0 引言

    随着我国经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们越来越重视自己居住的生活环境。然而，随着经济及科技的发展，人们在享受现代社会发展成果的同时，也深受其所带来的环境污染的危害^[1]。在室内，人们在对便利、舒适生活享受的同时，也制造了各种各样的污染物。例如空调的长期使用滋生的致病细菌，粉刷墙及家具挥发的甲醛、TVOC，煤气泄露或燃烧不充分产生的CO、CO₂，卫生间人体排泄物发酵生成的NH₃和O₃等。因此，空气净化器应运而生。

    目前家用空气净化器种类繁多，主要放在卧室使用，大多只采集一、二种气体的浓度值来解算空气污染指数。若放在客厅、厨房和卫生间等其他地方使用，由于缺少该地方主要污染气体检测功能，最终解算出的污染指数会有所下降，自动净化效率也会随之而降。同时，这些净化器对于室内空气质量等级的评判采用的是室外空气质量等级的评判方法，具有片面性。基于此，本文采用了空气质量综合指数评判法，并应某企业委托需求，开发了一种能够对多种室内主要污染气体，包括PM_2.5、PM₁₀、HCHO、TVOC、CO、CO₂、NH₃和O₃等8种气体进行实时监测，并有效快速净化空气的家居用多功能空气净化器控制系统。

1 控制系统功能分析

    控制系统应实现气体浓度检测、净化空气和人机交互等三大功能。本设计采用气体传感器来实现气体浓度检测功能，使用按键、蜂鸣器、摇控装置和液晶显示器来实现人机交互功能，通过驱动风机转动使空气加速流过净化系统来实现净化功能。常见的净化技术有HEPA和活性炭过滤吸附、光触媒催化分解、紫外灯杀菌、负氧离子净化、静电除尘以及臭氧和等离子体杀菌等技术。由于静电除尘需配置安全保护装置且功耗大，臭氧有很强腐蚀性，等离子体技术复杂且不成熟、并带有二次污染等缘故^[1]，故该系统未采用后三种净化技术。将系统功能模块具体化，得到如图1所示模块图。

2 系统功能实现与电路设计

2.1 数据采集功能

    依据功能分析，数据采集任务由PM_2.5、PM₁₀、HCHO、TVOC、CO、CO₂、NH₃和O₃等8种气体传感器以及温湿度传感器组成的传感器阵列来完成。通过比较若干气体传感器的优缺点，选择如表1所示的传感器并列出相关技术参数。温湿度传感器型号为DHT11，是一款有已校准数字信号输出传感器，量程为0 ℃～50 ℃和20%～90% RH，输出单总线串行数据^[2，3]，有响应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。传感器阵列接口电路如图2所示。

    不同气敏元件的气体传感器接触污染的空气后产生相应不同的信号，经基于单片机系统构成的数据采集系统采集和数据解算处理，得出各污染气体的浓度值。依据空气质量综合指数法，评判给出空气质量等级和主要污染气体，并采取有效净化策略进行净化处理。

2.2 空气净化功能

    为了给用户带来方便，系统提供了3种净化模式：(1)自动模式，电机可依人为调节工作于四级转速，对应占空比分别为25%、50%、75%和100%，由速度调节按键进行切换；(2)自动模式，系统根据空气污染指数大小自动改变电机转速；(3)睡眠模式，电机工作在功率最低且噪音最低状态，即对应一级转速。由于净化系统中，HEPA过滤网的风阻大且噪音大，为解决噪音问题，查阅噪音叠加相关知识可知，若作用于某一点的两个声源声压级相等，其合成的总声压级比单个只增加了3 dB，因此可通过使用多个低分贝风机来达到低噪音高风量的效果。因此，本设计选用了6个DC12 V NMB涡轮离心风扇来实现高风压、大风量和低噪音的目的。风扇额定电流0.75 A，额定转速3 200 r/min，风量20.5 CFM，噪音42 dB，足够一般家庭使用。出于安全考虑，使用了L298N电机驱动芯片来驱动风机，因其驱动能力强，可驱动46 V、2 A以下2个直流电机，且有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路并防止电机烧毁，驱动电路如图3所示。由于风机只需正转，所以L298N的控制端口IN1、IN3和IN2、IN4分别接电源和地。单片机仅输出一路PWM脉宽调制信号便能控制电机同时转动，节省端口资源。

