基于STM32单片机的空气净化器毕业设计

毕 业 设 计学生姓名： ， 学 号： 学 院： 电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 题 目： 基于单片机的办公室用空气 净化器控制系统设计 指导教师： 评阅教师： 2017 年 6 月毕 业 设 计 中 文 摘 要随着我国现代化进程的脚步不断加快，各地方 PM2.5 值居高不下。针对这一现象，本课题以 STM32 单片机为控制核心，首先对国内外空气净化器做了具体分析，给出了一种电压可调式的办公室用空气净化器总体设计方案；其次，根据市场需求及方案可行性对比，对 MCU 最小系统单元、TFT_LCD 液晶显示模块、L298N驱动模块、DHT11 温湿度传感器、SDS011 激光传感器进行了硬件电路设计，搭建了完整的硬件平台；再次，基于嵌入式操作系统采用模块化编程的方式，完成了对主程序、显示子程序、PWM 输出子程序、数据采集子程序、上位机控制台操作子程序等设计；最后，进行空气净化器的整体测试，据试验结果可知，本设计实现了数据采集、触屏控制、档位选择、开关机设定、无线通信等功能。关键词 STM32 单片机 空气净化器 液晶显示 激光传感器 触屏控制毕 业 设 计 外 文 摘 要Title Design of Office Air Purifier Control System Based on Single Chip Microcomputer AbstractWith the development 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， First of all domestic and international air purifier has done a detailed analysis，A voltage adjustable office with the overall design scheme of 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 platformAgain ，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 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本 科 毕 业 设 计 第 页 共 页目 录1 引言 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 国内外发展状况 .11.3 课题主要工作 .32 控制器方案设计 .42.1 控制器总体方案设计 .42.2 方案论证对比 .43 控制器硬件电路设计 .73.1 单片机控制电路设计 .73.2 显示电路设计 .93.3 驱动电路设计 .123.4 按键电路设计 .133.5 数据采集电路设计 .134 控制器软件设计 .164.1 主程序设计 .164.2 显示子程序设计 .164.3 PWM 输出子程序设计 .224.4 数据采集程序设计 .234.5 上位机程序设计 .274.6 其它子程序设计 .275 试验与调试 .305.1 DHT11 温湿度传感器试验与调试 .305.2 SDS011 激光传感器试验与调试 .305.3 上位机控制器试验与调试 .31本 科 毕 业 设 计 第 页 共 页5.4 试验与调试 .32结论 .38致谢 .39参考文献 .40附录 A ：空气净化器主电路原理图 .41附录 B ：下位机 C 语言主程序 .42附录 C ：上位机 C#语言主程序 .44本 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 45 页1 引言1.1 课题研究背景及意义如今，在社会快速发展进步的同时，空气的污染状况也在日益加剧。随着国内近几年的发展，化石燃料与汽车尾气的排放，使得我国空气质量严重下降，尤其是 PM2.5细小微粒成为污染物的罪魁祸首。其主要来自于大自然的天然产生和人类的实践活动。大自然的污染主要来自于风沙、火灾以及其它极端天气。人类活动的污染主要表现在汽车尾气排放、煤炭发电厂、吸烟等社会活动。研究表明，PM2.5 对人类的生活健康水平有着极其恶劣的影响，它能够通过呼吸道进入体内，对人体器官造成伤害。所以，检测出室内 PM2.5 浓度并进行有效的治理直接关系到人们的生活水平与身心健康。因此，根据这一现象，市面上出现了越来越多的空气净化装置。其中，空气净化器使得这一问题得以解决。对于长时间处于室内工作的人们来说，空气净化器尤为重要。空气净化器可以对室内多种气体污染和灰尘颗粒等悬浮物进行有效的处理，通过机内的通风装置使室内空气循环流动，让空气得以净化。所以，对空气净化器的研究有着十分现实的意义。1.2 国内外发展状况近年来，受空气污染的影响，空气净化技术蓬勃发展。由此，改善空气质量的方式也逐渐增多。目前，在市场上主流的净化空气方法主要有：源控制、通风和空气净化。源控制是指对污染的源头进行控制处理，其能有效的从根本上解决空气的污染问题，是国外很多城市处理空气污染的主要手段。虽然控制效果不错，但其成本也着实不低。通风控制也能降低室内空气的污染程度，但其需要良好有效的控制调节装置。空气净化是指利用物理或化学等手段对空气中污染物进行吸附过滤等处理。或者对一些有毒的不良气体来说，高温、化学灭菌也是净化空气的常用手段。早在上世纪七、八十年代，国外空气净化器已有了发展，欧、美等发达国家在空气污染方面已经有了较深的研究，尤其是对有害物体的治理有了相当大的改善。美国在当时是全球最大的空气净化器消费国，随着第三次科技革命的到来，空气净化器迅速蔓延。在日本，由于特定的大气环境，在每年的春秋到来之际，花粉过敏者不计其数，因此，空气净化技术蓬勃发展。但大部分净化原理都是基于过滤网的物理吸附。目前，随着智能时代的快速到来，夏普、松下等国际品牌也加入其中。在欧洲，宠物本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 45 页受到大众们的欢迎。