基于STM32單片機(jī)的空氣凈化器畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)學(xué)生姓名： ， 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 題 目： 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) 指導(dǎo)教師： 評(píng)閱教師： 2017年6月畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 中 文 摘 要 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激光傳感器進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，搭建了

2、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(kāi)關(guān)機(jī)設(shè)定、無(wú)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 觸屏控制畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 外 文 摘 要Title Design of Office Air Purifier Control System Based on Single Chip Microcomputer AbstractWith the development

3、of Chinas modernization pace continues to accelerate, the local PM2.5 value is very highIn view of this phenomenon，This paper uses STM32 MCU as control core，F(xiàn)irst of all domestic and international air purifier has done a detailed analysis，A voltage adjustable office with the overall design scheme of

4、 air purifierSecondly，According to the market demand and the feasibility of scheme comparison，A minimum system of MCU unit，TFT_LCD liquid crystal display module，The L298N driver module，DHT11 temperature and humidity sensor，SDS011 laser sensor was designed，It has built a complete hardware platformAga

5、in，The embedded operating system uses modular programming method based on，The completion of the main program, PWM display subroutine, output subroutine, data acquisition subprogram, PC console subroutine and so onThe last，The overall test of air purifier is finished，According to the test results，The

6、 design and implementation of data acquisition, touch screen control, gear selection, switch setting, wireless communication are realizedKey Words STM32Singlechip Air Cleaner LCD Laser Sensor Touch Screen Control目 錄1 引言11.1 課題研究背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r11.3 課題主要工作32 控制器方案設(shè)計(jì)42.1 控制器總體方案設(shè)計(jì)42.2 方案論證對(duì)比43 控制器硬件電

7、路設(shè)計(jì)73.1 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)73.2 顯示電路設(shè)計(jì)93.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)123.4 按鍵電路設(shè)計(jì)133.5 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)134 控制器軟件設(shè)計(jì)164.1 主程序設(shè)計(jì)164.2 顯示子程序設(shè)計(jì)164.3 PWM輸出子程序設(shè)計(jì)224.4 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)234.5 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)274.6 其它子程序設(shè)計(jì)275 試驗(yàn)與調(diào)試305.1 DHT11溫濕度傳感器試驗(yàn)與調(diào)試305.2 SDS011激光傳感器試驗(yàn)與調(diào)試305.3 上位機(jī)控制器試驗(yàn)與調(diào)試315.4 試驗(yàn)與調(diào)試32結(jié)論38致謝39參考文獻(xiàn)40附錄A ：空氣凈化器主電路原理圖41附錄B ：下位機(jī)C語(yǔ)言主程序42附錄C ：上位機(jī)C#語(yǔ)言主

8、程序441 引言1.1 課題研究背景及意義如今，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)?。其主要?lái)自于大自然的天然產(chǎn)生和人類的實(shí)踐活動(dòng)。大自然的污染主要來(lái)自于風(fēng)沙、火災(zāi)以及其它極端天氣。人類活動(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(guò)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。因此，根據(jù)這一現(xiàn)象，市面上出

9、現(xiàn)了越來(lái)越多的空氣凈化裝置。其中，空氣凈化器使得這一問(wèn)題得以解決。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間處于室內(nèi)工作的人們來(lái)說(shuō)，空氣凈化器尤為重要?？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(guò)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。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r近年來(lái)，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(wèn)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

10、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。空氣凈化是指利用物理或化學(xué)等手段對(duì)空氣中污染物進(jìn)行吸附過(guò)濾等處理。或者對(duì)一些有毒的不良?xì)怏w來(lái)說(shuō)，高溫、化學(xué)滅菌也是凈化空氣的常用手段。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，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(lái)，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(lái)之際，花粉過(guò)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(guò)濾網(wǎng)的物理吸附。目前，隨著智能時(shí)代的快速到來(lái)

11、，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)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(kāi)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。無(wú)論在國(guó)外亦或在國(guó)內(nèi)，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(lái)看，空氣凈化器產(chǎn)品主要有

12、以下幾種：機(jī)械過(guò)濾式凈化器、機(jī)械過(guò)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。 機(jī)械過(guò)濾式凈化器，是一種小型空氣過(guò)濾器，空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓，通過(guò)過(guò)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。 機(jī)械過(guò)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(guò)濾技術(shù)與活性炭吸附技術(shù)結(jié)合起來(lái)，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(méi)有得到廣泛應(yīng)用。 靜電式凈化器，是一種靜電式空氣過(guò)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。 負(fù)離子凈化器，負(fù)離子凈化器是目前被廣泛

