序等設(shè)計；最后，進行空氣凈化器的整體測試，據(jù)試驗結(jié)果可知，本設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、觸屏控制、檔位選擇、開關(guān)機設(shè)定、無線通信等功能。關(guān)鍵詞 STM32單片機 空氣凈化器 液晶顯示 激光傳感器 觸屏控制</p><p>　　畢 業(yè)

3、設(shè) 計 外 文 摘 要</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1</p><p>　　1.3 課題主要工作3&

4、lt;/p><p>　　2 控制器方案設(shè)計4</p><p>　　2.1 控制器總體方案設(shè)計4</p><p>　　2.2 方案論證對比4</p><p>　　3 控制器硬件電路設(shè)計7</p><p>　　3.1 單片機控制電路設(shè)計7</p><p>　　3.2 顯示電路設(shè)計

5、9</p><p>　　3.3 驅(qū)動電路設(shè)計12</p><p>　　3.4 按鍵電路設(shè)計13</p><p>　　3.5 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計13</p><p>　　4 控制器軟件設(shè)計16</p><p>　　4.1 主程序設(shè)計16</p><p>　　4.2 顯示子程序

6、設(shè)計16</p><p>　　4.3 PWM輸出子程序設(shè)計22</p><p>　　4.4 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計23</p><p>　　4.5 上位機程序設(shè)計27</p><p>　　4.6 其它子程序設(shè)計27</p><p>　　5 試驗與調(diào)試30</p><p>　　5.

7、1 DHT11溫濕度傳感器試驗與調(diào)試30</p><p>　　5.2 SDS011激光傳感器試驗與調(diào)試30</p><p>　　5.3 上位機控制器試驗與調(diào)試31</p><p>　　5.4 試驗與調(diào)試32</p><p><b>　　結(jié)論38</b></p><p><b

8、>　　致謝39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p>　　附錄A ：空氣凈化器主電路原理圖41</p><p>　　附錄B ：下位機C語言主程序42</p><p>　　附錄C ：上位機C#語言主程序44</p><p><b&

9、gt;　　1 引言</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及意義</p><p>　　如今，在社會快速發(fā)展進步的同時，空氣的污染狀況也在日益加劇。隨著國內(nèi)近幾年的發(fā)展，化石燃料與汽車尾氣的排放，使得我國空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降，尤其是PM2.5細(xì)小微粒成為污染物的罪魁禍?zhǔn)住Ｆ渲饕獊碜杂诖笞匀坏奶烊划a(chǎn)生和人類的實踐活動。大自然的污染主要來自于風(fēng)沙、火災(zāi)以及其它極端天氣。人類

10、活動的污染主要表現(xiàn)在汽車尾氣排放、煤炭發(fā)電廠、吸煙等社會活動。研究表明，PM2.5對人類的生活健康水平有著極其惡劣的影響，它能夠通過呼吸道進入體內(nèi)，對人體器官造成傷害。所以，檢測出室內(nèi)PM2.5濃度并進行有效的治理直接關(guān)系到人們的生活水平與身心健康。</p><p>　　因此，根據(jù)這一現(xiàn)象，市面上出現(xiàn)了越來越多的空氣凈化裝置。其中，空氣凈化器使得這一問題得以解決。對于長時間處于室內(nèi)工作的人們來說，空氣凈化器尤為重

11、要?？諝鈨艋骺梢詫κ覂?nèi)多種氣體污染和灰塵顆粒等懸浮物進行有效的處理，通過機內(nèi)的通風(fēng)裝置使室內(nèi)空氣循環(huán)流動，讓空氣得以凈化。所以，對空氣凈化器的研究有著十分現(xiàn)實的意義。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　近年來，受空氣污染的影響，空氣凈化技術(shù)蓬勃發(fā)展。由此，改善空氣質(zhì)量的方式也逐漸增多。目前，在市場上主流的凈化空氣方法主要有：源控制、通風(fēng)和空氣凈化。源控制是

12、指對污染的源頭進行控制處理，其能有效的從根本上解決空氣的污染問題，是國外很多城市處理空氣污染的主要手段。雖然控制效果不錯，但其成本也著實不低。通風(fēng)控制也能降低室內(nèi)空氣的污染程度，但其需要良好有效的控制調(diào)節(jié)裝置?？諝鈨艋侵咐梦锢砘蚧瘜W(xué)等手段對空氣中污染物進行吸附過濾等處理?；蛘邔σ恍┯卸镜牟涣?xì)怏w來說，高溫、化學(xué)滅菌也是凈化空氣的常用手段。</p><p>　　早在上世紀(jì)七、八十年代，國外空氣凈化器已有了發(fā)展，

13、歐、美等發(fā)達(dá)國家在空氣污染方面已經(jīng)有了較深的研究，尤其是對有害物體的治理有了相當(dāng)大的改善。美國在當(dāng)時是全球最大的空氣凈化器消費國，隨著第三次科技革命的到來，空氣凈化器迅速蔓延。在日本，由于特定的大氣環(huán)境，在每年的春秋到來之際，花粉過敏者不計其數(shù)，因此，空氣凈化技術(shù)蓬勃發(fā)展。但大部分凈化原理都是基于過濾網(wǎng)的物理吸附。目前，隨著智能時代的快速到來，夏普、松下等國際品牌也加入其中。在歐洲，寵物受到大眾們的歡迎。一到夏季，室內(nèi)由于寵物掉落的毛發(fā)

14、增多而使空氣受到嚴(yán)重的污染。與此同時，由于寵物本身自帶的特殊氣味或者可能的病菌等原因，使得空氣污染源變得復(fù)雜。因此，這一現(xiàn)象迫使其空氣凈化裝置的發(fā)展。如今，其空氣凈化方法眾多，技術(shù)處于全球先進水平。在我國，由于抗日戰(zhàn)爭的緣故，起步相對較晚，直至改革開放，我國科技才有了初步的進展。近幾年，雖然在經(jīng)濟發(fā)展上取得了舉世矚目的成果，但在空氣清潔方面卻相對于其他國家有一定的差距。</p><p>　　無論在國外亦或在國內(nèi)，

15、室內(nèi)空氣凈化器是實現(xiàn)空氣凈化的最直接、便捷的儀器，盡管各國發(fā)展歷程不盡相似，但從目前來看，空氣凈化器產(chǎn)品主要有以下幾種：機械過濾式凈化器、機械過濾吸附式凈化器、靜電式凈化器、負(fù)離子凈化器[21]、紫外光空氣凈化器等。</p><p>　　機械過濾式凈化器，是一種小型空氣過濾器，空氣經(jīng)風(fēng)機加壓，通過過濾材料，從而凈化顆粒污染物，只能除去一定大小的顆粒污染物，總體凈化效果不佳。</p><p>

16、;　　機械過濾吸附式凈化器，分別采用不同的凈化機理取出顆粒污染物和氣態(tài)污染物，這種凈化器將普通空氣過濾技術(shù)與活性炭吸附技術(shù)結(jié)合起來，總體上改善了凈化性能，但活性炭存在吸附飽和狀態(tài)，比較麻煩，因而沒有得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　靜電式凈化器，是一種靜電式空氣過濾器，對較大的顆粒污染物效果較好，但是會產(chǎn)生臭氧等二次污染物，正被逐步淘汰。</p><p>　　負(fù)離子凈化器，負(fù)離子凈化器是

