基于STM32单片机的室内新风机控制系统设计
基于STM32单片机的室内新风机控制系统设计
孟珩
（泰山科技学院 山东泰安 271000）
作者简介：孟珩，硕士，讲师，主要研究方向为智能控制与自动化装置。
基金项目：泰山科技学院2023年度校级一流本科专业“电气工程及其自动化”建设项目 ；泰山科技学院2023年度校级一流本科课程“自动控制原理”建设项目。
摘要：随着现代工业化水平的不断提高，大气污染问题日益突出，且直接影响到空气质量安全，针对室内空气污染治理这一焦点问题，本文设计了一种基于STM32单片机的室内新风机控制系统，该系统由环境数据采集端、控制板、执行机构及物联网监控平台组成，可以实现对室内环境温湿度、CO2浓度、PM2.5等环境因子的采集，并在空气质量不佳的情况下以自动或手动的方式进行调节，以达到空气质量调控的目的，该系统经过测试，达到设计预期效果。
关键词：空气质量；新风机；控制系统；STM32单片机；物联网
Abstract：With the constant improvement of the level of modern industrialization, atmospheric pollution problem increasingly prominent, and directly affect the air quality and safety, according to indoor air pollution control the focus problem, this paper designs a new indoor fan control system based on STM32 microcontroller, the system by the environmental data acquisition terminal, control panel, actuators and iot monitoring platform, It can realize the collection of indoor ambient temperature and humidity, CO2 concentration, PM2.5 and other environmental factors, and adjust the air quality automatically or manually under the condition of poor air quality, so as to achieve the purpose of air quality control. The system has been tested and achieved the expected design effect.
Key words: Air Quality; Air Ventilation Recycle systems; Control system; STM32 Single Chip Microcomputer; Internet of Things
工业污染、新房装修等原因造成的室内空气质量安全问题已经引起了各国的高度重视，在此环境下增加了人们罹患呼吸系统疾病的风险，传统开窗通风的方式也可能带来室外有害气体、粉尘等污染，从而进一步加重室内空气的污染程度[1]。近年来，新风机设备的使用逐渐增多，通过专用系统的净化向室内送新风，从另一侧由设备向室外排出污浊空气，形成室内的“新风流动场”，提高空气质量。
新风机是由风机、进排风口、各种管道及接头组成，新风机在工作时，房间内污浊空气经排风口排出，使室内形成负压，室外空气过滤、灭毒、杀菌、增氧后由进风口进入室内，且风机主机内部的热交换系统可以实现回收冷量、热量，达到降低能耗、节约能源的目的。针对新风机的控制系统设计，国内外专家学者已取得了很多研究成果，李雪莲[2]采用Atmega16单片机设计了新风机控制系统的核心控制板，并采用基于SVPWM算法的调控方式，实现风机的变频调速控制。姚志浩[3]采用西门子公司生产的通用逻辑控制模块，实现了新风机控制电路的可靠性和自动化性能。赵爱国等[4]设计了一种多联机与新风机复合空调系统降低能耗的优化控制策略，设计系统仿真模型验证了其低功耗性能。张姣[5]设计了一种基于16位单片机的新风机智能控制系统，该系统可根据监测室内温湿度、PM2.5、CO2等环境因子进行空气质量的自动调控。刘静[6]采用西门子S7-1200作为控制器，配合多种传感器监测环境数据，为风机的环境调控动作提供依据。廖子源[7]等设计基于Arduino的室内环境监测系统，在环境因子浓度不在适宜范围时，新风系统启动工作。本文主要设计基于STM32单片机的室内新风机控制系统，以下为文章主要研究内容。
1新风机控制系统整体设计
本文设计的室内新风机控制系统采用STM32单片机作为控制器，配合多种传感器可以实现室内温湿度、CO2浓度、PM2.5等因子的采集，并通过物联网平台显示当前室内环境状态，在空气质量不达标的时候，控制核心发出信号，通过驱动模块控制新风机自动进行工作。同时，该系统具备手动控制的功能，以满足使用者的需求。
根据设计过程中室内环境的数据采集、传输、应用、调控等需求，依据设计满足科学性、实用性、扩展性的原则，将本文设计的新风机控制系统分为数据采集端、控制中心、调控端、应用端，系统整体结构图如图1所示。
图1. 室内新风机控制系统整体结构图
2新风机控制系统硬件电路设计
本设计根据用户需求及设计原则，采用了STM32F103C8T6单片机作为控制器，搭载温湿度传感器、CO2浓度传感器、PM2.5传感器进行室内环境数据的采集，为新风机的自动实时调控提供依据，采用SIM800C GPRS模块实现下位机数据采集的上传，选用物联网平台作为监测端，随时查看，方便灵活。整个硬件设计分为了单片机最小系统电路、传感器采集模块电路、GPRS模块通信模块电路、供电模块电路、驱动模块电路、报警模块电路等。
