0 引言

    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們?cè)絹碓街匾曌约壕幼〉纳瞽h(huán)境。然而，隨著經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展，人們?cè)谙硎墁F(xiàn)代社會(huì)發(fā)展成果的同時(shí)，也深受其所帶來的環(huán)境污染的危害^[1]。在室內(nèi)，人們?cè)趯?duì)便利、舒適生活享受的同時(shí)，也制造了各種各樣的污染物。例如空調(diào)的長(zhǎng)期使用滋生的致病細(xì)菌，粉刷墻及家具揮發(fā)的甲醛、TVOC，煤氣泄露或燃燒不充分產(chǎn)生的CO、CO₂，衛(wèi)生間人體排泄物發(fā)酵生成的NH₃和O₃等。因此，空氣凈化器應(yīng)運(yùn)而生。

    目前家用空氣凈化器種類繁多，主要放在臥室使用，大多只采集一、二種氣體的濃度值來解算空氣污染指數(shù)。若放在客廳、廚房和衛(wèi)生間等其他地方使用，由于缺少該地方主要污染氣體檢測(cè)功能，最終解算出的污染指數(shù)會(huì)有所下降，自動(dòng)凈化效率也會(huì)隨之而降。同時(shí)，這些凈化器對(duì)于室內(nèi)空氣質(zhì)量等級(jí)的評(píng)判采用的是室外空氣質(zhì)量等級(jí)的評(píng)判方法，具有片面性?；诖耍疚牟捎昧丝諝赓|(zhì)量綜合指數(shù)評(píng)判法，并應(yīng)某企業(yè)委托需求，開發(fā)了一種能夠?qū)Χ喾N室內(nèi)主要污染氣體，包括PM_2.5、PM₁₀、HCHO、TVOC、CO、CO₂、NH₃和O₃等8種氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并有效快速凈化空氣的家居用多功能空氣凈化器控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)功能分析

    控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測(cè)、凈化空氣和人機(jī)交互等三大功能。本設(shè)計(jì)采用氣體傳感器來實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測(cè)功能，使用按鍵、蜂鳴器、搖控裝置和液晶顯示器來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，通過驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使空氣加速流過凈化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)凈化功能。常見的凈化技術(shù)有HEPA和活性炭過濾吸附、光觸媒催化分解、紫外燈殺菌、負(fù)氧離子凈化、靜電除塵以及臭氧和等離子體殺菌等技術(shù)。由于靜電除塵需配置安全保護(hù)裝置且功耗大，臭氧有很強(qiáng)腐蝕性，等離子體技術(shù)復(fù)雜且不成熟、并帶有二次污染等緣故^[1]，故該系統(tǒng)未采用后三種凈化技術(shù)。將系統(tǒng)功能模塊具體化，得到如圖1所示模塊圖。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集功能

    依據(jù)功能分析，數(shù)據(jù)采集任務(wù)由PM_2.5、PM₁₀、HCHO、TVOC、CO、CO₂、NH₃和O₃等8種氣體傳感器以及溫濕度傳感器組成的傳感器陣列來完成。通過比較若干氣體傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇如表1所示的傳感器并列出相關(guān)技術(shù)參數(shù)。溫濕度傳感器型號(hào)為DHT11，是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出傳感器，量程為0 ℃～50 ℃和20%～90% RH，輸出單總線串行數(shù)據(jù)^[2，3]，有響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。傳感器陣列接口電路如圖2所示。

    不同氣敏元件的氣體傳感器接觸污染的空氣后產(chǎn)生相應(yīng)不同的信號(hào)，經(jīng)基于單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和數(shù)據(jù)解算處理，得出各污染氣體的濃度值。依據(jù)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)法，評(píng)判給出空氣質(zhì)量等級(jí)和主要污染氣體，并采取有效凈化策略進(jìn)行凈化處理。

