基于單片機(jī)的辦公室用空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 中 文 摘 要</p><p>　隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的腳步不斷加快，各地方PM2.5值居高不下。針對(duì)這一現(xiàn)象，本課題以STM32單片機(jī)為控制核心，首先對(duì)國(guó)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(jì)方案；其次，根據(jù)市場(chǎng)需求及方案可行性對(duì)比，對(duì)MCU最小系統(tǒng)單元、TFT_LCD液晶顯示模塊、L298N驅(qū)動(dòng)模塊、DHT11溫濕度傳感器、SDS011

2、激光傳感器進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，搭建了完整的硬件平臺(tái)；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(duì)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(jī)控制臺(tái)操作子程序等設(shè)計(jì)；最后，進(jìn)行空氣凈化器的整體測(cè)試，據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、觸屏控制、檔位選擇、開關(guān)機(jī)設(shè)定、無線通信等功能。關(guān)鍵詞 STM32單片機(jī) 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(jì) 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(guó)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(jì)4</p><p>　　2.1 控制器總體方案設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.2 方案論證對(duì)比4</p><p>　　3 控制器硬件電路設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.2 顯示電路設(shè)計(jì)

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

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

7、1 DHT11溫濕度傳感器試驗(yàn)與調(diào)試30</p><p>　　5.2 SDS011激光傳感器試驗(yàn)與調(diào)試30</p><p>　　5.3 上位機(jī)控制器試驗(yàn)與調(diào)試31</p><p>　　5.4 試驗(yàn)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(jī)C語言主程序42</p><p>　　附錄C ：上位機(jī)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(huì)快速發(fā)展進(jìn)步的同時(shí)，空氣的污染狀況也在日益加劇。隨著國(guó)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(guó)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(shí)踐活動(dòng)。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(dòng)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(huì)活動(dòng)。研究表明，PM2.5對(duì)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(jìn)入體內(nèi)，對(duì)人體器官造成傷害。所以，檢測(cè)出室內(nèi)PM2.5濃度并進(jìn)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(duì)于長(zhǎng)時(shí)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?duì)室內(nèi)多種氣體污染和灰塵顆粒等懸浮物進(jìn)行有效的處理，通過機(jī)內(nèi)的通風(fēng)裝置使室內(nèi)空氣循環(huán)流動(dòng)，讓空氣得以凈化。所以，對(duì)空氣凈化器的研究有著十分現(xiàn)實(shí)的意義。</p><p>　　1.2 國(guó)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(chǎng)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(duì)污染的源頭進(jìn)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(guó)外很多城市處理空氣污染的主要手段。雖然控制效果不錯(cuò)，但其成本也著實(shí)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(duì)空氣中污染物進(jìn)行吸附過濾等處理?；蛘邔?duì)一些有毒的不良?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(guó)外空氣凈化器已有了發(fā)展，

13、歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家在空氣污染方面已經(jīng)有了較深的研究，尤其是對(duì)有害物體的治理有了相當(dāng)大的改善。美國(guó)在當(dāng)時(shí)是全球最大的空氣凈化器消費(fèi)國(guó)，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(jì)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(shí)代的快速到來，夏普、松下等國(guó)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(shí)，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(jìn)水平。在我國(guó)，由于抗日戰(zhàn)爭(zhēng)的緣故，起步相對(duì)較晚，直至改革開放，我國(guó)科技才有了初步的進(jìn)展。近幾年，雖然在經(jīng)濟(jì)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(duì)于其他國(guó)家有一定的差距。</p><p>　　無論在國(guó)外亦或在國(guó)內(nèi)，

15、室內(nèi)空氣凈化器是實(shí)現(xiàn)空氣凈化的最直接、便捷的儀器，盡管各國(guó)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(jī)械過濾式凈化器、機(jī)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(jī)械過濾式凈化器，是一種小型空氣過濾器，空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)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(jī)械過濾吸附式凈化器，分別采用不同的凈化機(jī)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(duì)較大的顆粒污染物效果較好，但是會(huì)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(qiáng)電場(chǎng)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(guó)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(dòng)化、人性化、智能化等方向發(fā)展?，F(xiàn)階段，市場(chǎng)上產(chǎn)品種類繁多，價(jià)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(diǎn)，設(shè)計(jì)一種功能強(qiáng)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(shí)際情況以及所學(xué)專業(yè)知識(shí)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(jì)。主要工作包括：</p><p>　　對(duì)比了國(guó)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(jì)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(jì)。包括CPU外圍電路設(shè)計(jì)、顯示電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)

