基于激光型PM2.5傳感器的空氣凈化器設(shè)計(jì)

白天奇++孫炎輝

摘 要：從激光型PM2.5傳感器的特性入手，根據(jù)環(huán)境中PM2.5濃度的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)一款激光型PM2.5傳感器空氣凈化器。以STM32系列芯片為主控芯片，利用激光型PM2.5傳感器對(duì)環(huán)境中的PM2.5濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，根據(jù)采集到的PM2.5的濃度，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而帶動(dòng)指定環(huán)境空氣對(duì)流，使空氣通過專用的PM2.5濾網(wǎng)，從而達(dá)到過濾環(huán)境中PM2.5含量的目的。與此同時(shí)將空氣質(zhì)量信息以及其他一些輔助信息顯示在機(jī)身自帶的液晶屏上，用戶可通過藍(lán)牙利用移動(dòng)終端上的App進(jìn)行空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控與凈化等級(jí)的調(diào)節(jié)。從而簡(jiǎn)單、可靠地凈化了空氣中的可吸入微顆粒物，得到了良好的凈化效果。

關(guān)鍵詞：激光型PM2.5傳感器；STM32；PWM；無刷直流電機(jī)

中圖分類號(hào)：TN108+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）11-00-04

0 引 言

近些年伴隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程，環(huán)境污染的問題愈發(fā)嚴(yán)重。而一項(xiàng)新的污染指標(biāo)——“PM2.5”逐漸引起人們的重視，即空氣中直徑小于等于2.5 m的顆粒物。這種往往被忽視的顆粒物也正因其粒徑小，面積大，活性強(qiáng)，更易附帶有毒、有害物質(zhì)如重金屬、微生物等特性，在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，從而對(duì)大氣質(zhì)量造成了很大的影響[1]。同時(shí)這些微顆粒物對(duì)人體的危害極大，并且PM2.5也廣泛存在于我們?nèi)粘Ｉ畹氖覂?nèi)環(huán)境中。因此必須尋找一種有效的方式，從技術(shù)入手，檢測(cè)某指定環(huán)境下PM2.5的濃度指標(biāo)，并在濃度超過預(yù)定閾值時(shí)及時(shí)反饋至用戶隨身攜帶的電子設(shè)備，同時(shí)允許用戶通過藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制電機(jī)以有效降低PM2.5的濃度，從而解除某指定環(huán)境中PM2.5濃度過高帶來的威脅。傳統(tǒng)的空氣凈化器多采用紅外線傳感器，無法靈敏及時(shí)地采集空氣中PM2.5的濃度值。但隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光型傳感器也普遍應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。同樣，把激光型PM2.5傳感器應(yīng)用于空氣凈化器領(lǐng)域，我們將更加準(zhǔn)確及時(shí)地了解到當(dāng)前環(huán)境中PM2.5的濃度參數(shù)。同時(shí)我們還可將溫濕度傳感器等加入該設(shè)計(jì)中，使采集到的信息更加多樣化，也使得產(chǎn)品更加人性化。

1 設(shè)計(jì)方案

本文所述產(chǎn)品主要實(shí)現(xiàn)的功能有如下幾項(xiàng)：

（1）激光型PM2.5傳感器對(duì)環(huán)境中的PM2.5濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，讓用戶能及時(shí)了解到凈化器所在環(huán)境中的微顆粒物污染情況。

（2）根據(jù)采集到的PM2.5的濃度，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)空氣對(duì)流以過濾PM2.5，從而實(shí)現(xiàn)空氣的智能凈化。

（3）將空氣質(zhì)量信息及其他一些輔助信息顯示在機(jī)身自帶的液晶屏上，用戶可以直觀地了解到環(huán)境中PM2.5的濃度、溫度以及濕度信息。

（4）藍(lán)牙模塊與移動(dòng)終端進(jìn)行信息互傳，實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的顯示并通過移動(dòng)終端控制空氣凈化器。