2.2 空氣凈化功能

    為了給用戶帶來方便，系統(tǒng)提供了3種凈化模式：(1)自動(dòng)模式，電機(jī)可依人為調(diào)節(jié)工作于四級(jí)轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)占空比分別為25%、50%、75%和100%，由速度調(diào)節(jié)按鍵進(jìn)行切換；(2)自動(dòng)模式，系統(tǒng)根據(jù)空氣污染指數(shù)大小自動(dòng)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速；(3)睡眠模式，電機(jī)工作在功率最低且噪音最低狀態(tài)，即對(duì)應(yīng)一級(jí)轉(zhuǎn)速。由于凈化系統(tǒng)中，HEPA過濾網(wǎng)的風(fēng)阻大且噪音大，為解決噪音問題，查閱噪音疊加相關(guān)知識(shí)可知，若作用于某一點(diǎn)的兩個(gè)聲源聲壓級(jí)相等，其合成的總聲壓級(jí)比單個(gè)只增加了3 dB，因此可通過使用多個(gè)低分貝風(fēng)機(jī)來達(dá)到低噪音高風(fēng)量的效果。因此，本設(shè)計(jì)選用了6個(gè)DC12 V NMB渦輪離心風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)高風(fēng)壓、大風(fēng)量和低噪音的目的。風(fēng)扇額定電流0.75 A，額定轉(zhuǎn)速3 200 r/min，風(fēng)量20.5 CFM，噪音42 dB，足夠一般家庭使用。出于安全考慮，使用了L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，因其驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可驅(qū)動(dòng)46 V、2 A以下2個(gè)直流電機(jī)，且有過電流保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)卡死時(shí)，可以保護(hù)電路并防止電機(jī)燒毀，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。由于風(fēng)機(jī)只需正轉(zhuǎn)，所以L298N的控制端口IN1、IN3和IN2、IN4分別接電源和地。單片機(jī)僅輸出一路PWM脈寬調(diào)制信號(hào)便能控制電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，節(jié)省端口資源。

    在風(fēng)機(jī)離心力的作用下，污染空氣被迫進(jìn)入凈化通道，由粗效過濾網(wǎng)濾掉大顆粒物，再經(jīng)過高效過濾網(wǎng)去除細(xì)小懸浮顆粒物，通過紫外線照射致使病毒和細(xì)菌解體死亡，最后在負(fù)離子高壓放電作用下進(jìn)行進(jìn)一步的殺菌消毒。因紫外燈安裝在凈化器內(nèi)部，照射空間不大，因此選用飛利浦220 V/8 W無臭氧殺菌燈，即可滿足使用。負(fù)離子發(fā)生器選用市場(chǎng)上220 V/6頭家用小粒徑負(fù)離子發(fā)生器，該發(fā)生器價(jià)格低且易采購(gòu)。紫外燈和負(fù)離子發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)電路類似，均采用繼電器控制其電源通斷，如圖4所示。繼電器K1兩端接入殺菌燈的電源輸入端，控制電源通斷，因繼電器接入主電路的連接線路比較長(zhǎng)，容易引起干擾和感應(yīng)電等緣故，本設(shè)計(jì)采用了PC817四腳光耦器和SRD-12VDC-SL-C四腳繼電器組成的光電耦合器來對(duì)其進(jìn)行隔離，防止干擾和損壞單片機(jī)以及其他電子器件，同時(shí)通過二極管D8來卸荷繼電器斷開時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

2.3 人機(jī)交互功能

    考慮到所展示信息的全面性，顯示器需提供空氣污染指數(shù)、空氣品質(zhì)、溫濕度、凈化器的工作模式、定時(shí)時(shí)間、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、濾網(wǎng)壽命以及紫外燈和負(fù)氧離子發(fā)生器的工作狀態(tài)等信息。由于顯示的信息量并不是很大，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，選用視域大小為73×99 mm、帶字庫(kù)帶背光的LCD12864，它可顯示4行8列點(diǎn)陣漢字，同時(shí)還能顯示128×64像素以下各種大小的圖片，具有顯示信息豐富、薄而無輻射、不閃爍且能耗低、無視覺變形等優(yōu)點(diǎn)。