17、目前被廣泛使用的一種凈化器，通過強電場產(chǎn)生負(fù)離子與顆粒污染物結(jié)合形成“重離子”，沉降或吸附在物體表面，并能殺滅細(xì)菌，凈化效果良好，但是，這種空氣凈化器同樣能產(chǎn)生臭氧，造成二次污染。</p><p>　　紫外光空氣凈化器，是利用了紫外線的原理通過紫外線的照射，穿透微生物的細(xì)胞膜，破壞各種病菌，細(xì)菌，寄生蟲以及其他致病體的DNA結(jié)構(gòu)，毀滅其核酸分子鍵，使細(xì)菌當(dāng)即死亡或不能繁殖后代，從而達(dá)到消毒滅菌的作用[21]。&l

18、t;/p><p>　　無論如何，雖然各國空氣凈化器發(fā)展均有不同，但總體來說，凈化器種類正趨向于自動化、人性化、智能化等方向發(fā)展?，F(xiàn)階段，市場上產(chǎn)品種類繁多，價格混亂，雖然外觀各有不同，但真正的凈化效果卻大同小異。本文將以凈化空氣中PM2.5污染為起點，設(shè)計一種功能強大、操作方便、凈化效果良好的空氣凈化器。</p><p>　　1.3 課題主要工作</p><p>　　

19、本課題根據(jù)辦公室工作環(huán)境的實際情況以及所學(xué)專業(yè)知識完成了一款適合教師在辦公室使用的新型空氣凈化器控制系統(tǒng)的設(shè)計。主要工作包括：</p><p>　　對比了國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?，提出了本課題的總體設(shè)計方案及功能模塊的選擇。包括控制模塊的選擇、顯示模塊的選擇、數(shù)據(jù)采集模塊的選擇等。</p><p>　　完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。包括CPU外圍電路設(shè)計、顯示電路設(shè)計、驅(qū)動電路設(shè)

20、計、各傳感器接口電路設(shè)計等，搭建了一套完整的硬件平臺。</p><p>　　完成了系統(tǒng)的軟件程序及界面設(shè)計。包括主程序設(shè)計、各子程序設(shè)計以及上位機界面的程序處理算法的研究。</p><p>　　對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行了全面的測試。包括待機顯示界面、溫濕度采集、空氣質(zhì)量檢測、檔位切換、開關(guān)機設(shè)定以及無線通信等功能。經(jīng)分析試驗結(jié)果可知，本課題設(shè)計的空氣凈化器滿足實際工作的要求。</p>

21、;<p>　　2 控制器方案設(shè)計</p><p>　　2.1 控制器總體方案設(shè)計</p><p>　　根據(jù)所學(xué)知識及相關(guān)資料，本設(shè)計由供電電路、數(shù)據(jù)采集電路、驅(qū)動電路、按鍵電路、顯示電路、上位機控制電路六部分組成。系統(tǒng)總體方案如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 空氣凈化器總體方案</p><p>　　本設(shè)計中采

22、用單片機作為空氣凈化器的控制核心[14]。結(jié)合傳感器、顯示器、驅(qū)動器以及無線收發(fā)器等重要部件共同完成了控制系統(tǒng)所要求的功能。該空氣凈化器能夠?qū)κ覂?nèi)PM2.5濃度以及溫濕度進行監(jiān)測并通過無線模塊發(fā)送至上位機，而且能夠根據(jù)所測參數(shù)做出相應(yīng)的處理措施。具有良好的節(jié)能效果和人機交互界面。總體設(shè)計原理圖如附錄A所示。</p><p>　　2.2 方案論證對比</p><p>　　2.2.1 控制

23、模塊方案對比</p><p>　　方案一：選取STC12系列單片機作為主控芯片</p><p>　　STC12系列單片機是一種工作方式與51系類相仿，但功能略強的一款高速處理型單片機。工作頻率可由分頻器分頻至0-35MHZ。它的36個通用I/O口可通過程序設(shè)置成四種輸入輸出模式。</p><p>　　該芯片有貼片和直插兩種封裝類型。擁有PCA高速輸出功能，處理速度比

24、51系列單片機快上許多。但其資源有限、處理速度相對于32系列較慢。因此，此芯片在本設(shè)計中有些力不從心。最重要的是該芯片無法支持TFT_LCD液晶的顯示，更實現(xiàn)不了觸屏功能。</p><p>　　方案二：選取STM32系列單片機作為主控芯片</p><p>　　STM32系列單片機工作時最高頻率可達(dá)72MHZ，是STC12系列單片機的6-72倍。其內(nèi)部不僅集成FLASH存儲器更是集64K S

25、RAM存儲器于一體，擁有龐大的數(shù)據(jù)存儲功能。而且，該芯片內(nèi)部含有RTC時鐘電路，在外部有電源供電的情況下能利用系統(tǒng)內(nèi)滴答定時器連續(xù)不斷地計時。不僅如此，此類單片機還擁有5個串行通訊端，能通時支持5類串行通訊設(shè)備，是其它單片機無法比擬的。</p><p>　　該芯片不僅有高速的處理速度，而且擁有眾多的板載資源，功能十分強大。144個引腳使其足以支持任何功能。串行通訊端口使得其在讀取PM2.5傳感器數(shù)據(jù)的同時能通過另

26、外串口將數(shù)據(jù)快速傳送至上位機。此外，該芯片能驅(qū)動TFT_LCD液晶屏，具有方便快捷的控制效果。</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計選取STM32系列單片機作為主控芯片。</p><p>　　2.2.2 顯示模塊方案對比</p><p>　　方案一：選取LCD12864液晶作為顯示模塊</p><p>　　LCD12864是一種多線串行接口

27、方式的點陣形液晶顯示模塊，其分辨率為128×64[9]。既可以用來顯示字符，又可以通過中文字庫顯示漢字。但其有限的顯示字?jǐn)?shù)和復(fù)雜的時序位置操作以及簡陋的顯示效果和其無法觸控的特點使得其并不完全適合充當(dāng)本設(shè)計的顯示模塊。</p><p>　　方案二：選取TFT_LCD液晶作為顯示模塊</p><p>　　TFT_LCD液晶屏幕分辨率為320×240，16位真彩顯示，可人為

28、改變字體的顏色和大小[16-17]。在屏幕上可分行分段顯示大批量數(shù)據(jù)并可通過觸控芯片和相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)觸屏功能。雖然控制方式較復(fù)雜，但獨特的優(yōu)勢和方便的操作使得其滿足本設(shè)計的要求。</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計選取TFT_LCD液晶作為顯示模塊。</p><p>　　2.2.3 驅(qū)動模塊方案對比</p><p>　　方案一：選取L298N作為驅(qū)動模塊<

29、/p><p>　　L298N電機驅(qū)動模塊能將輸入電壓通過PWM控制的方式實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)輸出。而且，其能同時驅(qū)動兩路電機，并能給單片機提供5V電源接口。該模塊工作電流相對較大，因此，需安裝散熱片進行散熱處理。然而其價格便宜、控制簡單適合本設(shè)計中風(fēng)機的調(diào)速控制。</p><p>　　方案二：選取LM2596作為驅(qū)動模塊</p><p>　　LM2596模塊能實現(xiàn)降壓的功能，