本文所述產(chǎn)品選用高性價(jià)比的STM32系列芯片為主控芯片實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的功能。因要求設(shè)計(jì)基于激光型PM2.5傳感器的空氣凈化器，因此不考慮傳統(tǒng)的紅外傳感器。雖然兩種傳感器同樣都利用光散射的原理，但由于激光型傳感器采用頻譜窄、能量強(qiáng)的激光作為光源，所以靈敏度更高，所設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品采集到的數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確、及時(shí)，能夠滿足當(dāng)前要求[2]。同樣由于工作重心在于硬件功能，藍(lán)牙模塊僅用于無線數(shù)據(jù)傳輸，將工作量更多的投入在硬件功能的設(shè)計(jì)方面，因此選擇HC-06藍(lán)牙模塊以避免復(fù)雜的棧協(xié)議帶來龐大的工作量。而在電機(jī)的選擇上，雖然交流電的電源條件容易滿足，但交流電源難以控制，能耗大。在考慮到用戶的維護(hù)成本時(shí)，有刷電機(jī)的缺點(diǎn)顯而易見，雖然成本相對(duì)無刷電機(jī)低廉很多，但能耗大、機(jī)械損耗大不可忽視。通過多方面考慮，最終選用無刷直流電機(jī)。其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6芯片作為主芯片，該芯片的工作頻率最高可達(dá)72 MHz，RAM容量為20 K×8，高達(dá)20 K字節(jié)的SRAM。同時(shí)，該芯片含有睡眠、停機(jī)和待機(jī)這三種低功耗模式，其VBAT為RTC和后備寄存器供電，更加符合節(jié)能低功耗的要求。該芯片可兼容USB、USART和CAN等多種串行通訊方式。而且其工作電壓為2.0 V～3.6 V，在電路上容易實(shí)現(xiàn)，且價(jià)格便宜合理。

2.2 PM2.5傳感器

本設(shè)計(jì)采用激光型PM2.5傳感器——CP15-A31e。CP15-A31的輸入電壓為5 V，輸出信號(hào)的電壓為3.3 V。

由于現(xiàn)在激光傳感器已大量投入使用，國(guó)內(nèi)許多廠家也開始生產(chǎn)激光傳感器，因此其成本已大大降低。經(jīng)初步查閱，將本設(shè)計(jì)采用的國(guó)產(chǎn)激光型PM2.5傳感器范圍鎖定在攀騰科技的PMSX、武漢四方的PM2005和益杉科技的CP15-A3這三種低能耗傳感器中。這三種激光型傳感器工作室電流均小于120 mA。在精度方面，CP15-A3的精度為±5%，遠(yuǎn)高于PM2005和PMSX的±15%。而且在成本方面CP15-A31e（CP15-A3的改進(jìn)型）每只為150元，其余兩個(gè)傳感器的價(jià)格在120元到180元不等，考慮到性價(jià)比等因素，最終選用CP15-A31e。PM2.5傳感器電路圖如圖2所示。

2.3 電機(jī)模塊

交流電機(jī)電壓為220 V。有刷電機(jī)的摩擦大，損耗大，需要定期清理更換碳刷，而且因?yàn)橛兴㈦姍C(jī)中電刷和換向器的接觸電阻很大，容易產(chǎn)生很大熱量，而高溫可使磁鋼退磁，影響有刷電機(jī)壽命，同時(shí)發(fā)熱也將很大一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，因此輸出功率不大，效率也不高。在同樣的情況下，無刷電機(jī)去除了電刷，不會(huì)像有刷電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電火花，極大地減少了對(duì)本設(shè)計(jì)中藍(lán)牙傳輸模塊的干擾。而且去除電刷后，原本因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生的噪音也會(huì)大大減小，不僅使設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定，也使得產(chǎn)品在居家環(huán)境中更人性化。值得一提的是，無刷電機(jī)因去除了電刷，因此主要是軸承方面產(chǎn)生磨損，從機(jī)械角度上看，這幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)，其擁有更長(zhǎng)的壽命，需要更少的維護(hù)。而且根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳感器檢測(cè)到環(huán)境中的PM2.5含量超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)開啟電機(jī)，調(diào)節(jié)PM2.5濃度使其降到標(biāo)準(zhǔn)值，所以要求電機(jī)的可控性強(qiáng)，同樣要求能耗盡量降低，故本設(shè)計(jì)最終選取無刷直流電機(jī)。本文所述方案采用正科電機(jī)生產(chǎn)的BLDC-38SRZ-S電機(jī)，其轉(zhuǎn)速為4 000轉(zhuǎn)，足以帶動(dòng)空氣對(duì)流并通過濾網(wǎng)，降低指定環(huán)境中PM2.5的濃度。同時(shí)其額定功率僅為10 W，符合低能耗的設(shè)計(jì)倡議。此電機(jī)自帶6腳驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)模塊電路圖如圖3所示。