13、使用的一種凈化器，通過(guò)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。紫外光空氣凈化器，是利用了紫外線的原理通過(guò)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(chóng)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。無(wú)論如何，雖然各國(guó)空氣凈化器發(fā)展均有不同，但總體來(lái)說(shuō)，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。現(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

14、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。1.3 課題主要工作 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：（1） 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。（2） 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)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)。（3） 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

15、究。（4） 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(kāi)關(guān)機(jī)設(shè)定以及無(wú)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。2 控制器方案設(shè)計(jì)2.1 控制器總體方案設(shè)計(jì)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。圖2.1 空氣凈化器總體方案本設(shè)計(jì)中采用單片機(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(wú)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(guò)無(wú)線模

16、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。2.2 方案論證對(duì)比2.2.1 控制模塊方案對(duì)比方案一：選取STC12系列單片機(jī)作為主控芯片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(guò)程序設(shè)置成四種輸入輸出模式。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(wú)法支持TFT_LCD液晶

17、的顯示，更實(shí)現(xiàn)不了觸屏功能。方案二：選取STM32系列單片機(jī)作為主控芯片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 SRAM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(wú)法比擬的。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(guò)另外

18、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。綜上所述，本設(shè)計(jì)選取STM32系列單片機(jī)作為主控芯片。2.2.2 顯示模塊方案對(duì)比方案一：選取LCD12864液晶作為顯示模塊LCD12864是一種多線串行接口方式的點(diǎn)陣形液晶顯示模塊，其分辨率為128649。既可以用來(lái)顯示字符，又可以通過(guò)中文字庫(kù)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(wú)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。方案二：選取TFT_LCD液晶作為顯示模塊TFT_LCD液晶屏幕分辨率為320240，16位真彩顯示，可人為改變字體的顏色和大小16-1

19、7。在屏幕上可分行分段顯示大批量數(shù)據(jù)并可通過(guò)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。綜上所述，本設(shè)計(jì)選取TFT_LCD液晶作為顯示模塊。2.2.3 驅(qū)動(dòng)模塊方案對(duì)比方案一：選取L298N作為驅(qū)動(dòng)模塊 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊能將輸入電壓通過(guò)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。方案二：選取LM2596作為驅(qū)動(dòng)模塊LM2596模塊能實(shí)現(xiàn)降壓的功能，體積相對(duì)較小，擁有大電容濾波電

20、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(guò)手動(dòng)按鈕進(jìn)行降壓調(diào)節(jié)，若要通過(guò)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。綜上所述，本設(shè)計(jì)選取L298N作為驅(qū)動(dòng)模塊。2.2.4 PM2.5傳感器模塊方案對(duì)比方案一：選取GP2Y1014AU粉塵傳感器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(guò)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(guò)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

21、顆粒的檢測(cè)不是很敏感，對(duì)本設(shè)計(jì)有一定的影響。方案二：選取SDS011激光傳感器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(guò)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(guò)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。綜上所述，本設(shè)計(jì)選取SDS011型激光PM2.5傳感器。3 控制器硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)單片機(jī)控制電路是整個(gè)控制器的

22、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(lái)說(shuō)至關(guān)重要10。STM32F103ZET6基于CortexM3（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(guò)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。圖3.1 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖然而，要想正確合理的應(yīng)用此單片機(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。圖3.2 單片機(jī)硬件電路其中，晶振Y1為32.768KHz，提供外部低速時(shí)鐘，在斷電的情

23、況下通過(guò)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。圖3.3 單片機(jī)復(fù)位電路3.2 顯示電路設(shè)計(jì)3.2.1 TFT_LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì)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(huà)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。圖3.4 TF

24、T_LCD液晶硬件連接圖圖中PF8、PF9、PF10、PB2用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶觸摸屏的控制，而PB0控制LCD的背光。3.2.2 TFT_LCD觸控電路設(shè)計(jì)TFT_LCD液晶屏不僅支持顯示功能，而且還能通過(guò)專門(mén)的控制芯片實(shí)現(xiàn)觸屏功能。我們?cè)谑忻嫔纤?jiàn)的觸摸屏最多為電阻式，而TFT_LCD 自帶的觸摸功能也屬于電阻式觸摸屏。由于STM32F1O3ZET6單片機(jī)沒(méi)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(guò)FSMC接口對(duì)液晶進(jìn)行控制。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。為了準(zhǔn)確有效的得到觸

