【《单片机控制的紫外线消毒系统硬件和软件系统设计案例》8700字（论文）】

单片机控制的紫外线消毒系统硬件和软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u19449第1章绪论 214755第2章系统设计方案 3186492.1整体设计方案 366432.2主要元器件选择 3147592.2.1主控芯片选择 3133002.2.2显示模块方案选择 4167672.2.3无线传输模块方案选择 418811第3章硬件设计 4281243.1主控电路模块 484863.2甲醛检测电路模块 5260373.3CO浓度检测电路模块 5321803.4热释电红外感应电路模块 6168633.5无线电路模块 6228723.6继电器电路模块 735033.7显示电路模块 7195393.8按键电路模块 7229413.9声光报警电路模块 8401第4章系统软件设计 8225074.1编程软件介绍 8289744.2主程序流程设计 9316494.3按键设置流程设计 1061464.4显示界面切换流程设计 1152194.5风扇和消毒灯状态判断流程设计 1223715第5章实物测试 14301815.1整体实物焊接总图 1455155.2实物上电测试 14286795.3手机远程操控实物测试 143125.4手动控制实物测试 15176405.5功能测试 1618561总结 1829802参考文献 19

摘要针对人们对所处环境的消毒要求，使用嵌入式微处理器STM32F103C6T6作为控制单元，采用Wifi802.11无线通信协议，再配合红外人体感应模块和甲醛、CO等有害气体传感器等，依据紫外线特有的消毒功能，设计了一款智能消毒系统。通过紫外线消毒系统可以远程调控消毒灯和风扇的工作状态。当紫外线消毒时，可以对消毒区域进行检测，当检测到有人进入时就会停止紫外线消毒，当检测到有害气体超过人们生活安全值时，进行自动通风和报警，并通过手机、WiFi、云平台进行数据的传输。通过WIFI将检测到的CO浓度和甲醛浓度数据实时上传到云平台，再通过云平台将数据下发到手机APP上。也可以通过手机APP控制模式、消毒灯、风扇，这些指令会实时上传到云平台，云平台再将指令下发到WIFI上，从而远程控制该消毒系统。该设计方便用户使用,满足了人们对生活环境的需求，不仅不会危害到人体，还会帮助人体维生素D的合成。并且达到了远程控制的目的，从而达到智能化消毒，为节省人力物力做出贡献。关键词：紫外线消毒云平台有害气体检测人体红外远程控制第1章绪论空气是人们生活的基本物质条件，当空气受到外界污染或者空气中含有大量病毒的时候，将会对人们的身体健康有严重影响。传统的设计中，通常使用臭氧消毒、高温消毒或者甲醛熏蒸等。使用这些方式进行消毒，虽然可以消灭空气中的细菌和病毒，但是这些方式会有一定的局限性，人在打开消毒系统之后，必须立刻离开，当有人误入或者忘记关闭时，将会给人的身体造成损害或者一些隐形的病发症。所以使用这些传统的消毒方式时就需要特别注意，所以目前只有医院或者一些较为特殊的环境中才会使用。悬浮在空气中的病毒或者微生物是无处不在的，而且这些病毒的体积较小，人们肉眼无法看见，从而被忽视，在当前我们所知道的病毒中，许多病毒的传播都是通过空气，尤其在冬天和夏天的时候，大多数人使用空调和风扇，使室内处于封闭的状态，正是这种环境，让一些病毒更加容易成活下来。因而这两个季节发病人群就会增多，鼻炎和眼睛炎症的患者越来越多。但是治疗这些疾病的医疗费用往往较高，所以室内空气质量必须要得到改善。因此设计一款基于STM32单片机的紫外线消毒系统REF_Ref24124\r\h[1]。该设计通过对人体检测，自动控制消毒灯的开关，当有人的时候，关闭消毒灯。