2.4 藍(lán)牙模塊

根據(jù)要求本設(shè)計(jì)利用藍(lán)牙模塊與移動(dòng)終端進(jìn)行信息互傳，實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的顯示并可通過移動(dòng)終端控制空氣凈化器的操作，經(jīng)對(duì)比，最終選用HC-06。HC-06是主從一體化的藍(lán)牙串口模塊，可切換主從指令，指令少于同系列的HC-05，使用簡(jiǎn)單。其供電電壓為3.3 V～3.6 V，工作電流不大于50 mA，能耗低，模塊的尺寸為27 mm×13 mm×2 mm，較為小巧，有助于減小產(chǎn)品體積，更加人性化，而且HC-06在一般家居環(huán)境中的通訊距離能達(dá)到8 m10 m[3]，完全可以滿足家居環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)的要求，故最終選取HC-06為本設(shè)計(jì)的藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊電路圖如圖4所示。

2.5 按鍵模塊

本設(shè)計(jì)之所以采用按鍵模塊是為了實(shí)現(xiàn)閾值的調(diào)整，設(shè)計(jì)完成時(shí)會(huì)預(yù)設(shè)一個(gè)PM2.5濃度的報(bào)警閾值?？紤]到實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)將設(shè)置值定義為一個(gè)三位數(shù)。用戶可通過S1選擇當(dāng)年調(diào)節(jié)的設(shè)置值位數(shù)，例如個(gè)位、十位或者百位。S2則為增加數(shù)值，S3為降低數(shù)值。S2與S3每次改變的數(shù)值為1。同時(shí)設(shè)置值的每一位可調(diào)節(jié)范圍均為0至9。事實(shí)上，由上文可知，室內(nèi)存在PM2.5是無法避免的，但我們的目的是將其過濾掉，故適宜的設(shè)置值不會(huì)很高，默認(rèn)設(shè)置為30，建議設(shè)置值為30至50。

用戶可通過按鍵模塊自行調(diào)節(jié)閾值，而系統(tǒng)通過算法檢測(cè)與閾值的差值等級(jí)來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)旨在使產(chǎn)品更加人性化。其算法流程圖如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上，首先要進(jìn)行STM32串口的初始化，然后執(zhí)行while主循環(huán)程序查詢串口3中讀取PM2.5傳感器轉(zhuǎn)化后的結(jié)果并顯示在液晶屏上并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至App以判斷當(dāng)前PM2.5濃度是否達(dá)到閾值，如果達(dá)到閾值則發(fā)送警報(bào)到移動(dòng)終端，若沒有達(dá)到則再回到主循環(huán)中繼續(xù)監(jiān)控。當(dāng)查詢到串口3讀取傳感器轉(zhuǎn)化的結(jié)果的同時(shí)判斷是否接收到了App發(fā)送來的設(shè)置的PM2.5濃度的參數(shù)，系統(tǒng)判斷當(dāng)前環(huán)境中PM2.5濃度與設(shè)定值之間的差值等級(jí)，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，加強(qiáng)空氣對(duì)流并通過濾網(wǎng)，使空氣中的PM2.5濃度接近設(shè)定值。整個(gè)程序回到主循環(huán)中再次執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)環(huán)境中PM2.5的實(shí)時(shí)監(jiān)控與治理。軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

