0 引言

    隨著我國經濟的飛速發展和人民生活水平的不斷提高，人們越來越重視自己居住的生活環境。然而，隨著經濟及科技的發展，人們在享受現代社會發展成果的同時，也深受其所帶來的環境污染的危害^[1]。在室內，人們在對便利、舒適生活享受的同時，也制造了各種各樣的污染物。例如空調的長期使用滋生的致病細菌，粉刷墻及家具揮發的甲醛、TVOC，煤氣泄露或燃燒不充分產生的CO、CO₂，衛生間人體排泄物發酵生成的NH₃和O₃等。因此，空氣凈化器應運而生。

    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。若放在客廳、廚房和衛生間等其他地方使用，由于缺少該地方主要污染氣體檢測功能，最終解算出的污染指數會有所下降，自動凈化效率也會隨之而降。同時，這些凈化器對于室內空氣質量等級的評判采用的是室外空氣質量等級的評判方法，具有片面性。基于此，本文采用了空氣質量綜合指數評判法，并應某企業委托需求，開發了一種能夠對多種室內主要污染氣體，包括PM_2.5、PM₁₀、HCHO、TVOC、CO、CO₂、NH₃和O₃等8種氣體進行實時監測，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。

1 控制系統功能分析

    控制系統應實現氣體濃度檢測、凈化空氣和人機交互等三大功能。本設計采用氣體傳感器來實現氣體濃度檢測功能，使用按鍵、蜂鳴器、搖控裝置和液晶顯示器來實現人機交互功能，通過驅動風機轉動使空氣加速流過凈化系統來實現凈化功能。常見的凈化技術有HEPA和活性炭過濾吸附、光觸媒催化分解、紫外燈殺菌、負氧離子凈化、靜電除塵以及臭氧和等離子體殺菌等技術。由于靜電除塵需配置安全保護裝置且功耗大，臭氧有很強腐蝕性，等離子體技術復雜且不成熟、并帶有二次污染等緣故^[1]，故該系統未采用后三種凈化技術。將系統功能模塊具體化，得到如圖1所示模塊圖。

2 系統功能實現與電路設計

2.1 數據采集功能

    依據功能分析，數據采集任務由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缺點，選擇如表1所示的傳感器并列出相關技術參數。溫濕度傳感器型號為DHT11，是一款有已校準數字信號輸出傳感器，量程為0 ℃～50 ℃和20%～90% RH，輸出單總線串行數據^[2，3]，有響應超快、抗干擾能力強、性價比極高等優點。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生相應不同的信號，經基于單片機系統構成的數據采集系統采集和數據解算處理，得出各污染氣體的濃度值。依據空氣質量綜合指數法，評判給出空氣質量等級和主要污染氣體，并采取有效凈化策略進行凈化處理。

2.2 空氣凈化功能

    為了給用戶帶來方便，系統提供了3種凈化模式：(1)自動模式，電機可依人為調節工作于四級轉速，對應占空比分別為25%、50%、75%和100%，由速度調節按鍵進行切換；(2)自動模式，系統根據空氣污染指數大小自動改變電機轉速；(3)睡眠模式，電機工作在功率最低且噪音最低狀態，即對應一級轉速。由于凈化系統中，HEPA過濾網的風阻大且噪音大，為解決噪音問題，查閱噪音疊加相關知識可知，若作用于某一點的兩個聲源聲壓級相等，其合成的總聲壓級比單個只增加了3 dB，因此可通過使用多個低分貝風機來達到低噪音高風量的效果。因此，本設計選用了6個DC12 V NMB渦輪離心風扇來實現高風壓、大風量和低噪音的目的。風扇額定電流0.75 A，額定轉速3 200 r/min，風量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電機驅動芯片來驅動風機，因其驅動能力強，可驅動46 V、2 A以下2個直流電機，且有過電流保護功能，當出現電機卡死時，可以保護電路并防止電機燒毀，驅動電路如圖3所示。由于風機只需正轉，所以L298N的控制端口IN1、IN3和IN2、IN4分別接電源和地。單片機僅輸出一路PWM脈寬調制信號便能控制電機同時轉動，節省端口資源。