25、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。圖3.5 XPT2046原理框圖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(lái)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。圖3.6 XPT2046典型應(yīng)用電路圖3.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片設(shè)計(jì)在初始化觸控屏?xí)r需要將采集的觸控點(diǎn)通過(guò)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

26、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。圖3.7 24C02硬件連接圖 其管腳功能如表3.1所示。表3.1 24C02管腳功能管腳名稱功能描述A0 A1 A2器件地址選擇SDA串行數(shù)據(jù)/地址SCL串行時(shí)鐘WP寫(xiě)保護(hù)VCC1電源正極GND電源負(fù)極如上所示， 由于本設(shè)計(jì)中只采用一個(gè)存儲(chǔ)器來(lái)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。3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

27、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(guò)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。圖3.8 驅(qū)動(dòng)電路硬件連接圖 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(wú)刷直流電機(jī)，其內(nèi)部自帶換向器，因此只能輸

28、入無(wú)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(wèn)題，并聯(lián)了220uF的電容進(jìn)行濾波處理。3.4 按鍵電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，采用按鍵調(diào)節(jié)方式對(duì)控制器的開(kāi)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。圖3.9 按鍵電路硬件連接圖其中，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)置第三級(jí)菜單后，可通過(guò)按鍵的方式設(shè)定開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間。3.5 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)3.5.1 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì) 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

29、，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)。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。圖3.10 DHT11溫濕度傳感器連接圖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(guò)嚴(yán)格的時(shí)序。3.5.2 PM2.5傳感器模塊設(shè)計(jì)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。圖3.11 PM2.5傳感器實(shí)物圖

30、該傳感器通過(guò)串口與單片機(jī)PA10，PA11相連，既能測(cè)量PM2.5含量又能測(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。表3.2 SDSO11激光傳感器引腳定義管腳名稱備注1CTL控制腳，備用21um大于0.3微米顆粒物濃度，PWM輸出35V5V電源輸入425um大于2.5微米顆粒物濃度，PWM輸出5GND地6R串口接收RX7T串口發(fā)送TX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。表3.3 PM2.5技術(shù)參考指標(biāo)序號(hào)項(xiàng)目參數(shù)1測(cè)量輸出PM2.5、PM102量程0.0-999.9微克/立方米3供電電壓5V4最大工作電流10

31、0mA5休眠電流2mA6工作溫度范圍-20-507響應(yīng)時(shí)間1秒8串口數(shù)據(jù)輸出頻率1次/秒9顆粒物直徑分辨率0.3微米10相對(duì)誤差10%11產(chǎn)品尺寸71x70x23mm4 控制器軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì)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(guò)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、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

32、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。圖4.1 主程序工作流程圖在接入電源后，單片機(jī)控制器開(kāi)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?？蛇x擇“開(kāi)機(jī)時(shí)間”和

33、“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(guò)按鍵設(shè)置定時(shí)時(shí)間。最后，按“確定”按鈕返回主界面。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。 4.2 顯示子程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，用TFT_LCD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。圖4.2

34、液晶初始化程序流程圖如上圖，在程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，首先，判斷液晶屏幕是否已經(jīng)通過(guò)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(guò)校準(zhǔn)程序進(jìn)行校準(zhǔn)；其次，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(guò)ILI9320驅(qū)動(dòng)器經(jīng)FSMC向LCD指定區(qū)域?qū)懨?，?xiě)數(shù)據(jù)，以達(dá)到界面切換或顯示參數(shù)的目的。 具體分析如下： 1）時(shí)鐘使能由于STM32單片機(jī)為每個(gè)外設(shè)的功能都設(shè)置了時(shí)鐘開(kāi)關(guān)，在需要的時(shí)候打開(kāi)，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(guò)程序進(jìn)行功能模塊時(shí)鐘的使能。 2）初始化GP

35、IO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，最大輸出速度為50MHz。FSMC即靜態(tài)存儲(chǔ)控制器。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)通過(guò)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(xiě)信號(hào)、讀信號(hào)、片選信號(hào)進(jìn)行設(shè)置。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)。 3）單片機(jī)與存儲(chǔ)器的I2C通信單片機(jī)通過(guò)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