本次軟件設(shè)計(jì)采用了新穎的電機(jī)調(diào)速控制思路——PWM調(diào)節(jié)，即脈沖寬度調(diào)制。因?yàn)樯衔闹刑岬奖驹O(shè)計(jì)的設(shè)定值可根據(jù)用戶自身調(diào)節(jié)，那么一成不變的電機(jī)調(diào)速函數(shù)已不再理想。本設(shè)計(jì)中的PWM調(diào)節(jié)程序上設(shè)置了“u8 sp_buf[10]={0， 30， 40， 50， 60， 70， 80， 87， 90，99}； //電機(jī)速度定義”這幾個(gè)PWM的占空比。即PM2.5按照數(shù)值分成了10個(gè)等級(jí)，每一個(gè)等級(jí)分別對(duì)應(yīng)一種速度，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)更高效的凈化。電機(jī)調(diào)速程序思路框圖如圖7所示。

控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向采用增量式PID控制算法。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算輸出控制量u（k）對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置增量，而不是對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，因此要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)必備對(duì)控制量增量的累積功能，這樣才能完成對(duì)被控對(duì)象的控制操作[4]。其理想算式為：

（1）

式中u（t）是控制器輸出，e（t）是控制器輸入，Kr為放大系數(shù)，Ti是積分時(shí)間，Td是微分時(shí)間。

設(shè)u（k）是第k次的采樣輸出值，可得算式：

（2）

由（2）式可得：

即：

其中：

而其串口中斷子流程圖如圖8所示。

4 設(shè)備運(yùn)行

產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)會(huì)將空氣質(zhì)量參數(shù)顯示在硬件環(huán)境所在的液晶屏上，同時(shí)通過藍(lán)牙將采集到的數(shù)據(jù)傳送到移動(dòng)終端的App上以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。液晶模塊的顯示內(nèi)容有當(dāng)前PM2.5的濃度、當(dāng)前溫度、當(dāng)前濕度和設(shè)置值。而App端的顯示內(nèi)容有當(dāng)前PM2.5的濃度、當(dāng)前溫度、當(dāng)前濕度和凈化等級(jí)調(diào)節(jié)。

在設(shè)備運(yùn)行精度方面，我們使用高精度手持式PM2.5檢測(cè)儀將采集到的數(shù)據(jù)與本文所述產(chǎn)品采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所列。

由上表可算出平均誤差為1.74%，完全可以達(dá)到精度要求，可以準(zhǔn)確反映出環(huán)境中PM2.5的濃度。

5 結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)方案的工作原理是加速空氣對(duì)流，讓空氣由入風(fēng)口進(jìn)入，并強(qiáng)迫其通過專用的聚丙烯高效濾紙，再由出風(fēng)口回到室內(nèi)環(huán)境中，從而完成空氣的凈化。而本文所述方案的亮點(diǎn)之一在于從命題出發(fā)，大膽地選用了激光型PM2.5傳感器，可更靈敏準(zhǔn)確地反應(yīng)出微顆粒物濃度參數(shù)。另一個(gè)亮點(diǎn)在于當(dāng)前作為研究熱點(diǎn)的PWM調(diào)制。本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)便采用了這一當(dāng)前的熱門方法。系統(tǒng)通過設(shè)置多個(gè)占空比以對(duì)應(yīng)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速（凈化等級(jí)）。同時(shí)結(jié)合其他系統(tǒng)模塊完成空氣凈化器的設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

參考資料

[1]張永，李心意，姜麗娟，等.室內(nèi)空氣中的PM2.5初步研究[J].環(huán)境與健康雜志，2010，27（10）：906-907.

[2]佟偉鋼，王維寬，胡.室內(nèi)空氣凈化技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（17）：125-126.

[3]郭琦，王志剛，牛寶超，等.一種基于ARM的WiFi 無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（4）：184-186.

[4]賀安坤，張亮，宋長(zhǎng)青，等.基于 Zig Bee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2012，28（9）：168-169.

[5] GC Carvalho，ML Siqueira，SC Absi-Alfaro. Offline programming of flexible welding manufacturing cells [J].Journal of Materials Processing Technology， 1998， 78（1-3）：24-28.

[6] AY Elatta，PG Li，LZ Fan，et al.An overview of robot calibration [J]. IEEE Journal of Robotics and Automation， 2004， 3（5）：377-385.