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

21、;<p>　　2 控制器方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 控制器總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)所學(xué)知識(shí)及相關(guān)資料，本設(shè)計(jì)由供電電路、數(shù)據(jù)采集電路、驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路、顯示電路、上位機(jī)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(jì)中采

22、用單片機(jī)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(dòng)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(jìn)行監(jiān)測(cè)并通過無線模塊發(fā)送至上位機(jī)，而且能夠根據(jù)所測(cè)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(jī)交互界面?？傮w設(shè)計(jì)原理圖如附錄A所示。</p><p>　　2.2 方案論證對(duì)比</p><p>　　2.2.1 控制

23、模塊方案對(duì)比</p><p>　　方案一：選取STC12系列單片機(jī)作為主控芯片</p><p>　　STC12系列單片機(jī)是一種工作方式與51系類相仿，但功能略強(qiáng)的一款高速處理型單片機(jī)。工作頻率可由分頻器分頻至0-35MHZ。它的36個(gè)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(jī)快上許多。但其資源有限、處理速度相對(duì)于32系列較慢。因此，此芯片在本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)不了觸屏功能。</p><p>　　方案二：選取STM32系列單片機(jī)作為主控芯片</p><p>　　STM32系列單片機(jī)工作時(shí)最高頻率可達(dá)72MHZ，是STC12系列單片機(jī)的6-72倍。其內(nèi)部不僅集成FLASH存儲(chǔ)器更是集64K S

25、RAM存儲(chǔ)器于一體，擁有龐大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。而且，該芯片內(nèi)部含有RTC時(shí)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(shí)器連續(xù)不斷地計(jì)時(shí)。不僅如此，此類單片機(jī)還擁有5個(gè)串行通訊端，能通時(shí)支持5類串行通訊設(shè)備，是其它單片機(jī)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(qiáng)大。144個(gè)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(shí)能通過另

26、外串口將數(shù)據(jù)快速傳送至上位機(jī)。此外，該芯片能驅(qū)動(dòng)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(jì)選取STM32系列單片機(jī)作為主控芯片。</p><p>　　2.2.2 顯示模塊方案對(duì)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(diǎn)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(shí)序位置操作以及簡(jiǎn)陋的顯示效果和其無法觸控的特點(diǎn)使得其并不完全適合充當(dāng)本設(shè)計(jì)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)和方便的操作使得其滿足本設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計(jì)選取TFT_LCD液晶作為顯示模塊。</p><p>　　2.2.3 驅(qū)動(dòng)模塊方案對(duì)比</p><p>　　方案一：選取L298N作為驅(qū)動(dòng)模塊<

29、/p><p>　　L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊能將輸入電壓通過PWM控制的方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)輸出。而且，其能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)，并能給單片機(jī)提供5V電源接口。該模塊工作電流相對(duì)較大，因此，需安裝散熱片進(jìn)行散熱處理。然而其價(jià)格便宜、控制簡(jiǎn)單適合本設(shè)計(jì)中風(fēng)機(jī)的調(diào)速控制。</p><p>　　方案二：選取LM2596作為驅(qū)動(dòng)模塊</p><p>　　LM2596模塊能實(shí)現(xiàn)降壓的功能，

30、體積相對(duì)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(dòng)按鈕進(jìn)行降壓調(diào)節(jié)，若要通過電子進(jìn)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(jì)選取L298N作為驅(qū)動(dòng)模塊。</p><p>　　2.2.4 PM2.5傳感器模塊方案對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(jià)格相對(duì)比較便宜，但對(duì)PM2.5等微小顆粒的檢測(cè)不是很敏感，對(duì)本設(shè)計(jì)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(cè)量空氣中的微小顆粒，當(dāng)激光照射到懸浮顆粒物時(shí)會(huì)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P(yáng)M2.5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(jìn)制數(shù)據(jù)讀出，在單片機(jī)中簡(jiǎn)單