36、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(guò)總線仲裁，根據(jù)地址來(lái)決定哪個(gè)器件作為接收器。單片機(jī)通過(guò)I2C和24C02通信流程如圖4.3所示。圖4.3 I2C通信流程圖如上圖，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(xiě)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。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。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。圖4.4 I2C數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)在圖4.3中，產(chǎn)生I2C起始

37、和終止信號(hào)時(shí)序如圖4.5所示。圖4.5 起始信號(hào)與終止信號(hào)時(shí)序圖u 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)線SDA拉低，等待時(shí)間超過(guò)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)。u 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(guò)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)。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。圖4.6 I2C產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)與非應(yīng)答信號(hào)時(shí)序u 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(guò)4us后，將SCL拉低即產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，整個(gè)過(guò)程中SDA

38、是處于低電平狀態(tài)，在程序中以返回值“0”代替。u 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(guò)4us后，將SCL拉低即產(chǎn)生一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)，整個(gè)過(guò)程中SDA是處于高電平狀態(tài)，在程序中以返回值“1”代替。 在圖4.3中，發(fā)送數(shù)據(jù)格式如圖4.7所示。圖4.7 數(shù)據(jù)傳輸格式當(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)。4）液晶屏幕校準(zhǔn)觸摸屏為絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，即每次

39、的坐標(biāo)與上一次坐標(biāo)沒(méi)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(wú)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(guò)程序進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，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(guò)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：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。圖4.8 液晶屏幕校準(zhǔn)流程圖u 液晶屏幕校準(zhǔn)：首先，在屏

40、幕上顯示已知坐標(biāo)的四個(gè)點(diǎn)，用戶在校準(zhǔn)的過(guò)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(lái)計(jì)算像素坐標(biāo)，達(dá)到屏幕校準(zhǔn)的目的。u 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、）后，分別測(cè)量坐標(biāo)、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。4.3 PWM輸出子程序設(shè)計(jì)PWM即脈沖寬度調(diào)制，將恒定的電壓調(diào)制成頻率

41、、占空比可變的一系列方波。單片機(jī)可利用定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，并通過(guò)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。圖4.9 PWM輸出流程圖如上圖所示，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；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(guò)程中，可通過(guò)設(shè)置TIM3_CCR2的值來(lái)改變輸出PWM波的占空比。4.4 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)4.4.1

42、 溫濕度傳感器模塊程序設(shè)計(jì)DHT11溫濕度傳感器采用單總線方式與單片機(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(guò)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。表4.1 DHT11引腳功能圖Pin名稱功能1VDD電源正極2DATA數(shù)據(jù)傳輸引腳3NC懸空4GND電源負(fù)極單片機(jī)PG11引腳與傳感器DATA相連，當(dāng)準(zhǔn)備與其通訊時(shí)由單片機(jī)發(fā)送開(kāi)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(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11對(duì)單片機(jī)進(jìn)行響

43、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(kāi)始信號(hào)。其通訊過(guò)程如圖4.10所示。圖4.10 DHT11通訊過(guò)程首先，由主機(jī)拉低數(shù)據(jù)線，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后，拉高數(shù)據(jù)線，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(guò)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。圖4.11 DHT11工作流程圖4.4.2 PM2.5傳感器模塊程序設(shè)計(jì)SDS011激光傳感器是利用激光反

44、射原理檢測(cè)空氣中的PM2.5濃度值，并通過(guò)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。圖4.12 PM2.5傳感器工作流程圖如圖所示，由于該傳感器是通過(guò)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(guò)顯示函數(shù)將數(shù)據(jù)顯示在LCD液晶屏上。a）串口通信：串口即通過(guò)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

45、4.13所示。圖4.13 串口初始化流程圖在初始化過(guò)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)。b）PM2.5濃度的計(jì)算：SDS011激光傳感器通過(guò)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。表4.2 激光傳感器數(shù)據(jù)說(shuō)明數(shù)據(jù)位說(shuō)明數(shù)據(jù)位說(shuō)明1報(bào)文頭6PM10高字節(jié)2指令號(hào)7傳感器ID3PM2.5低字節(jié)8傳感器ID4PM2.5高字節(jié)9校驗(yàn)和5PM10低字節(jié)10報(bào)