30、體積相對較小，擁有大電容濾波電路。其輸入電壓為3-40V，輸出電壓范圍為1.5-35V連續(xù)可調(diào)。但此模塊只能通過手動按鈕進行降壓調(diào)節(jié)，若要通過電子進行調(diào)節(jié)電壓的輸出，需要增加其他控制電路，比較繁瑣。</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計選取L298N作為驅(qū)動模塊。</p><p>　　2.2.4 PM2.5傳感器模塊方案對比</p><p>　　方案一：選取GP2

31、Y1014AU粉塵傳感器</p><p>　　該模塊為夏普公司生產(chǎn)的一種粉塵煙霧傳感器，能檢測出非常細(xì)微的顆粒。裝置中通過紅外發(fā)光二極管利用反射原理檢測灰塵在空氣中的含量。模塊中心有一可供氣體流通的圓孔，使測量空氣自由流通。其輸出是與空氣中粉塵濃度成正比的電壓模擬量，需通過A/D采集后轉(zhuǎn)化成數(shù)字量顯示濃度值。雖然價格相對比較便宜，但對PM2.5等微小顆粒的檢測不是很敏感，對本設(shè)計有一定的影響。</p>

32、<p>　　方案二：選取SDS011激光傳感器</p><p>　　SDS011傳感器根據(jù)激光散射原理測量空氣中的微小顆粒，當(dāng)激光照射到懸浮顆粒物時會產(chǎn)生光散射，感光部件根據(jù)散射激光的波形判斷出顆粒物的直徑，通過不同直徑的顆粒物反射出不同形狀的波形，判斷其濃度的大小，并根據(jù)換算公式轉(zhuǎn)化成官方統(tǒng)一單位[20]。該PM2.5傳感器操作方便，通過串行通訊按照一定波特率即可將十六進制數(shù)據(jù)讀出，在單片機中簡單

33、轉(zhuǎn)換成十進制即可。其數(shù)據(jù)測量精確、響應(yīng)速度快,但價格略高。</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計選取SDS011型激光PM2.5傳感器。</p><p>　　3 控制器硬件電路設(shè)計</p><p>　　3.1 單片機控制電路設(shè)計</p><p>　　單片機控制電路是整個控制器的中樞，起著發(fā)號施令的作用。一個性能良好的控制芯片對整個系統(tǒng)來說

34、至關(guān)重要[10]。STM32F103ZET6基于Cortex‐M3（CM3）處理器，不僅在功能上能滿足題目的要求，而且在運行效果上也格外顯著。該芯片性能強勁，工作頻率高，72MHz的工作頻率使得整個控制過程獲得更高的處理速度。完整的基于CM3的MCU還需要很多其他組件。其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　然而，要想正確合理的應(yīng)用此單

35、片機，僅僅依靠芯片本身是不行的。其往往還需要外部時鐘、復(fù)位、隔離等單元電路才能工作。其硬件電路如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 單片機硬件電路</p><p>　　其中，晶振Y1為32.768KHz，提供外部低速時鐘，在斷電的情況下通過外接CR1120紐扣電池為RTC實時時鐘電路供電，使得其計時準(zhǔn)確；晶振Y2為8MHz，提供高速外部時鐘。電容C6、C7均為0.01F，在此作

36、為電源濾波；RESET為復(fù)位按鍵，此款芯片單片機與TFT_LCD液晶同接在一個復(fù)位按鍵上。復(fù)位電路如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 單片機復(fù)位電路</p><p>　　3.2 顯示電路設(shè)計</p><p>　　3.2.1 TFT_LCD液晶顯示電路設(shè)計</p><p>　　顯示電路是整個控制系統(tǒng)與用戶交互的媒介，是人機交流

37、的關(guān)鍵。常用的顯示有LED、LCD等方式，根據(jù)對市面上顯示器的對比，TFT_LCD顯示出獨特的優(yōu)勢，它不僅具有良好的畫質(zhì)，而且還可以設(shè)置成觸控模式，方便用戶操作。其硬件連接如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 TFT_LCD液晶硬件連接圖</p><p>　　圖中PF8、PF9、PF10、PB2用來實現(xiàn)對液晶觸摸屏的控制，而PB0控制LCD的背光。</p><

38、;p>　　3.2.2 TFT_LCD觸控電路設(shè)計</p><p>　　TFT_LCD液晶屏不僅支持顯示功能，而且還能通過專門的控制芯片實現(xiàn)觸屏功能。我們在市面上所見的觸摸屏最多為電阻式，而TFT_LCD 自帶的觸摸功能也屬于電阻式觸摸屏。</p><p>　　由于STM32F1O3ZET6單片機沒有集成的液晶驅(qū)動器，因此需要借助 ILI9320驅(qū)動芯片通過FSMC接口對液晶進行控制

39、。ILI9320芯片自帶顯存，擁有16位數(shù)據(jù)線，可以控制液晶顯示內(nèi)容字體的大小、顏色、顯示方向、顯示區(qū)域等[19]，使顯示功能變得簡單易懂。</p><p>　　為了準(zhǔn)確有效的得到觸控位置，將電壓信號模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，需要一個A/D轉(zhuǎn)換芯片進行控制。本設(shè)計中采用XPT2046轉(zhuǎn)換芯片，其原理框圖如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 XPT2046原理框圖</p>

40、<p>　　XPT2046是一種典型的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包含了采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口輸出等功能。當(dāng)控制觸摸屏?xí)r，可將其設(shè)置為差分模式，可有效消除外部干擾和寄生電阻帶來的測量誤差，使轉(zhuǎn)換精度更高[4]。其典型應(yīng)用如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 XPT2046典型應(yīng)用電路圖</p><p>　　3.2.3 數(shù)據(jù)存儲芯片設(shè)計</p><

41、p>　　在初始化觸控屏?xí)r需要將采集的觸控點通過I2C總線傳送到存儲芯片上，為下次初始化時免去繁瑣的校準(zhǔn)程序。在本設(shè)計中，選取AT24C02作為存儲芯片。該芯片為2K的串行EEPROM，可存儲256個8位字節(jié)。其硬件連接如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 24C02硬件連接圖</p><p>　　其管腳功能如表3.1所示。</p><p>　　表3

42、.1 24C02管腳功能</p><p>　　如上所示， 由于本設(shè)計中只采用一個存儲器來保存校準(zhǔn)的參數(shù)，因此為了連接方便，將A0、A1、A2引腳直接接地，使該芯片的地址為0X00。SCL為串行時鐘引腳，為傳送數(shù)據(jù)提供時序，與單片機PB10連接。SDA為數(shù)據(jù)/地址引腳，與單片機PB11連接。其中R19、R20為上拉電阻，可增強驅(qū)動能力和電路穩(wěn)定性。</p><p>　　3.3 驅(qū)動電路設(shè)計