33、轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制即可。其數(shù)據(jù)測(cè)量精確、響應(yīng)速度快,但價(jià)格略高。</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計(jì)選取SDS011型激光PM2.5傳感器。</p><p>　　3 控制器硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)控制電路是整個(gè)控制器的中樞，起著發(fā)號(hào)施令的作用。一個(gè)性能良好的控制芯片對(duì)整個(gè)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(yùn)行效果上也格外顯著。該芯片性能強(qiáng)勁，工作頻率高，72MHz的工作頻率使得整個(gè)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(jī)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(jī)，僅僅依靠芯片本身是不行的。其往往還需要外部時(shí)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(jī)硬件電路</p><p>　　其中，晶振Y1為32.768KHz，提供外部低速時(shí)鐘，在斷電的情況下通過外接CR1120紐扣電池為RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路供電，使得其計(jì)時(shí)準(zhǔn)確；晶振Y2為8MHz，提供高速外部時(shí)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(jī)與TFT_LCD液晶同接在一個(gè)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(jī)復(fù)位電路</p><p>　　3.2 顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 TFT_LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示電路是整個(gè)控制系統(tǒng)與用戶交互的媒介，是人機(jī)交流

37、的關(guān)鍵。常用的顯示有LED、LCD等方式，根據(jù)對(duì)市面上顯示器的對(duì)比，TFT_LCD顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)</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(shí)現(xiàn)觸屏功能。我們?cè)谑忻嫔纤姷挠|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(jī)沒有集成的液晶驅(qū)動(dòng)器，因此需要借助 ILI9320驅(qū)動(dòng)芯片通過FSMC接口對(duì)液晶進(jìn)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(jiǎn)單易懂。</p><p>　　為了準(zhǔn)確有效的得到觸控位置，將電壓信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，需要一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)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(cè)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(chǔ)芯片設(shè)計(jì)</p><

41、p>　　在初始化觸控屏?xí)r需要將采集的觸控點(diǎn)通過I2C總線傳送到存儲(chǔ)芯片上，為下次初始化時(shí)免去繁瑣的校準(zhǔn)程序。在本設(shè)計(jì)中，選取AT24C02作為存儲(chǔ)芯片。該芯片為2K的串行EEPROM，可存儲(chǔ)256個(gè)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(jì)中只采用一個(gè)存儲(chǔ)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(shí)鐘引腳，為傳送數(shù)據(jù)提供時(shí)序，與單片機(jī)PB10連接。SDA為數(shù)據(jù)/地址引腳，與單片機(jī)PB11連接。其中R19、R20為上拉電阻，可增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力和電路穩(wěn)定性。</p><p>　　3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

43、</p><p>　　風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是整個(gè)控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，反映著對(duì)指令的執(zhí)行效果，風(fēng)機(jī)的可靠運(yùn)行與其驅(qū)動(dòng)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(jī)通過PWM的占空比控制L298N驅(qū)動(dòng)器的電壓輸出，使其0-12V連續(xù)可調(diào)。L298N是一種在電機(jī)控制方面常用的驅(qū)動(dòng)芯片。其內(nèi)部含有4路邏輯驅(qū)動(dòng)電路。硬件電路如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 驅(qū)動(dòng)電路硬件連接圖

44、</p><p>　　其中，L298N驅(qū)動(dòng)芯片能同時(shí)支持兩路輸入輸出。其中ENA、ENB為驅(qū)動(dòng)使能端，可由PWM控制。IN1、IN2為方向控制端，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向。OUT1、OUT2與OUT3、OUT4為兩路電壓輸出端。由于該軸流風(fēng)機(jī)為無刷直流電機(jī)，其內(nèi)部自帶換向器，因此只能輸入無任何波動(dòng)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(jìn)行濾波處理。</p><

45、;p>　　3.4 按鍵電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，采用按鍵調(diào)節(jié)方式對(duì)控制器的開關(guān)機(jī)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。由于只涉及到小時(shí)與分鐘的更改，故采用兩個(gè)獨(dú)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(jìn)入設(shè)置第三

46、級(jí)菜單后，可通過按鍵的方式設(shè)定開關(guān)機(jī)時(shí)間。</p><p>　　3.5 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5.1 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　DHT11傳感器既能測(cè)量溫度又能測(cè)量濕度，并以二進(jìn)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(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。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(shí)需要調(diào)用這些系數(shù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)