    為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近距離地控制凈化器，本設(shè)計(jì)選用了9個(gè)價(jià)格低且易于采購(gòu)的四腳非自鎖型按鍵開關(guān)，同時(shí)使用HX1838萬(wàn)能紅外傳感器來接收遙控信號(hào)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)、凈化模式選擇、定時(shí)、紫外燈和負(fù)氧離子發(fā)生器開關(guān)、濾網(wǎng)和紫外燈壽命重置等功能，其中開關(guān)機(jī)按鍵和紅外傳感器數(shù)據(jù)輸入采用外部中斷觸發(fā)方式，系統(tǒng)待機(jī)后，只接收按鍵和紅外遙控開關(guān)的外部中斷。在濾網(wǎng)和紫外燈壽命殆盡時(shí)，內(nèi)部定時(shí)器中斷觸發(fā)，蜂鳴器鳴響，可通過觀察顯示器上濾網(wǎng)和紫外燈的剩余壽命值來判斷需要更換的器件。

2.4 核心處理器

    根據(jù)以上分析，核心處理器需采集模擬、PWM和串口數(shù)字等3種信號(hào)，并能輸出PWM脈寬調(diào)制信號(hào)?？紤]到接口的數(shù)目、信號(hào)采集的難易程度、采集數(shù)據(jù)的精度和硬件電路復(fù)雜程度，并結(jié)合當(dāng)前微處理器發(fā)展，這里選用了STM32“增強(qiáng)型”系列的STM32F103R8T6型單片機(jī)，工作電壓3.3 V，包含2個(gè)12 bit ADC模塊可用于采集模擬量；3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)高級(jí)定時(shí)器可用于捕獲PWM輸入信號(hào)和輸出PWM脈寬調(diào)制信號(hào)；3個(gè)USART接口可用于串口通信；51個(gè)通用I/O口，均可設(shè)置為外部中斷輸入端口。其自帶的固件庫(kù)，能夠方便編程人員進(jìn)行軟件的快速開發(fā)，是目前單片機(jī)領(lǐng)域的主流。

2.5 電源電路

    在整個(gè)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)工作電壓3.3 V，風(fēng)機(jī)和繼電器12 V，其他器件5 V，因此需設(shè)計(jì)合理的電源電路來給控制系統(tǒng)提供電能。考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)性，本文選擇了有過載過壓保護(hù)功能的、型號(hào)為S-60-12的開關(guān)電源，用來將AC220V市電轉(zhuǎn)換為DC12V，并通過ASM1117系列芯片將12 V電壓依次降壓到5 V和3.3 V。轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

    控制系統(tǒng)接通電源后，初始化進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，由按鍵和遙控器上的電源開關(guān)確定是否開啟凈化器。凈化器開啟后，進(jìn)入主循環(huán)，讀取上次關(guān)機(jī)前存儲(chǔ)在Flash中的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，并進(jìn)行信號(hào)采集和解算處理，隨后開啟內(nèi)部定時(shí)中斷。若有中斷產(chǎn)生，則執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序，否則執(zhí)行按鍵掃描程序。按鍵掃描程序運(yùn)行結(jié)束后所調(diào)整的系統(tǒng)工作狀態(tài)以及其他相關(guān)參數(shù)由顯示程序調(diào)用顯示，同時(shí)被保存到Flash當(dāng)中，防止系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)丟失。主程序流程如圖6所示。

    數(shù)據(jù)采集處理時(shí)，單片機(jī)通過ADC、定時(shí)器和串口模塊將接收的模擬量和數(shù)字量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓值，根據(jù)傳感器廠商提供的輸出電壓與氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系解算出相應(yīng)氣體濃度值，并最終解算出綜合污染指數(shù)I和污染指數(shù)最大的氣體。目前, 用來進(jìn)行室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)的方法有很多，如動(dòng)態(tài)模式法、灰色理論法、模糊數(shù)學(xué)法等，這些方法都存在一些不足之處。而采用室外空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法又顯得不太合理，因此本文采用了綜合指數(shù)法來評(píng)判室內(nèi)空氣質(zhì)量。該方式屬于客觀評(píng)價(jià)法［3］，不僅能全面綜合反應(yīng)室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)劣和各種污染物在污染程度上的差異，還能確定室內(nèi)空氣中的主要污染物，是較為理想的評(píng)價(jià)法。

    通過綜合指數(shù)法計(jì)算出綜合污染指數(shù)后，根據(jù)污染物濃度超標(biāo)倍數(shù)、超標(biāo)污染物種數(shù)以及不同污染物濃度對(duì)應(yīng)的環(huán)境影響程度等，將室內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)范圍進(jìn)行客觀分段，按照指數(shù)大小分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)，如表2所示。