43、</p><p>　　風(fēng)機的運轉(zhuǎn)是整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，反映著對指令的執(zhí)行效果，風(fēng)機的可靠運行與其驅(qū)動電路密切相關(guān)。變壓器將220V單相交流電變換到直流12V。單片機通過PWM的占空比控制L298N驅(qū)動器的電壓輸出，使其0-12V連續(xù)可調(diào)。L298N是一種在電機控制方面常用的驅(qū)動芯片。其內(nèi)部含有4路邏輯驅(qū)動電路。硬件電路如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 驅(qū)動電路硬件連接圖

44、</p><p>　　其中，L298N驅(qū)動芯片能同時支持兩路輸入輸出。其中ENA、ENB為驅(qū)動使能端，可由PWM控制。IN1、IN2為方向控制端，控制風(fēng)機轉(zhuǎn)向。OUT1、OUT2與OUT3、OUT4為兩路電壓輸出端。由于該軸流風(fēng)機為無刷直流電機，其內(nèi)部自帶換向器，因此只能輸入無任何波動的直流電，而輸出端輸出的電壓為占空比可調(diào)的方波，為解決這一問題，并聯(lián)了220uF的電容進行濾波處理。</p><

45、;p>　　3.4 按鍵電路設(shè)計</p><p>　　在本設(shè)計中，采用按鍵調(diào)節(jié)方式對控制器的開關(guān)機時間進行設(shè)置。由于只涉及到小時與分鐘的更改，故采用兩個獨立按鍵調(diào)節(jié)。其硬件電路如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.9 按鍵電路硬件連接圖</p><p>　　其中，S1按鍵為高電平輸入方式與PA0相連，S2按鍵為低電平輸入方式與PE4相接。在進入設(shè)置第三

46、級菜單后，可通過按鍵的方式設(shè)定開關(guān)機時間。</p><p>　　3.5 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計</p><p>　　3.5.1 溫濕度傳感器模塊設(shè)計</p><p>　　DHT11傳感器既能測量溫度又能測量濕度，并以二進制數(shù)字形態(tài)返回。其采用單線制串行接口，使硬件電路連接簡單，抗干擾能力強。內(nèi)置自校準(zhǔn)程序，將參數(shù)保存在芯片中，當(dāng)傳感器工作時需要調(diào)用這些系數(shù)進行自動校準(zhǔn)

47、。其溫度測量范圍為0-50度，精度為±2度，濕度測量范圍20%-90%，精度為±5%RH。其硬件連接如圖3.10所示。</p><p>　　圖3.10 DHT11溫濕度傳感器連接圖</p><p>　　DHT11的供電電壓為3-5V。由于采用單總線方式，故只需一個引腳即可，該引腳接在單片機PG11上，讀數(shù)時需通過嚴(yán)格的時序。</p><p>　

48、　3.5.2 PM2.5傳感器模塊設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計中選用的PM2.5傳感器，利用激光散射的原理可以精確測得空氣中的PM2.5濃度，操作簡單，集成度高，內(nèi)置散熱風(fēng)扇，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。其實物如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 PM2.5傳感器實物圖</p><p>　　該傳感器通過串口與單片機PA10，PA11相連，既能測量PM2.5含

49、量又能測量PM10濃度，只是輸出引腳不同。具體引腳定義如表3.2所示。</p><p>　　表3.2 SDSO11激光傳感器引腳定義</p><p>　　雖然此傳感器測量結(jié)果精度較高，但其工作環(huán)境、輸入輸出電流大小不可忽略，具體技術(shù)指標(biāo)如表3.3所示。</p><p>　　表3.3 PM2.5技術(shù)參考指標(biāo)</p><p>　　4 控制器

50、軟件設(shè)計</p><p>　　4.1 主程序設(shè)計</p><p>　　空氣凈化器控制系統(tǒng)由初始化程序、觸摸屏控制程序、按鍵處理程序、定時器中斷程序、數(shù)據(jù)采集程序、RTC時鐘程序、定時器中斷程序、LCD顯示程序、串口中斷程序、電機驅(qū)動程序和低功耗運行程序共同組成[15]。各子程序經(jīng)過單片機的主程序運算處理，實現(xiàn)了溫濕度測量、PM2.5濃度檢測、液晶顯示、觸屏控制、模式選擇、數(shù)據(jù)傳輸與處理、

51、電機控制等功能，達(dá)到了凈化空氣、人機交互、低功耗運行的要求。在整個程序設(shè)計中，采用模塊化編程的方式，使程序更加靈活，方便調(diào)用、移植、調(diào)試。具體工作流程如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 主程序工作流程圖</p><p>　　在接入電源后，單片機控制器開始工作，首先系統(tǒng)對所需功能進行初始化自檢，在完成初始化后，執(zhí)行觸摸屏掃描程序，顯示待機狀態(tài)下菜單和測量的參數(shù)以及當(dāng)前時間。當(dāng)檢

52、測到屏幕被觸摸后，系統(tǒng)根據(jù)其坐標(biāo)判斷所選擇的命令，并進入相應(yīng)子程序。當(dāng)“自動控制”按鈕被選中時會進入自動控制程序，系統(tǒng)根據(jù)測量的PM2.5濃度自動調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，完成自動控制。當(dāng)選中“手動控制”按鈕時，顯示手動控制下的二級菜單界面，里面有檔位的選擇和“返回”等按鈕。當(dāng)選中“設(shè)置”按鈕后，系統(tǒng)會進入設(shè)置下的二級菜單?？蛇x擇“開機時間”和“關(guān)機時間”兩種，在對應(yīng)的三級菜單中，均可通過按鍵設(shè)置定時時間。最后，按“確定”按鈕返回主界面。<

53、/p><p>　　與此同時，單片機的中斷子程序一直在運行。定時器中斷處理函數(shù)用于溫濕度定時采集及顯示，并向上位機發(fā)送參數(shù)。串口1中斷函數(shù)執(zhí)行對PM2.5的采集與計算，并顯示在液晶上。串口2中斷函數(shù)將從上位機接收到的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)設(shè)定指令調(diào)用相應(yīng)子函數(shù)。其下位機程序如附錄B所示。</p><p>　　4.2 顯示子程序設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計中，用TFT_L

54、CD液晶屏顯示測量得到的參數(shù)，例如：時間、溫濕度、PM2.5濃度、時間、界面等內(nèi)容。然而要想正確控制液晶顯示參數(shù)，需要對液晶及其控制器進行一系列校準(zhǔn)與設(shè)置。具體操作流程如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 液晶初始化程序流程圖</p><p>　　如上圖，在程序開始執(zhí)行時，首先，判斷液晶屏幕是否已經(jīng)通過校準(zhǔn)，若校準(zhǔn)完畢，則顯示待機狀態(tài)下的菜單，否則需要經(jīng)過校準(zhǔn)程序進行校準(zhǔn)；其次

55、，判斷LCD屏幕是否被觸摸，若檢測到，則讀取相應(yīng)觸控點坐標(biāo)，否則返回到待機狀態(tài)下的顯示界面；最后，根據(jù)所得坐標(biāo)，判斷是否在設(shè)定區(qū)域，若在，則通過ILI9320驅(qū)動器經(jīng)FSMC向LCD指定區(qū)域?qū)懨?，寫?shù)據(jù)，以達(dá)到界面切換或顯示參數(shù)的目的。</p><p><b>　　具體分析如下：</b></p><p><b>　　1）時鐘使能</b><