47、。其溫度測(cè)量范圍為0-50度，精度為±2度，濕度測(cè)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(gè)引腳即可，該引腳接在單片機(jī)PG11上，讀數(shù)時(shí)需通過嚴(yán)格的時(shí)序。</p><p>　

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

49、量又能測(cè)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(cè)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(jì)</p><p>　　4.1 主程序設(shè)計(jì)</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(shí)器中斷程序、數(shù)據(jù)采集程序、RTC時(shí)鐘程序、定時(shí)器中斷程序、LCD顯示程序、串口中斷程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和低功耗運(yùn)行程序共同組成[15]。各子程序經(jīng)過單片機(jī)的主程序運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)了溫濕度測(cè)量、PM2.5濃度檢測(cè)、液晶顯示、觸屏控制、模式選擇、數(shù)據(jù)傳輸與處理、

51、電機(jī)控制等功能，達(dá)到了凈化空氣、人機(jī)交互、低功耗運(yùn)行的要求。在整個(gè)程序設(shè)計(jì)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(jī)控制器開始工作，首先系統(tǒng)對(duì)所需功能進(jìn)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(jī)狀態(tài)下菜單和測(cè)量的參數(shù)以及當(dāng)前時(shí)間。當(dāng)檢

52、測(cè)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(jìn)入相應(yīng)子程序。當(dāng)“自動(dòng)控制”按鈕被選中時(shí)會(huì)進(jìn)入自動(dòng)控制程序，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量的PM2.5濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成自動(dòng)控制。當(dāng)選中“手動(dòng)控制”按鈕時(shí)，顯示手動(dòng)控制下的二級(jí)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(huì)進(jìn)入設(shè)置下的二級(jí)菜單。可選擇“開機(jī)時(shí)間”和“關(guān)機(jī)時(shí)間”兩種，在對(duì)應(yīng)的三級(jí)菜單中，均可通過按鍵設(shè)置定時(shí)時(shí)間。最后，按“確定”按鈕返回主界面。<

53、/p><p>　　與此同時(shí)，單片機(jī)的中斷子程序一直在運(yùn)行。定時(shí)器中斷處理函數(shù)用于溫濕度定時(shí)采集及顯示，并向上位機(jī)發(fā)送參數(shù)。串口1中斷函數(shù)執(zhí)行對(duì)PM2.5的采集與計(jì)算，并顯示在液晶上。串口2中斷函數(shù)將從上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)程序如附錄B所示。</p><p>　　4.2 顯示子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，用TFT_L

54、CD液晶屏顯示測(cè)量得到的參數(shù)，例如：時(shí)間、溫濕度、PM2.5濃度、時(shí)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(duì)液晶及其控制器進(jìn)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(shí)，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(jī)狀態(tài)下的菜單，否則需要經(jīng)過校準(zhǔn)程序進(jìn)行校準(zhǔn)；其次

55、，判斷LCD屏幕是否被觸摸，若檢測(cè)到，則讀取相應(yīng)觸控點(diǎn)坐標(biāo)，否則返回到待機(jī)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(dòng)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(shí)鐘使能</b><

56、/p><p>　　由于STM32單片機(jī)為每個(gè)外設(shè)的功能都設(shè)置了時(shí)鐘開關(guān)，在需要的時(shí)候打開，不需要的時(shí)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(jìn)行功能模塊時(shí)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(shí)，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(chǔ)控制器。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)通過FSMC接口控制LCD，因此，LCD相當(dāng)于片外SRAM。在FSMC初始化時(shí)，需要對(duì)地址線、數(shù)據(jù)線、寫信號(hào)、讀信號(hào)、片選信號(hào)進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　在觸摸屏初始化時(shí)，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(chǔ)器，最后判斷屏幕是否已經(jīng)校準(zhǔn)。</p><

58、;p>　　3）單片機(jī)與存儲(chǔ)器的I2C通信</p><p>　　單片機(jī)通過串行總線通信可以使硬件電路大大簡(jiǎn)化，提高可靠性。I2C總線只有兩根雙向信號(hào)線。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，兩根信號(hào)線均為高電平[6]。當(dāng)連接在總線上的任一器件變低時(shí)都能將總線的信號(hào)拉低。主機(jī)若要與某個(gè)器件通信，則必須通過總線仲裁，根據(jù)地址來決定哪個(gè)器件作為接收器。單片機(jī)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(jī)準(zhǔn)備與24C02通信時(shí)，首先產(chǎn)生起始信號(hào)，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(hào)，然后發(fā)送高地址、低地址，在信號(hào)線發(fā)出應(yīng)答信號(hào)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(shí)，當(dāng)時(shí)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(shí)鐘線為低電平時(shí)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(hào)時(shí)序如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5 起始信號(hào)與終止信號(hào)時(shí)序圖</p><p>　　起始信號(hào)程序設(shè)計(jì)：首先將信號(hào)線SCL、SDA拉高一段時(shí)間，然后將數(shù)據(jù)