2.1 单片机最小系统
本设计采用STM32F103C8T6单片机作为控制器，采用3.3V电源进行供电，在PD0和PD1引脚间跨接8MHz晶振、两个22PF的电容，配合内部电路工作产生时钟源[8]。复位电路采用上电自动复位和手动复位结合的方式进行设计，同时设计了程序下载电路，其单片机最小系统电路图如下图2所示。
图2. 单片机最小系统电路图
2.2 系统供电电路
根据系统功能需求，设计了稳定可靠的供电电路。一方面控制器STM32单片机、程序下载电路需要进行3.3V的供电电源，另一方面，驱动电路、温湿度传感器、CO2浓度传感器、PM2.5传感器及GPRS模块需要进行5V供电。为满足供电需求，设计采用PW2162 DC-DC同步降压转换器芯片将12V电转换为3.3v电源，采用7805稳压芯片并设计电路完成12V转5V电的设计，其电路图如下图3所示。
图3. 系统电源电路图
2.3 温湿度采集模块电路
室内温湿度数据监测采用了成本较低的DHT11温湿度传感器，是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器，采用了单总线通信协议，温湿度的测量范围分别在0-50摄氏度与20%-90%RH,其设计温湿度采集模块电路如下图4所示。
图4. 温湿度传感器接口电路 图5. CO2浓度传感器接口电路
2.4 CO2浓度采集模块电路
CO2浓度数据的采集应用了MH-Z19B型号的传感器，其根据非色散红外原理对二氧化碳的浓度进行采集，输出方式可选，在本系统设计中采用了串口输出，较为方便。该型号传感器采用5V供电，CO2浓度的测量范围在0-10000PPM之间，其电路设计原理图如上图5所示。
2.5 PM2.5浓度采集模块电路
该系统对室内颗粒物浓度的采集，采用了PM2.5传感器?PMS7003，这一型号的数字式通用颗粒物传感器基于激光散射原理，工作时能连续采集，并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，换算成为质量浓度。其传感器接口电路如下图6所示。
图6. PM2.5浓度传感器接口电路 图7. PM2.5浓度传感器接口电路
2.6 GPRS模块电路
本系统设计的下位机与终端之间的通信采用无线通信的方式，根据设计的需求和成本采用了GPRS通信技术，实现下位机数据的传输和终端控制指令的快速下达。电路设计中采用了SIM800C型GPRS模块，其优点是服务器接收数据与用户发送数据一致，可以进行数据缓存，即使出现通信的异常，可以保证先接收室内环境因子所测数值，网络连接恢复后再发送到终端，该模块使用AT指令完成相应参数的配置，进而实现网络连接和传输数据，其模块接口电路如上图7所示。
2.7 驱动模块电路
本设计采用STM32单片机作为系统的控制器，其无法直接驱动大电流设备，根据功能实现要求，设计继电器控制电路，实现室内新风机的控制，继电器驱动电路如下图8所示。
图8. 系统继电器驱动电路图
3新风机控制系统软件设计
在完成系统整体结构设计和硬件电路设计的基础上，该系统软件程序设计采用了高效的模块化编程思路，将整个系统的复杂程序进行功能性的子程序划分，子程序包括了温湿度采集、CO2浓度采集、PM2.5采集、调控及通信等模块，主程序和不同子程序之间可以相互协作，实现系统整体功能的平稳运行。
图9. 系统主程序设计流程图
该新风控制系统上电后，设备进入初始化状态，完成上电自检。在程序设计中，设置数据上传周期为20s，分别对采集到的三种数据进行上传，并在终端进行显示，供用户进行查看。在相应环境因子不符合适宜浓度值时，终端收到警报信息，新风机开始做出有效的调控动作。同时，系统程序扫描过程中，会判断终端有无发出指令，并进行适当处理，其主程序流程设计如上图9所示。
4系统调试
经过终端物联网平台创建设备、连接设备、通信协议设置等一系列操作，完成终端与下位机之间的通信，进行设备仿真测试。当室内颗粒物浓度及二氧化碳浓度超标时，系统会自动启动新风机进行室内的通风换气，系统响应较灵敏。在我国，pm2.5标准范围值为24小时平均浓度小于75微克/立方米为达标，当前系统PM2.5浓度达到135.7uk/m3，系统自动调控功能启动进行调控，终端配置及手机微信小程序监控画面如下图10所示。
图10. 终端设备配置及监控画面图
5结语
本文设计的基于STM32单片机的新风机控制系统，工作时预计可以采集二氧化碳浓度、PM2.5浓度、温湿度等，并进行空气质量监测，当PM2.5浓度不在适宜范围之内或CO2浓度过高时自动启动新风机，经过室内排风及从室外输入过滤空气的方式，形成室内空气的循环、流动，从而达到空气质量调节的效果，同时系统还在物联网平台设置了手动控制开关，满足了不同情况下的使用需求，该设计对新风机控制系统的推广有一定意义。
6参考文献
[1] 朱春, 刘思坦, 王丽娜,等. 室内空气智能化监测方法与应用[J]. 中外建筑, 2021(8):4.
[2] 李雪莲. 室内空气质量检测与新风机控制系统的设计[D]. 山东科技大学, 2017.
[3] 姚志浩. 浅谈西门子LOGO在空调新风机控制系统中的应用[J]. 山东工业技术,2016(15):2.
[4] 赵爱国, 祝用华, 晋欣桥. 多联机与新风机复合空调系统优化控制研究[J]. 制冷技术, 2015(1):5.
[5] 张姣. 基于ATmega16L的智能新风机控制系统设计[J]. 现代电子技术, 2022(045-012).
[6] 刘静. 基于S7-1200PLC的风机控制系统设计[J]. 现代电子技术, 2019, 42(8):4.
[7] 廖子源，王晓娜等. 基于 Arduino 的室内环境检测系统设计[J]. 实验室科学, 2022, 25(3):8.
[8] 杨泽. 基于STM32的室内空气净化系统设计[J]. 电子技术（上海）, 2022(051-004).
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