0 引言

    隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)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(huán)境。然而，隨著經(jīng)濟及科技的發(fā)展，人們在享受現(xiàn)代社會發(fā)展成果的同時，也深受其所帶來的環(huán)境污染的危害^[1]。在室內(nèi)，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(diào)的長期使用滋生的致病細菌，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(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功能，最終解算出的污染指數(shù)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(nèi)空氣質(zhì)量等級的評判采用的是室外空氣質(zhì)量等級的評判方法，具有片面性?；诖耍疚牟捎昧丝諝赓|(zhì)量綜合指數(shù)評判法，并應某企業(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種氣體進行實時監(jiān)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(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)功能分析

    控制系統(tǒng)應實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)人機交互功能，通過驅(qū)動風機轉(zhuǎn)動使空氣加速流過凈化系統(tǒng)來實現(xiàn)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(tǒng)未采用后三種凈化技術。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)功能實現(xiàn)與電路設計

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，選擇如表1所示的傳感器并列出相關技術參數(shù)。溫濕度傳感器型號為DHT11，是一款有已校準數(shù)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(shù)據(jù)^[2，3]，有響應超快、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)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(chǎn)生相應不同的信號，經(jīng)基于單片機系統(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，評判給出空氣質(zhì)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(tǒng)提供了3種凈化模式：(1)自動模式，電機可依人為調(diào)節(jié)工作于四級轉(zhuǎn)速，對應占空比分別為25%、50%、75%和100%，由速度調(diào)節(jié)按鍵進行切換；(2)自動模式，系統(tǒng)根據(jù)空氣污染指數(shù)大小自動改變電機轉(zhuǎn)速；(3)睡眠模式，電機工作在功率最低且噪音最低狀態(tài)，即對應一級轉(zhuǎn)速。由于凈化系統(tǒng)中，HEPA過濾網(wǎng)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(xiàn)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(zhuǎn)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(qū)動芯片來驅(qū)動風機，因其驅(qū)動能力強，可驅(qū)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(xiàn)電機卡死時，可以保護電路并防止電機燒毀，驅(qū)動電路如圖3所示。由于風機只需正轉(zhuǎn)，所以L298N的控制端口IN1、IN3和IN2、IN4分別接電源和地。單片機僅輸出一路PWM脈寬調(diào)制信號便能控制電機同時轉(zhuǎn)動，節(jié)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(wǎng)濾掉大顆粒物，再經(jīng)過高效過濾網(wǎng)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(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。負離子發(fā)生器選用市場上220 V/6頭家用小粒徑負離子發(fā)生器，該發(fā)生器價格低且易采購。紫外燈和負離子發(fā)生器的驅(qū)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(chǎn)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(shù)、空氣品質(zhì)、溫濕度、凈化器的工作模式、定時時間、風機轉(zhuǎn)速、濾網(wǎng)壽命以及紫外燈和負氧離子發(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，同時考慮到經(jīng)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(yōu)點。

    為實現(xiàn)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(xiàn)開關機、凈化模式選擇、定時、紫外燈和負氧離子發(fā)生器開關、濾網(wǎng)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(shù)據(jù)輸入采用外部中斷觸發(fā)方式，系統(tǒng)待機后，只接收按鍵和紅外遙控開關的外部中斷。在濾網(wǎng)和紫外燈壽命殆盡時，內(nèi)部定時器中斷觸發(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，并能輸出PWM脈寬調(diào)制信號。考慮到接口的數(shù)目、信號采集的難易程度、采集數(shù)據(jù)的精度和硬件電路復雜程度，并結(jié)合當前微處理器發(fā)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(diào)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(fā)，是目前單片機領域的主流。

2.5 電源電路

    在整個控制系統(tǒng)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(tǒng)提供電能?？紤]到安全性和經(jīng)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(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 軟件設計

    控制系統(tǒng)接通電源后，初始化進入待機狀態(tài)，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(huán)，讀取上次關機前存儲在Flash中的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，并進行信號采集和解算處理，隨后開啟內(nèi)部定時中斷。若有中斷產(chǎn)生，則執(zhí)行相應的中斷程序，否則執(zhí)行按鍵掃描程序。按鍵掃描程序運行結(jié)束后所調(diào)整的系統(tǒng)工作狀態(tài)以及其他相關參數(shù)由顯示程序調(diào)用顯示，同時被保存到Flash當中，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，單片機通過ADC、定時器和串口模塊將接收的模擬量和數(shù)字量轉(zhuǎn)化為相應的電壓值，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(shù)I和污染指數(shù)最大的氣體。目前, 用來進行室內(nèi)空氣品質(zhì)評價的方法有很多，如動態(tài)模式法、灰色理論法、模糊數(shù)學法等，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)法來評判室內(nèi)空氣質(zhì)量。該方式屬于客觀評價法［3］，不僅能全面綜合反應室內(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，是較為理想的評價法。

    通過綜合指數(shù)法計算出綜合污染指數(shù)后，根據(jù)污染物濃度超標倍數(shù)、超標污染物種數(shù)以及不同污染物濃度對應的環(huán)境影響程度等，將室內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)范圍進行客觀分段，按照指數(shù)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(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的PWM占空比K與綜合污染指數(shù)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(tǒng)運行穩(wěn)定性，在企業(yè)的協(xié)助下組裝了一臺背部進風兩側(cè)出風的凈化器樣機，并將其置于一個30 m²的密閉室內(nèi)。系統(tǒng)上電后，顯示器正常顯示各項參數(shù)，風機正常運轉(zhuǎn)，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(shù)為0.68，空氣質(zhì)量評價為良，主要污染氣體為CO₂。

    由于當前空氣質(zhì)量良好，電機轉(zhuǎn)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(huán)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(shù)值進行讀取和記錄，直到空氣質(zhì)量達到優(yōu)且該值的波動達到平穩(wěn)。為了直觀展示綜合污染指數(shù)值的變化情況，通過MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)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(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，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?？梢钥闯?，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(shù)大幅上升，隨后出現(xiàn)迅速下降和小范圍波動現(xiàn)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(shù)值穩(wěn)定在0.5附近，是因為空氣質(zhì)量達到優(yōu)，電機轉(zhuǎn)速降至1級，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。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(qū)），而在睡眠模式下，即一級轉(zhuǎn)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(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、電路設計和軟件設計，分析了綜合污染指數(shù)評價室內(nèi)空氣質(zhì)量的方法，闡述了控制系統(tǒng)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(tǒng)可依據(jù)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?？刂葡到y(tǒng)安裝于試驗樣機上所進行的實驗表明：控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作簡單，使用多個低分貝風機的系統(tǒng)噪音低、風量大、凈化速率快。

參考文獻

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[3] 桑穩(wěn)姣，楊松，高燕.室內(nèi)空氣品質(zhì)評價方法[J].安全與環(huán)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）