一到夏季，室内由于宠物掉落的毛发增多而使空气受到严重的污染。与此同时，由于宠物本身自带的特殊气味或者可能的病菌等原因，使得空气污染源变得复杂。因此，这一现象迫使其空气净化装置的发展。如今，其空气净化方法众多，技术处于全球先进水平。在我国，由于抗日战争的缘故，起步相对较晚，直至改革开放，我国科技才有了初步的进展。近几年，虽然在经济发展上取得了举世瞩目的成果，但在空气清洁方面却相对于其他国家有一定的差距。无论在国外亦或在国内，室内空气净化器是实现空气净化的最直接、便捷的仪器，尽管各国发展历程不尽相似，但从目前来看，空气净化器产品主要有以下几种：机械过滤式净化器、机械过滤吸附式净化器、静电式净化器、负离子净化器 21、紫外光空气净化器等。机械过滤式净化器，是一种小型空气过滤器，空气经风机加压，通过过滤材料，从而净化颗粒污染物，只能除去一定大小的颗粒污染物，总体净化效果不佳。机械过滤吸附式净化器，分别采用不同的净化机理取出颗粒污染物和气态污染物，这种净化器将普通空气过滤技术与活性炭吸附技术结合起来，总体上改善了净化性能，但活性炭存在吸附饱和状态，比较麻烦，因而没有得到广泛应用。静电式净化器，是一种静电式空气过滤器，对较大的颗粒污染物效果较好，但是会产生臭氧等二次污染物，正被逐步淘汰。负离子净化器，负离子净化器是目前被广泛使用的一种净化器，通过强电场产生负离子与颗粒污染物结合形成“重离子” ，沉降或吸附在物体表面，并能杀灭细菌，净化效果良好，但是，这种空气净化器同样能产生臭氧，造成二次污染。紫外光空气净化器，是利用了紫外线的原理通过紫外线的照射，穿透微生物的细胞膜，破坏各种病菌，细菌，寄生虫以及其他致病体的 DNA 结构，毁灭其核酸分子键，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，从而达到消毒灭菌的作用 21。无论如何，虽然各国空气净化器发展均有不同，但总体来说，净化器种类正趋向于自动化、人性化、智能化等方向发展。现阶段，市场上产品种类繁多，价格混乱，虽然外观各有不同，但真正的净化效果却大同小异。本文将以净化空气中 PM2.5 污染为起点，设计一种功能强大、操作方便、净化效果良好的空气净化器。本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 45 页1.3 课题主要工作本课题根据办公室工作环境的实际情况以及所学专业知识完成了一款适合教师在办公室使用的新型空气净化器控制系统的设计。主要工作包括：（1）对比了国内外发展状况，根据人们日常生活的需求，提出了本课题的总体设计方案及功能模块的选择。包括控制模块的选择、显示模块的选择、数据采集模块的选择等。（2）完成了系统的硬件电路设计。包括 CPU 外围电路设计、显示电路设计、驱动电路设计、各传感器接口电路设计等，搭建了一套完整的硬件平台。（3）完成了系统的软件程序及界面设计。包括主程序设计、各子程序设计以及上位机界面的程序处理算法的研究。（4）对设计的控制系统进行了全面的测试。包括待机显示界面、温湿度采集、空气质量检测、档位切换、开关机设定以及无线通信等功能。经分析试验结果可知，本课题设计的空气净化器满足实际工作的要求。本 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 45 页2 控制器方案设计2.1 控制器总体方案设计根据所学知识及相关资料，本设计由供电电路、数据采集电路、驱动电路、按键电路、显示电路、上位机控制电路六部分组成。系统总体方案如图 2.1 所示。图 2.1 空气净化器总体方案本设计中采用单片机作为空气净化器的控制核心 14。结合传感器、显示器、驱动器以及无线收发器等重要部件共同完成了控制系统所要求的功能。该空气净化器能够对室内 PM2.5 浓度以及温湿度进行监测并通过无线模块发送至上位机，而且能够根据所测参数做出相应的处理措施。具有良好的节能效果和人机交互界面。总体设计原理图如附录 A 所示。2.2 方案论证对比2.2.1 控制模块方案对比方案一：选取 STC12 系列单片机作为主控芯片STC12 系列单片机是一种工作方式与 51 系类相仿，但功能略强的一款高速处理型单片机。工作频率可由分频器分频至 0-35MHZ。它的 36 个通用 I/O 口可通过程序设置成四种输入输出模式。该芯片有贴片和直插两种封装类型。拥有 PCA 高速输出功能，处理速度比 51 系列单片机快上许多。但其资源有限、处理速度相对于 32 系列较慢。因此，此芯片在本设计中有些力不从心。最重要的是该芯片无法支持 TFT_LCD 液晶的显示，更实现不了触本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 45 页屏功能。方案二：选取 STM32 系列单片机作为主控芯片STM32 系列单片机工作时最高频率可达 72MHZ，是 STC12 系列单片机的 6-72 倍。其内部不仅集成 FLASH 存储器更是集 64K SRAM 存储器于一体，拥有庞大的数据存储功能。而且，该芯片内部含有 RTC 时钟电路，在外部有电源供电的情况下能利用系统内滴答定时器连续不断地计时。不仅如此，此类单片机还拥有 5 个串行通讯端，能通时支持 5 类串行通讯设备，是其它单片机无法比拟的。该芯片不仅有高速的处理速度，而且拥有众多的板载资源，功能十分强大。144 个引脚使其足以支持任何功能。串行通讯端口使得其在读取 PM2.5 传感器数据的同时能通过另外串口将数据快速传送至上位机。此外，该芯片能驱动 TFT_LCD 液晶屏，具有方便快捷的控制效果。综上所述，本设计选取 STM32 系列单片机作为主控芯片。2.2.2 显示模块方案对比方案一：选取 LCD12864 液晶作为显示模块LCD12864 是一种多线串行接口方式的点阵形液晶显示模块，其分辨率为 128649。既可以用来显示字符，又可以通过中文字库显示汉字。但其有限的显示字数和复杂的时序位置操作以及简陋的显示效果和其无法触控的特点使得其并不完全适合充当本设计的显示模块。方案二：选取 TFT_LCD 液晶作为显示模块TFT_LC