56、/p><p>　　由于STM32單片機為每個外設(shè)的功能都設(shè)置了時鐘開關(guān)，在需要的時候打開，不需要的時候?qū)⑵潢P(guān)閉，以達(dá)到降低能耗的作用。因此，在上電后，通過程序進行功能模塊時鐘的使能。</p><p><b>　　2）初始化</b></p><p>　　GPIO即通用輸入輸出口。在GPIO初始化時，需要將GPIO輸出類型設(shè)置成為復(fù)用推挽輸出，最大輸出

57、速度為50MHz。</p><p>　　FSMC即靜態(tài)存儲控制器。本設(shè)計中單片機通過FSMC接口控制LCD，因此，LCD相當(dāng)于片外SRAM。在FSMC初始化時，需要對地址線、數(shù)據(jù)線、寫信號、讀信號、片選信號進行設(shè)置。</p><p>　　在觸摸屏初始化時，首先初始化相關(guān)GPIO，并將其設(shè)置成為上拉模式，其次初始化24C02存儲器，最后判斷屏幕是否已經(jīng)校準(zhǔn)。</p><

58、;p>　　3）單片機與存儲器的I2C通信</p><p>　　單片機通過串行總線通信可以使硬件電路大大簡化，提高可靠性。I2C總線只有兩根雙向信號線。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時，兩根信號線均為高電平[6]。當(dāng)連接在總線上的任一器件變低時都能將總線的信號拉低。主機若要與某個器件通信，則必須通過總線仲裁，根據(jù)地址來決定哪個器件作為接收器。單片機通過I2C和24C02通信流程如圖4.3所示。</p>&l

59、t;p>　　圖4.3 I2C通信流程圖</p><p>　　如上圖，當(dāng)單片機準(zhǔn)備與24C02通信時，首先產(chǎn)生起始信號，為發(fā)送寫命令做好準(zhǔn)備，在發(fā)送完成后，等待應(yīng)答信號，然后發(fā)送高地址、低地址，在信號線發(fā)出應(yīng)答信號后，向該地址發(fā)送想要傳輸?shù)淖止?jié)，最后等待接收的應(yīng)答，完成一次數(shù)據(jù)的傳輸。</p><p>　　I2C在傳輸數(shù)據(jù)時，當(dāng)時鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定[1]。

60、只有當(dāng)時鐘線為低電平時才允許數(shù)據(jù)變化。其傳輸狀態(tài)如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 I2C數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)</p><p>　　在圖4.3中，產(chǎn)生I2C起始和終止信號時序如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5 起始信號與終止信號時序圖</p><p>　　起始信號程序設(shè)計：首先將信號線SCL、SDA拉高一段時間，然后將數(shù)據(jù)

61、線SDA拉低，等待時間超過4us后，將時鐘線拉低即可實現(xiàn)產(chǎn)生一個起始信號。</p><p>　　終止信號程序設(shè)計：首先將信號線SCL、SDA拉低一段時間，然后將時鐘線SCL拉高，等待時間超過4us后，將數(shù)據(jù)線拉高即可實現(xiàn)產(chǎn)生一個終止信號。</p><p>　　在圖4.3中，產(chǎn)生應(yīng)答信號與非應(yīng)答信號時序如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.6 I2C產(chǎn)生應(yīng)答信

62、號與非應(yīng)答信號時序</p><p>　　應(yīng)答信號程序設(shè)計：首先將SCL、SDA拉低，一段時間后將SCL拉高，等待時間超過4us后，將SCL拉低即產(chǎn)生一個應(yīng)答信號，整個過程中SDA是處于低電平狀態(tài)，在程序中以返回值“0”代替。</p><p>　　非應(yīng)答信號程序設(shè)計：首先將SCL拉低、SDA拉高，一段時間后將SCL拉高，等待時間超過4us后，將SCL拉低即產(chǎn)生一個非應(yīng)答信號，整個過程中SDA

63、是處于高電平狀態(tài)，在程序中以返回值“1”代替。</p><p>　　在圖4.3中，發(fā)送數(shù)據(jù)格式如圖4.7所示。</p><p>　　圖4.7 數(shù)據(jù)傳輸格式</p><p>　　當(dāng)主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時，先傳送高位，再傳送地位。在每一個傳送的字節(jié)后面都會跟隨一位應(yīng)答位。當(dāng)從機接收到數(shù)據(jù)后會產(chǎn)生一個應(yīng)答信號，如果在一段時間后，主

64、機并未收到從機的應(yīng)答信號，則自認(rèn)為從機已經(jīng)正確接收到數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　4）液晶屏幕校準(zhǔn)</b></p><p>　　觸摸屏為絕對坐標(biāo)系統(tǒng)，即每次的坐標(biāo)與上一次坐標(biāo)沒有任何關(guān)系。在理論上，同一點輸出的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，但在實際中，由于技術(shù)等原因，無法保證每次在同一點輸出的數(shù)據(jù)保持一致，這時將會產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。為了防止此現(xiàn)象的發(fā)生，需要通過程序進行校準(zhǔn)。然而，

65、在程序中使用的LCD坐標(biāo)通常是以像素為單位的，故需要通過程序?qū)⑽锢碜鴺?biāo)轉(zhuǎn)化為像素坐標(biāo)。轉(zhuǎn)化公式如下所示：</p><p>　　其中，LCD_X、LCD_Y為LCD上的像素橫縱坐標(biāo)。Px、Py分別為觸摸的物理坐標(biāo)。x_factor、y_factor分別為X、Y軸上的比例因子。x_shift、y_shift分別為X、Y軸上的偏移量。屏幕校準(zhǔn)流程如圖4.8所示。</p><p>　　圖4.8

66、液晶屏幕校準(zhǔn)流程圖</p><p>　　液晶屏幕校準(zhǔn)：首先，在屏幕上顯示已知坐標(biāo)的四個點，用戶在校準(zhǔn)的過程中需要依次按下屏幕上這四個點[5]。單片機根據(jù)按下的位置獲取物理坐標(biāo)，在判別坐標(biāo)合理的情況下，根據(jù)待定系數(shù)法計算出x_factor、y_factor、x_shift、y_shift參數(shù)，并將其保存到24C02存儲器中。在以后的使用中，將會按照這個參數(shù)來計算像素坐標(biāo)，達(dá)到屏幕校準(zhǔn)的目的。</p>

67、<p>　　坐標(biāo)合理判別：在單片機讀取四個物理坐標(biāo)（設(shè)為①、②、③、④）后，分別測量坐標(biāo)①②、②③、①③、①④距離。然后與設(shè)定的四個坐標(biāo)之間相應(yīng)的距離相比，若誤差小于ERR_LENGTH，則認(rèn)為此坐標(biāo)合理。在本設(shè)計中ERR_LENGTH取50。</p><p>　　4.3 PWM輸出子程序設(shè)計</p><p>　　PWM即脈沖寬度調(diào)制，將恒定的電壓調(diào)制成頻率、占空比可變的一系列