    在风机离心力的作用下，污染空气被迫进入净化通道，由粗效过滤网滤掉大颗粒物，再经过高效过滤网去除细小悬浮颗粒物，通过紫外线照射致使病毒和细菌解体死亡，最后在负离子高压放电作用下进行进一步的杀菌消毒。因紫外灯安装在净化器内部，照射空间不大，因此选用飞利浦220 V/8 W无臭氧杀菌灯，即可满足使用。负离子发生器选用市场上220 V/6头家用小粒径负离子发生器，该发生器价格低且易采购。紫外灯和负离子发生器的驱动电路类似，均采用继电器控制其电源通断，如图4所示。继电器K1两端接入杀菌灯的电源输入端，控制电源通断，因继电器接入主电路的连接线路比较长，容易引起干扰和感应电等缘故，本设计采用了PC817四脚光耦器和SRD-12VDC-SL-C四脚继电器组成的光电耦合器来对其进行隔离，防止干扰和损坏单片机以及其他电子器件，同时通过二极管D8来卸荷继电器断开时产生的感应电动势。

2.3 人机交互功能

    考虑到所展示信息的全面性，显示器需提供空气污染指数、空气品质、温湿度、净化器的工作模式、定时时间、风机转速、滤网寿命以及紫外灯和负氧离子发生器的工作状态等信息。由于显示的信息量并不是很大，同时考虑到经济性，选用视域大小为73×99 mm、带字库带背光的LCD12864，它可显示4行8列点阵汉字，同时还能显示128×64像素以下各种大小的图片，具有显示信息丰富、薄而无辐射、不闪烁且能耗低、无视觉变形等优点。

    为实现远近距离地控制净化器，本设计选用了9个价格低且易于采购的四脚非自锁型按键开关，同时使用HX1838万能红外传感器来接收遥控信号，实现开关机、净化模式选择、定时、紫外灯和负氧离子发生器开关、滤网和紫外灯寿命重置等功能，其中开关机按键和红外传感器数据输入采用外部中断触发方式，系统待机后，只接收按键和红外遥控开关的外部中断。在滤网和紫外灯寿命殆尽时，内部定时器中断触发，蜂鸣器鸣响，可通过观察显示器上滤网和紫外灯的剩余寿命值来判断需要更换的器件。

2.4 核心处理器

    根据以上分析，核心处理器需采集模拟、PWM和串口数字等3种信号，并能输出PWM脉宽调制信号。考虑到接口的数目、信号采集的难易程度、采集数据的精度和硬件电路复杂程度，并结合当前微处理器发展，这里选用了STM32“增强型”系列的STM32F103R8T6型单片机，工作电压3.3 V，包含2个12 bit ADC模块可用于采集模拟量；3个通用16位定时器和一个高级定时器可用于捕获PWM输入信号和输出PWM脉宽调制信号；3个USART接口可用于串口通信；51个通用I/O口，均可设置为外部中断输入端口。其自带的固件库，能够方便编程人员进行软件的快速开发，是目前单片机领域的主流。

2.5 电源电路

    在整个控制系统中，单片机工作电压3.3 V，风机和继电器12 V，其他器件5 V，因此需设计合理的电源电路来给控制系统提供电能。考虑到安全性和经济性，本文选择了有过载过压保护功能的、型号为S-60-12的开关电源，用来将AC220V市电转换为DC12V，并通过ASM1117系列芯片将12 V电压依次降压到5 V和3.3 V。转换电路如图5所示。

3 软件设计

    控制系统接通电源后，初始化进入待机状态，由按键和遥控器上的电源开关确定是否开启净化器。净化器开启后，进入主循环，读取上次关机前存储在Flash中的系统状态参数，并进行信号采集和解算处理，随后开启内部定时中断。若有中断产生，则执行相应的中断程序，否则执行按键扫描程序。按键扫描程序运行结束后所调整的系统工作状态以及其他相关参数由显示程序调用显示，同时被保存到Flash当中，防止系统掉电后数据丢失。主程序流程如图6所示。