46、文尾 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：PM2.5濃度=（PM2.5高字節(jié)256+PM2.5低字節(jié)）/10單位為：ug/m34.5 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)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(yǔ)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。圖4.14 上位機(jī)軟件顯示界面該上位機(jī)軟件控制界面不僅能顯示由單片機(jī)通過(guò)無(wú)線模塊傳輸過(guò)來(lái)的參數(shù)，而且可以通過(guò)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(kāi)軟件后，首先通過(guò)下拉菜單選擇合適的串口和波特率，然后打開(kāi)串口，就可以在界面上收到由下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的PM

47、2.5濃度、溫濕度等數(shù)據(jù)。通過(guò)“自動(dòng)控制”按鈕和“手動(dòng)控制”以及檔位的選擇按鈕來(lái)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(guò)“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。4.6 其它子程序設(shè)計(jì)4.6.1 RTC時(shí)鐘電路程序設(shè)計(jì)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)。其初始化流程如圖4.15所示。圖4.15 RTC時(shí)鐘初始化流程圖在程序開(kāi)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(xiě)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

48、，則復(fù)位備份區(qū)域開(kāi)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)。RTC時(shí)鐘的核心為預(yù)分頻模塊與可編程計(jì)數(shù)器構(gòu)成。通過(guò)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)。可編程計(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。4.6.2 時(shí)間設(shè)定函數(shù)程序設(shè)計(jì)在待機(jī)界面下，通過(guò)觸摸“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(wú)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)

49、圖3.6所示，當(dāng)S1被按下時(shí)，PA0接入高電平，通過(guò)10ms延時(shí)消抖后，可調(diào)節(jié)開(kāi)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(guò)消抖后，可調(diào)節(jié)開(kāi)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(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間相等時(shí)，則進(jìn)入開(kāi)關(guān)機(jī)子程序11。4.6.3 熄屏子程序設(shè)計(jì)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(guò)按鍵控制背光引腳，開(kāi)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。5 試驗(yàn)與調(diào)試5.1 DHT11溫濕度傳感器試驗(yàn)與調(diào)試將單片機(jī)與

50、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。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。 圖5.1 試驗(yàn)前溫濕度值 圖5.2 試驗(yàn)后溫濕度值經(jīng)過(guò)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(shuō)明該模塊工作正常，測(cè)試程序正確。5.2 SDS011激光傳感器試驗(yàn)與調(diào)試將單片機(jī)與SDS011激光傳感器按照表3.2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(lái)。其結(jié)果如

51、圖5.3所示。圖5.3 PM2.5調(diào)試結(jié)果在此，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。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(shuō)明該傳感器工作正常，測(cè)試程序無(wú)誤。5.3 上位機(jī)控制器試驗(yàn)與調(diào)試打開(kāi)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(wú)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(kāi)串口，此時(shí)，串口狀態(tài)顯示為打開(kāi)狀態(tài)。此時(shí)，上位機(jī)

52、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(wú)錯(cuò)數(shù)、漏數(shù)情況。并通過(guò)上位機(jī)按鈕可控制下位機(jī)的部分功能。因此可說(shuō)明，用Visual Studio所編寫(xiě)的上位機(jī)軟件可用。圖5.4 上位機(jī)登錄系統(tǒng)界面圖5.5 上位機(jī)顯示系統(tǒng)界面5.4 試驗(yàn)與調(diào)試5.4.1 控制器外包裝設(shè)計(jì)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(wú)處安放。因此設(shè)計(jì)了凈化器外包裝來(lái)解決這一問(wèn)題。利用AutoCAD畫(huà)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平面圖

53、如圖5.6所示。圖5.6 外包裝平面設(shè)計(jì)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1015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，有效的增加了連接部分的接觸面積，使盒子拼接起來(lái)更牢固。5.4.2 綜合試驗(yàn)與調(diào)試在各個(gè)單元模塊調(diào)試無(wú)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。在檢查連接無(wú)誤后，接入電源，系統(tǒng)開(kāi)始正常工作。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。 圖5.7 空氣凈化器樣機(jī)圖 圖5.8 待機(jī)菜單界面當(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。表5.1 PM2.5濃度閾值與風(fēng)速關(guān)系表PM最小值PM最大值風(fēng)速PM最小值PM最大值風(fēng)速06.5050100三檔風(fēng)速6.520一檔風(fēng)速100200四檔風(fēng)速2050二檔風(fēng)速200999五檔風(fēng)速根據(jù)試驗(yàn)可得表5.2中數(shù)據(jù)。表5.2 PM2.5濃度與風(fēng)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)PM2.5濃度值(ug/