68、方波。單片機可利用定時器產(chǎn)生PWM波，并通過程序可設(shè)置輸出頻率和占空比。其PWM輸出流程如圖4.9所示。</p><p>　　圖4.9 PWM輸出流程圖</p><p>　　如上圖所示，上電后，在執(zhí)行到該子程序時，首先，設(shè)置TIM3_CCR2的值，即定時器內(nèi)高低電平切換值；其次，定時器3寄存器CR1以初始化中設(shè)置的頻率自加，當(dāng)其值大于TIM3_CCR2設(shè)置值后，輸出高電平，否則輸出低電平

69、；最后，當(dāng)CR1等于初始化中設(shè)定的上限值時，重置CR1為零，繼續(xù)循環(huán)以上程序。因此能連續(xù)不斷的輸出頻率周期一定的高低電平。在程序運行過程中，可通過設(shè)置TIM3_CCR2的值來改變輸出PWM波的占空比。</p><p>　　4.4 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計</p><p>　　4.4.1 溫濕度傳感器模塊程序設(shè)計</p><p>　　DHT11溫濕度傳感器采用單總線方式與

70、單片機進行通信，僅僅需要一個引腳即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[7]。傳感器內(nèi)部的溫濕度數(shù)據(jù)通過引腳一次性傳給單片機。其數(shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)部分。格式為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和。其引腳功能如表4.1所示。</p><p>　　表4.1 DHT11引腳功能圖</p><p>　　單片機PG11引腳與傳感器DATA相連，當(dāng)

71、準(zhǔn)備與其通訊時由單片機發(fā)送開始信號。此時，傳感器將轉(zhuǎn)換成高速模式，直到主機的開始信號結(jié)束后，DHT11對單片機進行響應(yīng)處理，同時，送出采集到的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)下一次信號的采集[8]。在采集完成后將會轉(zhuǎn)換到低速模式，等待下一次主機的開始信號。其通訊過程如圖4.10所示。</p><p>　　圖4.10 DHT11通訊過程</p><p>　　首先，由主機拉低數(shù)據(jù)線，經(jīng)過一段延時后，拉高數(shù)據(jù)線，

72、等待大概30us后讀取DHT11的響應(yīng)。在DHT發(fā)出響應(yīng)輸出后，保持一段時間，再將其拉高，這樣就可以傳輸數(shù)據(jù)了。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送至單片機后，由程序定義兩個數(shù)組，分別存儲溫度和濕度數(shù)據(jù)。在經(jīng)過簡單運算后，由液晶顯示函數(shù)顯示在TFT_LCD相應(yīng)位置。其具體流程如圖4.11所示。</p><p>　　圖4.11 DHT11工作流程圖</p><p>　　4.4.2 PM2.5傳感器模塊程序設(shè)計&l

73、t;/p><p>　　SDS011激光傳感器是利用激光反射原理檢測空氣中的PM2.5濃度值，并通過串行通訊將數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機。其工作波特率為9600。具體流程如圖4.12所示。</p><p>　　圖4.12 PM2.5傳感器工作流程圖</p><p>　　如圖所示，由于該傳感器是通過串口進行通訊的，故初始化串口后，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送時會進入串口中斷，在中斷函數(shù)中，將接收到

74、的數(shù)據(jù)保存至數(shù)組，然后根據(jù)公式計算出PM2.5的濃度并通過顯示函數(shù)將數(shù)據(jù)顯示在LCD液晶屏上。</p><p>　　a）串口通信：串口即通過串行方式通訊的擴展接口，串行通訊線路連接簡單可靠，但傳輸速度略慢。STM32F103ZET6單片機擁有5個串口，在本設(shè)計中將串口1作為PM2.5數(shù)據(jù)接收端口，其接收與發(fā)送引腳分別為PA9，PA10。初始化流程如圖4.13所示。</p><p>　　圖4

75、.13 串口初始化流程圖</p><p>　　在初始化過程中，首先初始化所用功能的時鐘；然后將串口進行復(fù)位處理，以免受外設(shè)異常的干擾；由于該傳感器傳輸速度為9600位/秒，故在串口參數(shù)初始化中將波特率設(shè)置為9600；最后進行中斷的配置，設(shè)置中斷分組和NVIC優(yōu)先級。</p><p>　　b）PM2.5濃度的計算：SDS011激光傳感器通過串口每次發(fā)送10位16進制數(shù)據(jù)，依次為：報文頭+指

76、令號+數(shù)據(jù)(6字節(jié))+校驗和+報文尾。各個具體定義如表4.2所示。</p><p>　　表4.2 激光傳感器數(shù)據(jù)說明</p><p>　　由于本設(shè)計中只需測量PM2.5濃度即可，在串口中斷中其濃度計算公式為：</p><p>　　PM2.5濃度=（PM2.5高字節(jié)×256+PM2.5低字節(jié)）/10</p><p><b>

77、;　　單位為：ug/m3</b></p><p>　　4.5 上位機程序設(shè)計</p><p>　　為了使空氣凈化器功能更完善，人機交互更智能化，在本設(shè)計中利用Visual Studio軟件采用C#語言進行上位機界面設(shè)計。其軟件功能如圖4.14所示。</p><p>　　圖4.14 上位機軟件顯示界面</p><p>　　該上位

78、機軟件控制界面不僅能顯示由單片機通過無線模塊傳輸過來的參數(shù)，而且可以通過上位機控制下位機的部分功能，使得本設(shè)計產(chǎn)品應(yīng)用方便。在打開軟件后，首先通過下拉菜單選擇合適的串口和波特率，然后打開串口，就可以在界面上收到由下位機傳送過來的PM2.5濃度、溫濕度等數(shù)據(jù)。通過“自動控制”按鈕和“手動控制”以及檔位的選擇按鈕來實現(xiàn)對下位機的控制和風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)整。最后，通過“關(guān)機”和“熄屏”按鈕可實現(xiàn)對單片機控制器的關(guān)機操作和熄屏待機操作，達(dá)到低功耗節(jié)能

79、的目的。若要退出此上位機系統(tǒng)，點擊“退出”按鈕即可關(guān)閉此軟件。上位機程序如附錄C所示。</p><p>　　4.6 其它子程序設(shè)計</p><p>　　4.6.1 RTC時鐘電路程序設(shè)計</p><p>　　STM32單片機RTC時鐘利用其內(nèi)部一個獨立的定時器，可以實現(xiàn)時鐘的連續(xù)計時。</p><p>　　其初始化流程如圖4.15所示。&

80、lt;/p><p>　　圖4.15 RTC時鐘初始化流程圖</p><p>　　在程序開始執(zhí)行時，先進行時鐘引腳的使能，然后取消備份區(qū)的寫保護，檢查是不是第一次配置時鐘，若為第一次配置時鐘，則復(fù)位備份區(qū)域開啟外部低速時鐘，設(shè)置預(yù)分頻和中斷分組，存儲到備份區(qū)。若不為第一次配置，則直接讀取備份存儲區(qū)內(nèi)的時間，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)計時。</p><p>　　RTC時鐘的核心為預(yù)分