    當(dāng)凈化器工作于自動(dòng)模式時(shí)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM占空比K與綜合污染指數(shù)I線性相關(guān)，考慮到實(shí)際凈化效能和占空比太小電機(jī)可能運(yùn)行不正常等因素，在I>2時(shí)，占空比設(shè)為100%；I<0.5時(shí)，占空比設(shè)為25%；0.5≤I≤2時(shí)，占空比設(shè)為50%I。

4 實(shí)驗(yàn)分析

    為了檢驗(yàn)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，在企業(yè)的協(xié)助下組裝了一臺(tái)背部進(jìn)風(fēng)兩側(cè)出風(fēng)的凈化器樣機(jī)，并將其置于一個(gè)30 m²的密閉室內(nèi)。系統(tǒng)上電后，顯示器正常顯示各項(xiàng)參數(shù)，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，按鍵和遙控操作靈敏，在按下自動(dòng)模式鍵的情況下，界面顯示當(dāng)前空氣綜合污染指數(shù)為0.68，空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)為良，主要污染氣體為CO₂。

    由于當(dāng)前空氣質(zhì)量良好，電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，為檢驗(yàn)使用六電機(jī)的凈化器工作于自動(dòng)模式下的凈化速率，制造了高濃度PM_2.5、CO和CO₂的環(huán)境，方法為：點(diǎn)燃一根香煙，將其迅速置于凈化器進(jìn)風(fēng)口20 cm處的地面上，1 min后將香煙迅速移出室外。在香煙置于地面的同時(shí)，每隔20 s對(duì)綜合污染指數(shù)值進(jìn)行讀取和記錄，直到空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)且該值的波動(dòng)達(dá)到平穩(wěn)。為了直觀展示綜合污染指數(shù)值的變化情況，通過MATLAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，采用interpolant插值擬合法擬合出如圖7所示的I－t關(guān)系曲線。由曲線圖可知，在初始時(shí)，綜合污染指數(shù)迅速上升，隨后迅速下降，之后雖有小范圍的起伏，但整體呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，于27 min左右降到了1.0以下，43 min左右降到了0.5以下，之后穩(wěn)定在0.5左右。可以看出，凈化器凈化空氣的速率較快。分析曲線起伏原因：初始時(shí)，由于煙氣濃度較高、污染嚴(yán)重且靠近凈化器進(jìn)風(fēng)口，綜合污染指數(shù)大幅上升，隨后出現(xiàn)迅速下降和小范圍波動(dòng)現(xiàn)象，一方面是因?yàn)閮艋鞯目焖賰艋饔茫硪环矫媸且驗(yàn)槲廴究諝獾牟粩鄶U(kuò)散效應(yīng)。45 min之后，綜合污染指數(shù)值穩(wěn)定在0.5附近，是因?yàn)榭諝赓|(zhì)量達(dá)到優(yōu)，電機(jī)轉(zhuǎn)速降至1級(jí)，凈化速率減慢，但從記錄數(shù)據(jù)來看，綜合污染指數(shù)值仍有緩慢下降趨勢(shì)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，噪音分貝儀所檢測(cè)的噪音為35～60 dB（2類，適合居住區(qū)），而在睡眠模式下，即一級(jí)轉(zhuǎn)速時(shí)噪音僅為35～45 dB（0類，適合睡眠），噪音污染較小，滿足室內(nèi)要求。

5 結(jié)論

    本文開發(fā)了一種基于STM32的多功能空氣凈化器控制系統(tǒng)，介紹了主要功能模塊的硬件選型、電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，分析了綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量的方法，闡述了控制系統(tǒng)控制電機(jī)在四種模式下的運(yùn)行策略，基于模塊化的設(shè)計(jì)理念，使得控制系統(tǒng)可依據(jù)功能需求進(jìn)行有效裁剪封裝，以用在不同場(chǎng)合使用的凈化器上，具有良好的適應(yīng)性?？刂葡到y(tǒng)安裝于試驗(yàn)樣機(jī)上所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明：控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，使用多個(gè)低分貝風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)噪音低、風(fēng)量大、凈化速率快。

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作者信息:

張  鵬1，馮顯英1，2，霍  睿1

（1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250061；2.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250061）