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

62、號(hào)與非應(yīng)答信號(hào)時(shí)序</p><p>　　應(yīng)答信號(hào)程序設(shè)計(jì)：首先將SCL、SDA拉低，一段時(shí)間后將SCL拉高，等待時(shí)間超過4us后，將SCL拉低即產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，整個(gè)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(hào)程序設(shè)計(jì)：首先將SCL拉低、SDA拉高，一段時(shí)間后將SCL拉高，等待時(shí)間超過4us后，將SCL拉低即產(chǎn)生一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)，整個(gè)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(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送高位，再傳送地位。在每一個(gè)傳送的字節(jié)后面都會(huì)跟隨一位應(yīng)答位。當(dāng)從機(jī)接收到數(shù)據(jù)后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，如果在一段時(shí)間后，主

64、機(jī)并未收到從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，則自認(rèn)為從機(jī)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(duì)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(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，但在實(shí)際中，由于技術(shù)等原因，無法保證每次在同一點(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)保持一致，這時(shí)將會(huì)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(jìn)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L(zhǎng)CD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(gè)點(diǎn)，用戶在校準(zhǔn)的過程中需要依次按下屏幕上這四個(gè)點(diǎn)[5]。單片機(jī)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(jì)算出x_factor、y_factor、x_shift、y_shift參數(shù)，并將其保存到24C02存儲(chǔ)器中。在以后的使用中，將會(huì)按照這個(gè)參數(shù)來計(jì)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(jī)讀取四個(gè)物理坐標(biāo)（設(shè)為①、②、③、④）后，分別測(cè)量坐標(biāo)①②、②③、①③、①④距離。然后與設(shè)定的四個(gè)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(jì)中ERR_LENGTH取50。</p><p>　　4.3 PWM輸出子程序設(shè)計(jì)</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(jī)可利用定時(shí)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(shí)，首先，設(shè)置TIM3_CCR2的值，即定時(shí)器內(nèi)高低電平切換值；其次，定時(shí)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(shí)，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(yùn)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(jì)</p><p>　　4.4.1 溫濕度傳感器模塊程序設(shè)計(jì)</p><p>　　DHT11溫濕度傳感器采用單總線方式與

70、單片機(jī)進(jìn)行通信，僅僅需要一個(gè)引腳即可實(shí)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(jī)。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(yàn)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(jī)PG11引腳與傳感器DATA相連，當(dāng)

71、準(zhǔn)備與其通訊時(shí)由單片機(jī)發(fā)送開始信號(hào)。此時(shí)，傳感器將轉(zhuǎn)換成高速模式，直到主機(jī)的開始信號(hào)結(jié)束后，DHT11對(duì)單片機(jī)進(jìn)行響應(yīng)處理，同時(shí)，送出采集到的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)下一次信號(hào)的采集[8]。在采集完成后將會(huì)轉(zhuǎn)換到低速模式，等待下一次主機(jī)的開始信號(hào)。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(jī)拉低數(shù)據(jù)線，經(jīng)過一段延時(shí)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(shí)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(jī)后，由程序定義兩個(gè)數(shù)組，分別存儲(chǔ)溫度和濕度數(shù)據(jù)。在經(jīng)過簡(jiǎn)單運(yùn)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(jì)&l

73、t;/p><p>　　SDS011激光傳感器是利用激光反射原理檢測(cè)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(jī)。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(jìn)行通訊的，故初始化串口后，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)會(huì)進(jìn)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(jì)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(kuò)展接口，串行通訊線路連接簡(jiǎn)單可靠，但傳輸速度略慢。STM32F103ZET6單片機(jī)擁有5個(gè)串口，在本設(shè)計(jì)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(shí)鐘；然后將串口進(jìn)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(jìn)行中斷的配置，設(shè)置中斷分組和NVIC優(yōu)先級(jí)。</p><p>　　b）PM2.5濃度的計(jì)算：SDS011激光傳感器通過串口每次發(fā)送10位16進(jìn)制數(shù)據(jù)，依次為：報(bào)文頭+指