81、頻模塊與可編程計數(shù)器構(gòu)成。通過程序?qū)㈩A(yù)分頻值設(shè)置為32767即可使外部32.768KHz的晶振分頻至1HZ，從而在程序中可產(chǎn)生1秒的TR_CLK中斷，在此中斷函數(shù)中進行秒計時?？删幊逃嫈?shù)器為32位計數(shù)器，按秒鐘計算可連續(xù)計時232 秒，約合136年，因此，在一般設(shè)計中，此計時時間是完全夠用的。</p><p>　　4.6.2 時間設(shè)定函數(shù)程序設(shè)計</p><p>　　在待機界面下，通過觸

82、摸“設(shè)置”按鈕，可進入相應(yīng)的二級菜單。在此狀態(tài)下，無論選中哪個按鈕，均可進入時間設(shè)定環(huán)節(jié)。根據(jù)圖3.6所示，當(dāng)S1被按下時，PA0接入高電平，通過10ms延時消抖后，可調(diào)節(jié)開關(guān)機時間中的小時數(shù)。當(dāng)S2被按下時，PE4接入低電平，通過消抖后，可調(diào)節(jié)開關(guān)機時間中的分鐘數(shù)。當(dāng)RTC時鐘計時的時間與設(shè)定的開關(guān)機時間相等時，則進入開關(guān)機子程序[11]。</p><p>　　4.6.3 熄屏子程序設(shè)計</p>

83、<p>　　TFT_LCD液晶顯示內(nèi)容是極其耗電的。為了節(jié)省不必要的電量消耗，使其更節(jié)能環(huán)保。因此，在凈化器工作時，設(shè)置完凈化器工作模式后，即可關(guān)閉液晶顯示，在需要更改設(shè)置時，通過按鍵控制背光引腳，開啟液晶顯示。因此，在程序設(shè)計時，熄屏操作可直接將其背光控制引腳設(shè)置為0即可。</p><p><b>　　5 試驗與調(diào)試</b></p><p>　　5.1

84、 DHT11溫濕度傳感器試驗與調(diào)試</p><p>　　將單片機與DHT11模塊按照圖3.7所示接線，下載測試程序后，將測量的溫濕度顯示在LCD液晶屏上。此時溫度為26度，濕度為51%。結(jié)果如圖5.1所示。</p><p>　　為了測量其溫濕度的變化與精度，在下載程序后，用手握住傳感器10秒，觀察溫濕度變化。10秒后，溫度為28度，濕度為89%。結(jié)果如圖5.2所示。</p>

85、<p>　　圖5.1 試驗前溫濕度值 圖5.2 試驗后溫濕度值</p><p>　　經(jīng)過測量對比可發(fā)現(xiàn)，在10秒內(nèi)，溫度變化了2度，濕度變化了38%，由此說明該模塊工作正常，測試程序正確。</p><p>　　5.2 SDS011激光傳感器試驗與調(diào)試</p><p>　　將單片機與SDS011激光傳感器按照表3

86、.2所示接線，下載測試程序后，將測量的PM2.5濃度用串口調(diào)試助手顯示出來。其結(jié)果如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3 PM2.5調(diào)試結(jié)果</p><p>　　在此，選取如圖紅框內(nèi)數(shù)據(jù)進行分析計算。根據(jù)軟件設(shè)計內(nèi)容可知，第三位是PM2.5濃度的低字節(jié)為71，第四位是PM2.5濃度的高字節(jié)為01。根據(jù)計算可得當(dāng)前PM2.5濃度值為36.9ug/m3。</p><

87、;p>　　經(jīng)對比可知，用SDS011激光傳感器測量的PM2.5濃度與當(dāng)天空氣質(zhì)量監(jiān)測的濃度相仿。由此說明該傳感器工作正常，測試程序無誤。</p><p>　　5.3 上位機控制器試驗與調(diào)試</p><p>　　打開上位機軟件，進入登錄界面，輸入用戶名和密碼后，進入顯示系統(tǒng)[12]。將電腦USB口經(jīng)無線模塊與單片機PA2、PA3相連。在選擇相應(yīng)的串口號并設(shè)置正確的波特率后，打開串口，

88、此時，串口狀態(tài)顯示為打開狀態(tài)。此時，上位機就可以與單片機進行通信。其登錄界面如圖5.4所示，顯示界面如圖5.5所示。經(jīng)觀察，上位機與下位機參數(shù)一致，無錯數(shù)、漏數(shù)情況。并通過上位機按鈕可控制下位機的部分功能。因此可說明，用Visual Studio所編寫的上位機軟件可用。</p><p>　　圖5.4 上位機登錄系統(tǒng)界面</p><p>　　圖5.5 上位機顯示系統(tǒng)界面</p>

89、;<p>　　5.4 試驗與調(diào)試</p><p>　　5.4.1 控制器外包裝設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計中的空氣凈化器是集參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動控制于一體的控制系統(tǒng)[14]。為了將各單元電路綜合固定在一起，不致于無處安放。因此設(shè)計了凈化器外包裝來解決這一問題。利用AutoCAD畫出包裝盒的平面結(jié)構(gòu)，以3mm輕木板作為材料，將其用激光雕刻機加工，拼接完成。其CAD平

90、面圖如圖5.6所示。</p><p>　　圖5.6 外包裝平面設(shè)計</p><p>　　如上所示，該包裝盒既能將空氣凈化器濾芯放入，又能有效的固定控制器、傳感器等模塊。其中下半部分由10×15個、直徑10mm的圓孔構(gòu)成，以此作為凈化器的空氣流入通道。上半部分的方孔既能作為凈化器的空氣流出通道，又能為連接的杜邦線提供方便。每一面木板周圍分布間隔相等、齒距為3mm的鋸齒，有效的增加

91、了連接部分的接觸面積，使盒子拼接起來更牢固。</p><p>　　5.4.2 綜合試驗與調(diào)試</p><p>　　在各個單元模塊調(diào)試無誤后，根據(jù)硬件電路設(shè)計圖將單片機與傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、LCD顯示模塊、串口傳輸模塊按照一定電氣規(guī)則連接后，裝入外包裝盒內(nèi)。則空氣凈化器整體樣機如圖5.7所示[18]。</p><p>　　在檢查連接無誤后，接入電源，系統(tǒng)開始正

92、常工作。LCD顯示各傳感器采集的參數(shù)和當(dāng)前時間，并顯示菜單主界面。如圖5.8所示。</p><p>　　圖5.7 空氣凈化器樣機圖 圖5.8 待機菜單界面</p><p>　　當(dāng)選中“自動控制”按鈕時，系統(tǒng)能夠根據(jù)空氣中的PM2.5濃度值自動調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速。其PM2.5濃度閾值與風(fēng)速關(guān)系如表5.1所示。</p><p>

93、;　　表5.1 PM2.5濃度閾值與風(fēng)速關(guān)系表</p><p>　　根據(jù)試驗可得表5.2中數(shù)據(jù)。</p><p>　　表5.2 PM2.5濃度與風(fēng)速試驗數(shù)據(jù)</p><p>　　雖然凈化器濾芯有一定的PM2.5凈化能力，但并不能起到絕對凈化的作用。在PM2.5濃度降到6.5ug/m3以下時，空氣質(zhì)量已達(dá)到優(yōu)，凈化器凈化效果不明顯，故在此濃度下，關(guān)閉風(fēng)機轉(zhuǎn)速即可。