    在風機離心力的作用下，污染空氣被迫進入凈化通道，由粗效過濾網濾掉大顆粒物，再經過高效過濾網去除細小懸浮顆粒物，通過紫外線照射致使病毒和細菌解體死亡，最后在負離子高壓放電作用下進行進一步的殺菌消毒。因紫外燈安裝在凈化器內部，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。負離子發生器選用市場上220 V/6頭家用小粒徑負離子發生器，該發生器價格低且易采購。紫外燈和負離子發生器的驅動電路類似，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，容易引起干擾和感應電等緣故，本設計采用了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其進行隔離，防止干擾和損壞單片機以及其他電子器件，同時通過二極管D8來卸荷繼電器斷開時產生的感應電動勢。

2.3 人機交互功能

    考慮到所展示信息的全面性，顯示器需提供空氣污染指數、空氣品質、溫濕度、凈化器的工作模式、定時時間、風機轉速、濾網壽命以及紫外燈和負氧離子發生器的工作狀態等信息。由于顯示的信息量并不是很大，同時考慮到經濟性，選用視域大小為73×99 mm、帶字庫帶背光的LCD12864，它可顯示4行8列點陣漢字，同時還能顯示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、無視覺變形等優點。

    為實現遠近距離地控制凈化器，本設計選用了9個價格低且易于采購的四腳非自鎖型按鍵開關，同時使用HX1838萬能紅外傳感器來接收遙控信號，實現開關機、凈化模式選擇、定時、紫外燈和負氧離子發生器開關、濾網和紫外燈壽命重置等功能，其中開關機按鍵和紅外傳感器數據輸入采用外部中斷觸發方式，系統待機后，只接收按鍵和紅外遙控開關的外部中斷。在濾網和紫外燈壽命殆盡時，內部定時器中斷觸發，蜂鳴器鳴響，可通過觀察顯示器上濾網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

    根據以上分析，核心處理器需采集模擬、PWM和串口數字等3種信號，并能輸出PWM脈寬調制信號。考慮到接口的數目、信號采集的難易程度、采集數據的精度和硬件電路復雜程度，并結合當前微處理器發展，這里選用了STM32“增強型”系列的STM32F103R8T6型單片機，工作電壓3.3 V，包含2個12 bit ADC模塊可用于采集模擬量；3個通用16位定時器和一個高級定時器可用于捕獲PWM輸入信號和輸出PWM脈寬調制信號；3個USART接口可用于串口通信；51個通用I/O口，均可設置為外部中斷輸入端口。其自帶的固件庫，能夠方便編程人員進行軟件的快速開發，是目前單片機領域的主流。

2.5 電源電路

    在整個控制系統中，單片機工作電壓3.3 V，風機和繼電器12 V，其他器件5 V，因此需設計合理的電源電路來給控制系統提供電能。考慮到安全性和經濟性，本文選擇了有過載過壓保護功能的、型號為S-60-12的開關電源，用來將AC220V市電轉換為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。轉換電路如圖5所示。

3 軟件設計

    控制系統接通電源后，初始化進入待機狀態，由按鍵和遙控器上的電源開關確定是否開啟凈化器。凈化器開啟后，進入主循環，讀取上次關機前存儲在Flash中的系統狀態參數，并進行信號采集和解算處理，隨后開啟內部定時中斷。若有中斷產生，則執行相應的中斷程序，否則執行按鍵掃描程序。按鍵掃描程序運行結束后所調整的系統工作狀態以及其他相關參數由顯示程序調用顯示，同時被保存到Flash當中，防止系統掉電后數據丟失。主程序流程如圖6所示。

    數據采集處理時，單片機通過ADC、定時器和串口模塊將接收的模擬量和數字量轉化為相應的電壓值，根據傳感器廠商提供的輸出電壓與氣體濃度的對應關系解算出相應氣體濃度值，并最終解算出綜合污染指數I和污染指數最大的氣體。目前, 用來進行室內空氣品質評價的方法有很多，如動態模式法、灰色理論法、模糊數學法等，這些方法都存在一些不足之處。而采用室外空氣質量指數計算方法又顯得不太合理，因此本文采用了綜合指數法來評判室內空氣質量。該方式屬于客觀評價法［3］，不僅能全面綜合反應室內空氣品質的優劣和各種污染物在污染程度上的差異，還能確定室內空氣中的主要污染物，是較為理想的評價法。

