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小家电

客户成功故事与项目成功案例

WiFi智能空气净化器开发


人类频繁的社会活动给环境造成巨大的压力,空气质量急速下降,雾霾天气愈发严重,空气污染已经严重危害到人类的健康,其中空气中对人体损害的主要是PM2.5颗粒,这种颗粒分子不仅能够进入呼吸道,还可以穿透人的细胞壁,这导致了呼吸道疾病及心血管疾病的风险提高。针对PM2.5的空气净化器已经成为我国北方地区家庭的标配。

随着移动互联网的快速发展,“互联网+”已经成为家居电子产品设计的时尚,采用移动端进行设备的控制,大大方便和改善了人机交互功能。本文采用STM32F103和PM2.5浓度传感器、温湿度传感器以及WIFI模组等,设计了具有PM2.5浓度、温湿度等环境参数的实时显示、报警和净化空气电机自动启停控制等功能,并具备通过WiFi实现手机APP的通信和相关操作的空气净化器,满足了人民日益增长的健康需要。

一、空气净化器系统总体设计

空气净化器组成主要由马达、风扇、空气过滤网以及其他辅助净化装置,如负离子发生器、高压电路等构成。其中空气过滤网的好坏直接影响了空气净化器效果的因素。本文主要针对空气净化器的电控系统进行设计,系统设计中采用STM32F103C8T6作为主控芯片,通过夏普GP2Y1014AU粉尘传感器对空气中PM2.5浓度进行检测,同时将空气中温湿度的数据以及空气质量检测数据这三个主要输入数据传送给CPU,单片机对其进行处理后,参数显示采用OLED显示模块,同时通过ESP8266WiFi模块进行通信,将收集到的数据传送到手机APP上。本系统总体设计框图如图1所示,其中基础的电源部分为简单起见,作了忽略处理。

图1 空气净化器系统总体框架图设计

二、空气净化器的传感器选择与电路设计

2.1 PM2.5传感器接口电路设计

PM2.5采用GP2Y1014AU粉尘传感器模块进行检测,它工作原理是通过红外发光二极管反射检测灰尘在空气中的含量,通过输出脉冲的高度来判断PM2.5的浓度。它的输出是与空气中粉尘浓度成正比的电压模拟量,其灵敏度为0.5 V/0.1 mg/m3。传感器模块的引脚1、2是工作电源的电源和地。引脚3为传感器内部的红外发光二极管,通过开启它为模拟输入来进行采集数据,和单片机IO口连接。然后引脚4是接地GND。引脚5是作为传感器输出口,与单片机进行AD转换。引脚6是与电源连接。

2.2温湿度传感器接口电路设计

DHT11温湿度传感器模块是单总线串行接口,湿度测量范围为0%~100%,测量误差±5%;测温范围在0~50℃,而它的误差在±2%。传感器模块工作电压为3.3~5 V,输出形式为数字化输出。

2.3电机接口驱动

MCU通过PWM的占空比控制L298N驱动器的电压输出,使其0~12 V连续可调。L298N内部含有4路逻辑驱动电路。其中,L298N芯片可支持两路输入输出,ENA、ENB为使能通道端,通过ENA与STM32的PWM输出相连,用来使能L298N驱动器,由于只控制1个电机,因此只需使用IN1、IN2作为输入接口,OUT1和OUT2作为输出端与电机相连,实现单片机对L298N进行驱动电机的转动,实现简单的净化开关操作。

2.4 WiFi模块接口设计

ESP8266 WiFi模块采用串口与MCU通信,内置TCP/IP协议栈,能够实现串口与WiFi之间的转换。通过ESP8266模块,传统的串口设备只是通过简单的串口配置,也就是只需要通过网络(WiFi)传输自己的内部数据。它能够支持三种工作模式也就是STA、AP、以及STA+AP结合的模式。STA模式是通过路由器和互联网连接,手机或者电脑可以通过互联网对设备进行远程控制。AP模式则以ATK_ESP8266模块作为热点,实现手机或者电脑直接和ESP8266进行通信,达到局域网无线控制的需求。STA+AP是两种模式的加强版,也就是能够通过互联网控制实现无缝切换,方便用户操作。该模块引有6个接口引脚,其中VCC引脚主要是接电源,GND和地相连,模块的TXD引脚作为串口发送脚,与MCU的RXD引脚连接,而模块的RXD引脚作为串口接受脚是与MCU的TXD连接,RESET是复位脚,低电平有效,IO_0用于固件烧写,默认状态下,低电平是烧写模式,高电平是运行模式。

三、空气净化器软件设计

3.1系统软件设计

系统软件采用KEIL5软件进行单片机C语言编程,软件主要有单片机系统的初始化(时钟初始化、GPIO初始化等)、所需传感器的初始化、WiFi通讯模块的初始化、OLED的初始化、工作代码还有相关的数据发送传输接收代码等,通过一系列的工作,最终实现数据通过液晶显示屏以及WiFi模块传输到手机APP上。首先是STM32单片机的系统初始化:

1)需要对系统时钟使能,这是因为STM32 MCU为每个功能外设都设置了时钟开关,当需要工作的时候开关打开,在不需要的时候关闭开关,从而达到降低能耗的目的。因而,在电源上电后,对它的时钟使能是首要的步骤。2)对GPIO输入输出口的使能,也就是把需要用到的IO口进行使能ENABLE初始化操作。3)还有串口的初始化,这是设置一致的波特率,否则在系统运行的时候可能会出现问题。然后是对传感器的初始化以及液晶屏初始化,如DHT11温湿度传感模块、GP2Y1014AU粉尘传感器等,各个传感模块有序进行工作,MCU通过串口获得温度、湿度、电压-粉尘比等数据,在显示屏上显示参数。同时单片机会对数据进行相应的处理,如果浓度超过了某个数值或者范围,将进行报警并对空气进行净化开关。此时需要对WiFi模块进行初始化,才可以把数据通过WiFi模块传输到手机上。

3.2显示子程序设计

本设计要利用显示屏来显示温度、湿度、PM2.5相关浓度等参数,在获得这些数据之前,必须要做的一步操作是对屏幕校准,对屏幕是否进行校准进行判断,若已校准,则开始获取相应的数据;如果未进行相应校准,则进行初始化,待校准完毕继续执行操作。

3.3 APP软件

APP软件采用了android studio开发平台,androidstudio是谷歌推出的一个安卓集成开发工具,基于IntelliJIDEA.它提供了集成的开发工具以供开发与调试。本次设计的终端APP主要是为了实现PM2.5浓度、温度、湿度等参数操作。本次主要是通过将WiFi模块作为一个热点,然后手机APP与它进行链接,从而实现MCU通过WiFi与APP进行简单的通信数据连接。APP端主要是网络调试助手,通过对WiFi模块的配置,设置好WiFi名字、密码,以及TCP服务端口号。手机端需要先对WiFi进行连接,然后进入网络调试助手,激活端口号建立好连接。本次设置的WiFi名字是“ESP8266”,密码为“012345678”,IP及端口号分别是“192.168.4.1”、“5000”。

总结

本文设计的智能空气净化器,经测试实现了PM2.5浓度的实时测量,并能通过APP和按键实现超限报警参数的设置,当超过600 ug/m3时,将产生报警信号提示进行净化开关操作;对温湿度检测精度达到温度为20~50℃,湿度为20%~98%;同时实现了APP通过WiFi对设备的开关控制、参数显示等相关操作。通过手机终端对空气质量进行监测,极大的方便了用户,用户可在手机终端通过按键进行空气净化器进行相应的开关操作。

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