94、由上表可知，在自動控制模式下，系統(tǒng)能夠根據(jù)所測PM2.5濃度自動調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速。</p><p>　　當(dāng)選中“手動控制”按鈕時，系統(tǒng)進入此模式下的二級菜單，如圖5.9所示。在此狀態(tài)下，可通過觸摸“一檔”、“二檔”、“三檔”按鈕分別控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，在設(shè)置完成后可通過觸摸“返回”按鈕返回至主界面，此時檔位并不發(fā)生任何變化。</p><p>　　圖5.9 手動控制下二級菜單</p>

95、<p>　　當(dāng)選中“設(shè)置”按鈕時，系統(tǒng)進入此模式下的二級菜單，如圖5.10所示。在此狀態(tài)下，可通過觸摸“開機時間”、“關(guān)機時間”按鈕進行開關(guān)機設(shè)置。由此進入此模式下的三級菜單，如圖5.11所示。</p><p>　　圖5.10 設(shè)置下二級菜單 圖5.11 設(shè)置下三級菜單</p><p>　　在此菜單中，可通過按鍵設(shè)定開關(guān)機時間。當(dāng)系統(tǒng)時間與設(shè)定

96、的開機時間相等時，進入自動控制模式。當(dāng)系統(tǒng)時間與設(shè)定的關(guān)機時間相等時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速停止，并進入待機模式。</p><p>　　將上位機與單片機連接后，上位機顯示界面參數(shù)與單片機液晶顯示參數(shù)一樣。通過點擊上位機檔位選擇按鈕，可明顯觀察到風(fēng)機的轉(zhuǎn)速變化。當(dāng)點擊“熄屏”按鈕后，LCD液晶屏?xí)D時熄滅，但程序正常執(zhí)行。當(dāng)點擊“關(guān)機”按鈕后，LCD液晶屏幕熄滅，與此同時，程序停止執(zhí)行，可按復(fù)位鍵重新加載。</p>

97、<p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　近年來，空氣污染日益加劇，PM2.5濃度久高不下，對人們的生活與健康產(chǎn)生了較大的影響。對此，本文利用所學(xué)的專業(yè)知識設(shè)計了一種PM2.5空氣凈化器，對室內(nèi)的空氣凈化有明顯效果。具體特點如下：</p><p>　　（1）功能強大。系統(tǒng)采用2.4寸彩色液晶觸摸屏，能實時顯示本地時間、PM2.5濃度以及溫濕

98、度，并可在自動控制與手動控制之間切換，具有定時開關(guān)機的功能。</p><p>　?。?）無線通信。系統(tǒng)通過無線收發(fā)模塊將下位機采集的參數(shù)傳送至上位機。通過上位機同樣能控制下位機工作。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，該功能在未來的家居智能化中發(fā)揮著重要作用。</p><p>　　（3）操作方便。系統(tǒng)在上電時已自動完成觸摸屏的校準(zhǔn)，在運行過程中，可直接通過觸屏改變工作狀態(tài)，避免了按鍵選擇帶來的不便。同時

99、，該控制器通過四根可插拔的杜邦線與電源和風(fēng)機相連，系統(tǒng)既可經(jīng)過控制器進行自動控制，又可不經(jīng)控制器手動調(diào)壓控制，滿足用戶的多樣化需求。</p><p>　　雖然本課題設(shè)計的空氣凈化器能對空氣中的PM2.5濃度以及溫濕度進行檢測和控制，但作為用戶凈化空氣的裝置，僅僅具有此功能是不太完美的。根據(jù)污染物種類的多樣化來設(shè)計凈化器是十分必要的，在此設(shè)計的凈化器基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)增加紫 外線殺菌、甲醛檢測與處理、防火防盜報警系統(tǒng)

100、、GSM短息收發(fā)等功能。在遇到緊急狀況下，可通過聲光報警裝置提示用戶，也可利用GSM功能向用戶發(fā)送短息求助，使產(chǎn)品更加人性化、智能化。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 郭同輝. 管道煤氣泄漏檢測研究應(yīng)用[D]. 東華理工大學(xué),

101、 2012.</p><p>　　[2] 季必文. 基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與應(yīng)用研究[D]. 北京交通大學(xué), 2012.</p><p>　　[3] 蔣由輝. 航空公司運營績效評價研究[D]. 中國民用航空飛行學(xué)院, 2012.</p><p>　　[4] 李金雷. 基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能采集終端研發(fā)[D]. 河北工業(yè)大學(xué), 2

102、013.</p><p>　　[5] 范志華. 區(qū)域火災(zāi)報警控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 西南交通大學(xué), 2014.</p><p>　　[6] 劉粉. 多標(biāo)準(zhǔn)低功耗高頻RFID讀卡模塊的研發(fā)[D]. 西安科技大學(xué), 2015.</p><p>　　[7] 翟亞芳，張?zhí)禊i. 基于AVR單片機的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微型機與應(yīng)用, 2011(11):

103、102-104.</p><p>　　[8] 肖仁偉，唐小章，康志亮. GSM田間多地點多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2014(6):90-93.</p><p>　　[9] 王國安. 機器人PID控制技術(shù)的研究[D]. 東北大學(xué), 2012.</p><p>　　[10] 趙振東. 基于USB的高頻數(shù)字波形觀測儀研究與設(shè)計[D]. 哈

104、爾濱工程大學(xué), 2006.</p><p>　　[11] 何承發(fā)，巴維真，吾勤之，魏錫智. 量熱計數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 微電子學(xué)與計算機, 1994(4):38-41.</p><p>　　[12] 王曉宇. 薄膜厚度在線測量系統(tǒng)的研制[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014.</p><p>　　[13] 黃軍友. 物聯(lián)網(wǎng)溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)研究

105、[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 2013(9):18-21.</p><p>　　[14] 任俊龍. 基于AVR單片機的空氣凈化器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 合肥工業(yè)大學(xué), 2011.</p><p>　　[15] 張啟，陸興華，張傳金. 基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化系統(tǒng)的軟件設(shè)計[J]. 科技視界, 2014(23):106-106.</p><p>　　[16]

106、 Jian shi,Mian Guo.Embedded Digital Oscilloscope Based on Stm32 and uC/OS-ll[J]. Applied Mechanics and Materials.2012,1923(190).</p><p>　　[17] Wen Gang Chen,Xiao Jie Song,Wei Liu. Design of Automated Distil

107、lation Analyzer Based on STM32[J]. Advanced Materials Research,2012,1566(433).</p><p>　　[18] 婁山林．新型負(fù)離子空氣凈化器的研制[D]. 大連理工大學(xué), 2006.</p><p>　　[19] 李田赫．InAs/GaAs自組織量子點異質(zhì)結(jié)構(gòu)的MOCVD生長及特性研究[D]. 北京郵電大學(xué),

108、2012.</p><p>　　[20] D.C. Chou, Cloud computing: a value creation model, Comput. Stand. Interfaces 38(0) (2015) 72–77.</p><p>　　[21] 姜安璽.空氣污染控制 [M].化學(xué)工業(yè)出版社 2003:255-262.</p><p>　　

109、附錄A ：空氣凈化器主電路原理圖</p><p>　　附錄B ：下位機C語言主程序</p><p>　　int main(void) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　int count_flag1=0,count_flag2=0; </p><p>　　dela