    通過綜合指數法計算出綜合污染指數后，根據污染物濃度超標倍數、超標污染物種數以及不同污染物濃度對應的環境影響程度等，將室內空氣質量指數范圍進行客觀分段，按照指數大小分為Ⅰ～Ⅴ級，如表2所示。

    當凈化器工作于自動模式時，調節電機轉速的PWM占空比K與綜合污染指數I線性相關，考慮到實際凈化效能和占空比太小電機可能運行不正常等因素，在I>2時，占空比設為100%；I<0.5時，占空比設為25%；0.5≤I≤2時，占空比設為50%I。

4 實驗分析

    為了檢驗控制系統運行穩定性，在企業的協助下組裝了一臺背部進風兩側出風的凈化器樣機，并將其置于一個30 m²的密閉室內。系統上電后，顯示器正常顯示各項參數，風機正常運轉，按鍵和遙控操作靈敏，在按下自動模式鍵的情況下，界面顯示當前空氣綜合污染指數為0.68，空氣質量評價為良，主要污染氣體為CO₂。

    由于當前空氣質量良好，電機轉速較低，為檢驗使用六電機的凈化器工作于自動模式下的凈化速率，制造了高濃度PM_2.5、CO和CO₂的環境，方法為：點燃一根香煙，將其迅速置于凈化器進風口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，每隔20 s對綜合污染指數值進行讀取和記錄，直到空氣質量達到優且該值的波動達到平穩。為了直觀展示綜合污染指數值的變化情況，通過MATLAB軟件對實驗數據進行了處理，采用interpolant插值擬合法擬合出如圖7所示的I－t關系曲線。由曲線圖可知，在初始時，綜合污染指數迅速上升，隨后迅速下降，之后雖有小范圍的起伏，但整體呈現快速下降趨勢，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，由于煙氣濃度較高、污染嚴重且靠近凈化器進風口，綜合污染指數大幅上升，隨后出現迅速下降和小范圍波動現象，一方面是因為凈化器的快速凈化作用，另一方面是因為污染空氣的不斷擴散效應。45 min之后，綜合污染指數值穩定在0.5附近，是因為空氣質量達到優，電機轉速降至1級，凈化速率減慢，但從記錄數據來看，綜合污染指數值仍有緩慢下降趨勢。在整個實驗中，噪音分貝儀所檢測的噪音為35～60 dB（2類，適合居住區），而在睡眠模式下，即一級轉速時噪音僅為35～45 dB（0類，適合睡眠），噪音污染較小，滿足室內要求。

5 結論

    本文開發了一種基于STM32的多功能空氣凈化器控制系統，介紹了主要功能模塊的硬件選型、電路設計和軟件設計，分析了綜合污染指數評價室內空氣質量的方法，闡述了控制系統控制電機在四種模式下的運行策略，基于模塊化的設計理念，使得控制系統可依據功能需求進行有效裁剪封裝，以用在不同場合使用的凈化器上，具有良好的適應性。控制系統安裝于試驗樣機上所進行的實驗表明：控制系統運行穩定、操作簡單，使用多個低分貝風機的系統噪音低、風量大、凈化速率快。

參考文獻

[1] 黃開.基于AVR單片機的柜式空氣凈化器控制系統設計與研究[D].合肥：合肥工業大學，2013.

[2] 唐洪富，張興波.基于STC系列單片機的智能溫度控制器設計[J].電子技術應用，2013，39(5)：86-88.

[3] 桑穩姣，楊松，高燕.室內空氣品質評價方法[J].安全與環境工程，2004(4)：26-28.

作者信息:

張  鵬1，馮顯英1，2，霍  睿1

（1.山東大學 機械工程學院，山東 濟南250061；2.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南250061）