76、令號(hào)+數(shù)據(jù)(6字節(jié))+校驗(yàn)和+報(bào)文尾。各個(gè)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(jì)中只需測(cè)量PM2.5濃度即可，在串口中斷中其濃度計(jì)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(jī)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　為了使空氣凈化器功能更完善，人機(jī)交互更智能化，在本設(shè)計(jì)中利用Visual Studio軟件采用C#語言進(jìn)行上位機(jī)界面設(shè)計(jì)。其軟件功能如圖4.14所示。</p><p>　　圖4.14 上位機(jī)軟件顯示界面</p><p>　　該上位

78、機(jī)軟件控制界面不僅能顯示由單片機(jī)通過無線模塊傳輸過來的參數(shù)，而且可以通過上位機(jī)控制下位機(jī)的部分功能，使得本設(shè)計(jì)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(jī)傳送過來的PM2.5濃度、溫濕度等數(shù)據(jù)。通過“自動(dòng)控制”按鈕和“手動(dòng)控制”以及檔位的選擇按鈕來實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。最后，通過“關(guān)機(jī)”和“熄屏”按鈕可實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)控制器的關(guān)機(jī)操作和熄屏待機(jī)操作，達(dá)到低功耗節(jié)能

79、的目的。若要退出此上位機(jī)系統(tǒng)，點(diǎn)擊“退出”按鈕即可關(guān)閉此軟件。上位機(jī)程序如附錄C所示。</p><p>　　4.6 其它子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.6.1 RTC時(shí)鐘電路程序設(shè)計(jì)</p><p>　　STM32單片機(jī)RTC時(shí)鐘利用其內(nèi)部一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的連續(xù)計(jì)時(shí)。</p><p>　　其初始化流程如圖4.15所示。&

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

81、頻模塊與可編程計(jì)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(jìn)行秒計(jì)時(shí)?？删幊逃?jì)數(shù)器為32位計(jì)數(shù)器，按秒鐘計(jì)算可連續(xù)計(jì)時(shí)232 秒，約合136年，因此，在一般設(shè)計(jì)中，此計(jì)時(shí)時(shí)間是完全夠用的。</p><p>　　4.6.2 時(shí)間設(shè)定函數(shù)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　在待機(jī)界面下，通過觸

82、摸“設(shè)置”按鈕，可進(jìn)入相應(yīng)的二級(jí)菜單。在此狀態(tài)下，無論選中哪個(gè)按鈕，均可進(jìn)入時(shí)間設(shè)定環(huán)節(jié)。根據(jù)圖3.6所示，當(dāng)S1被按下時(shí)，PA0接入高電平，通過10ms延時(shí)消抖后，可調(diào)節(jié)開關(guān)機(jī)時(shí)間中的小時(shí)數(shù)。當(dāng)S2被按下時(shí)，PE4接入低電平，通過消抖后，可調(diào)節(jié)開關(guān)機(jī)時(shí)間中的分鐘數(shù)。當(dāng)RTC時(shí)鐘計(jì)時(shí)的時(shí)間與設(shè)定的開關(guān)機(jī)時(shí)間相等時(shí)，則進(jìn)入開關(guān)機(jī)子程序[11]。</p><p>　　4.6.3 熄屏子程序設(shè)計(jì)</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(shí)，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(shí)，通過按鍵控制背光引腳，開啟液晶顯示。因此，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，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(yàn)與調(diào)試</b></p><p>　　5.1

84、 DHT11溫濕度傳感器試驗(yàn)與調(diào)試</p><p>　　將單片機(jī)與DHT11模塊按照?qǐng)D3.7所示接線，下載測(cè)試程序后，將測(cè)量的溫濕度顯示在LCD液晶屏上。此時(shí)溫度為26度，濕度為51%。結(jié)果如圖5.1所示。</p><p>　　為了測(cè)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(yàn)前溫濕度值 圖5.2 試驗(yàn)后溫濕度值</p><p>　　經(jīng)過測(cè)量對(duì)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(cè)試程序正確。</p><p>　　5.2 SDS011激光傳感器試驗(yàn)與調(diào)試</p><p>　　將單片機(jī)與SDS011激光傳感器按照表3