    数据采集处理时，单片机通过ADC、定时器和串口模块将接收的模拟量和数字量转化为相应的电压值，根据传感器厂商提供的输出电压与气体浓度的对应关系解算出相应气体浓度值，并最终解算出综合污染指数I和污染指数最大的气体。目前, 用来进行室内空气品质评价的方法有很多，如动态模式法、灰色理论法、模糊数学法等，这些方法都存在一些不足之处。而采用室外空气质量指数计算方法又显得不太合理，因此本文采用了综合指数法来评判室内空气质量。该方式属于客观评价法［3］，不仅能全面综合反应室内空气品质的优劣和各种污染物在污染程度上的差异，还能确定室内空气中的主要污染物，是较为理想的评价法。

    通过综合指数法计算出综合污染指数后，根据污染物浓度超标倍数、超标污染物种数以及不同污染物浓度对应的环境影响程度等，将室内空气质量指数范围进行客观分段，按照指数大小分为Ⅰ～Ⅴ级，如表2所示。

    当净化器工作于自动模式时，调节电机转速的PWM占空比K与综合污染指数I线性相关，考虑到实际净化效能和占空比太小电机可能运行不正常等因素，在I>2时，占空比设为100%；I<0.5时，占空比设为25%；0.5≤I≤2时，占空比设为50%I。

4 实验分析

    为了检验控制系统运行稳定性，在企业的协助下组装了一台背部进风两侧出风的净化器样机，并将其置于一个30 m²的密闭室内。系统上电后，显示器正常显示各项参数，风机正常运转，按键和遥控操作灵敏，在按下自动模式键的情况下，界面显示当前空气综合污染指数为0.68，空气质量评价为良，主要污染气体为CO₂。

    由于当前空气质量良好，电机转速较低，为检验使用六电机的净化器工作于自动模式下的净化速率，制造了高浓度PM_2.5、CO和CO₂的环境，方法为：点燃一根香烟，将其迅速置于净化器进风口20 cm处的地面上，1 min后将香烟迅速移出室外。在香烟置于地面的同时，每隔20 s对综合污染指数值进行读取和记录，直到空气质量达到优且该值的波动达到平稳。为了直观展示综合污染指数值的变化情况，通过MATLAB软件对实验数据进行了处理，采用interpolant插值拟合法拟合出如图7所示的I－t关系曲线。由曲线图可知，在初始时，综合污染指数迅速上升，随后迅速下降，之后虽有小范围的起伏，但整体呈现快速下降趋势，于27 min左右降到了1.0以下，43 min左右降到了0.5以下，之后稳定在0.5左右。可以看出，净化器净化空气的速率较快。分析曲线起伏原因：初始时，由于烟气浓度较高、污染严重且靠近净化器进风口，综合污染指数大幅上升，随后出现迅速下降和小范围波动现象，一方面是因为净化器的快速净化作用，另一方面是因为污染空气的不断扩散效应。45 min之后，综合污染指数值稳定在0.5附近，是因为空气质量达到优，电机转速降至1级，净化速率减慢，但从记录数据来看，综合污染指数值仍有缓慢下降趋势。在整个实验中，噪音分贝仪所检测的噪音为35～60 dB（2类，适合居住区），而在睡眠模式下，即一级转速时噪音仅为35～45 dB（0类，适合睡眠），噪音污染较小，满足室内要求。

5 结论

    本文开发了一种基于STM32的多功能空气净化器控制系统，介绍了主要功能模块的硬件选型、电路设计和软件设计，分析了综合污染指数评价室内空气质量的方法，阐述了控制系统控制电机在四种模式下的运行策略，基于模块化的设计理念，使得控制系统可依据功能需求进行有效裁剪封装，以用在不同场合使用的净化器上，具有良好的适应性。控制系统安装于试验样机上所进行的实验表明：控制系统运行稳定、操作简单，使用多个低分贝风机的系统噪音低、风量大、净化速率快。

参考文献

[1] 黄开.基于AVR单片机的柜式空气净化器控制系统设计与研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[2] 唐洪富，张兴波.基于STC系列单片机的智能温度控制器设计[J].电子技术应用，2013，39(5)：86-88.

[3] 桑稳姣，杨松，高燕.室内空气品质评价方法[J].安全与环境工程，2004(4)：26-28.

作者信息:

张  鹏1，冯显英1，2，霍  睿1

（1.山东大学 机械工程学院，山东 济南250061；2.高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东 济南250061）