86、.2所示接線，下載測(cè)試程序后，將測(cè)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(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)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(jì)算可得當(dāng)前PM2.5濃度值為36.9ug/m3。</p><

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

88、此時(shí)，串口狀態(tài)顯示為打開狀態(tài)。此時(shí)，上位機(jī)就可以與單片機(jī)進(jìn)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(jī)與下位機(jī)參數(shù)一致，無錯(cuò)數(shù)、漏數(shù)情況。并通過上位機(jī)按鈕可控制下位機(jī)的部分功能。因此可說明，用Visual Studio所編寫的上位機(jī)軟件可用。</p><p>　　圖5.4 上位機(jī)登錄系統(tǒng)界面</p><p>　　圖5.5 上位機(jī)顯示系統(tǒng)界面</p>

89、;<p>　　5.4 試驗(yàn)與調(diào)試</p><p>　　5.4.1 控制器外包裝設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中的空氣凈化器是集參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理、驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jī)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(jì)</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(gè)、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(yàn)與調(diào)試</p><p>　　在各個(gè)單元模塊調(diào)試無誤后，根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)圖將單片機(jī)與傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(shí)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(jī)圖 圖5.8 待機(jī)菜單界面</p><p>　　當(dāng)選中“自動(dòng)控制”按鈕時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)空氣中的PM2.5濃度值自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)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(yàn)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(yàn)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(duì)凈化的作用。在PM2.5濃度降到6.5ug/m3以下時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)速即可。

94、由上表可知，在自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)能夠根據(jù)所測(cè)PM2.5濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　當(dāng)選中“手動(dòng)控制”按鈕時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入此模式下的二級(jí)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(jī)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(shí)檔位并不發(fā)生任何變化。</p><p>　　圖5.9 手動(dòng)控制下二級(jí)菜單</p>

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

96、的開機(jī)時(shí)間相等時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)控制模式。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間與設(shè)定的關(guān)機(jī)時(shí)間相等時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速停止，并進(jìn)入待機(jī)模式。</p><p>　　將上位機(jī)與單片機(jī)連接后，上位機(jī)顯示界面參數(shù)與單片機(jī)液晶顯示參數(shù)一樣。通過點(diǎn)擊上位機(jī)檔位選擇按鈕，可明顯觀察到風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。當(dāng)點(diǎn)擊“熄屏”按鈕后，LCD液晶屏?xí)D時(shí)熄滅，但程序正常執(zhí)行。當(dāng)點(diǎn)擊“關(guān)機(jī)”按鈕后，LCD液晶屏幕熄滅，與此同時(shí)，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(duì)人們的生活與健康產(chǎn)生了較大的影響。對(duì)此，本文利用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)了一種PM2.5空氣凈化器，對(duì)室內(nèi)的空氣凈化有明顯效果。具體特點(diǎn)如下：</p><p>　　（1）功能強(qiáng)大。系統(tǒng)采用2.4寸彩色液晶觸摸屏，能實(shí)時(shí)顯示本地時(shí)間、PM2.5濃度以及溫濕

98、度，并可在自動(dòng)控制與手動(dòng)控制之間切換，具有定時(shí)開關(guān)機(jī)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(jī)采集的參數(shù)傳送至上位機(jī)。通過上位機(jī)同樣能控制下位機(jī)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>　?。?）操作方便。系統(tǒng)在上電時(shí)已自動(dòng)完成觸摸屏的校準(zhǔn)，在運(yùn)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(shí)

99、，該控制器通過四根可插拔的杜邦線與電源和風(fēng)機(jī)相連，系統(tǒng)既可經(jīng)過控制器進(jìn)行自動(dòng)控制，又可不經(jīng)控制器手動(dòng)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(jì)的空氣凈化器能對(duì)空氣中的PM2.5濃度以及溫濕度進(jìn)行檢測(cè)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(jì)凈化器是十分必要的，在此設(shè)計(jì)的凈化器基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)增加紫 外線殺菌、甲醛檢測(cè)與處理、防火防盜報(bào)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(bào)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(cè)研究應(yīng)用[D]. 東華理工大學(xué),

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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(diǎn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的MOCVD生長(zhǎng)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(jī)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