还可以进行定时消毒，也可以远程控制消毒，并且可以检测其它有毒气体，如甲醛和CO的浓度，当检测到的浓度超过安全值时，会有报警提醒并且进行通风，以此来实现安全的紫外线消毒。此次设计功能齐全，稳定性好，价格低廉，检测也较为准确，操作也较为简单，所以此次设计具有实际意义和现实需求。本次设计了一款基于STM32单片机的紫外线消毒系统，它能打破以往紫外线消毒的弱点，达到更好的消毒效果，具有显著的优越性，具有运行稳定可靠、适应性好等优点REF_Ref32627\r\h[3]。此次设计可以实现定时消毒的功能，在消毒时，如果检测到环境中有人出现，为了防止对人体造成伤害，消毒灯会自动关闭，还可以将室内的有害气体浓度显示在显示屏上，并且将这些数据传输到云平台，当这些浓度值超过阈值时，蜂鸣器会报警提醒并且风扇会自动进行通风REF_Ref627\r\h[4]。数据通过wifi进行无线传输，将远程的数据发送到手机APP上，用户可以通过手机远程控制消毒。第2章系统设计方案2.1整体设计方案此次设计可以分为三个模块：输入模块、中控模块、输出模块REF_Ref2530\r\h[5]。输入模块可以分为五部分：第一部分是甲醛检测模块，用来检测甲醛浓度，第二部分是热释电红外感应检测，用来检测环境中是否有人，第三部分是CO检测模块，用来检测CO浓度，第四部分是按键，用来调整工作的时间、甲醛和CO浓度的阈值以及模式的选择，第五部分是供电模块，用来给整个系统进行供电；中控部分采用STM32单片机作为此次设计的主控芯片，主要是将传感器检测的信号进行处理，处理后控制输出；第三部分是输出模块，主要可以分为四部分，第一部分是显示屏，用来显示检测到的甲醛浓度值和CO浓度值。第二部分是声光报警，当检测到有害气体超过阈值时，进行声光报警。第三部分是消毒灯，通过继电器闭合来进行室内消毒REF_Ref1616\r\h[6]。第四部分是继电器，用来控制风扇，当有害气体超过阈值的时候，使用风扇进行通风处理。除此之外还有wifi模块，该模块不仅仅是输入模块，也是输出模块。当WIFI作为输出端时，将获取到数据上传到云平台，云平台再将数据下发到手机APP上。作为输入端时，手机APP上传指令到云平台，云平台再将指令下发到WIFI上。图2-1整体系统框图2.2主要元器件选择2.2.1主控芯片选择方案一：采用ESP8266作为此次设计紫外消毒的主控芯片，这款单片机支持使用串口、定时器、WIFI等；该芯片内部通过产生不同的PWM脉冲实现对电机的转速进行控制，虽然使用这款芯片其内部的资源较为丰富，其价格也较为便宜，但是使用这款芯片的输入输出口有限，当需要使用的输入输出口较多时，需要进行外部拓展输入输出口。方案二：选用STM32F103C6T6作为此次紫外线消毒的主控芯片，这款芯片内部资源较为丰富，拥有的串口较多，可供用户使用的串口有两个，具有6个定时器，37个输入输出口，3个通道的PWM，通过使用这款芯片，可以实现较为丰富的功能，当前，这款芯片已经在很多领域进行使用，且当前国内生产的这款主控芯片价格也较为便宜。综上：此次设计考虑到需要使用的输入输出口较多，采用STM32F103C6T6作为此次设计的主控芯片。2.2.2显示模块方案选择方案一：采用TFT屏作为此次设计的显示模块，使用这款显示屏可以将显示屏的分辨率增加，用户可以使用该显示屏实现各种炫彩的效果，虽然这款显示屏的显示效果较好，但是使用这款芯片价格较高，使此次设计的成本增加。方案二：显示模块采用OLED显示屏，这款显示屏显示的颜色较为单一，但是这款显示屏具有较多的优点：使用这款显示屏可以显示字符、中文、字母等，且这款显示屏的分辨率也较高，其显示的亮度较高，并且价格偏低。综上：虽然使用这两款显示屏都可以作为此次设计的显示屏，但是考虑到成本问题，需要显示的清晰度，最终选择方案二作为此次设计的显示模块2.2.3无线传输模块方案选择方案一：采用蓝牙作为此次设计的无线传输模块，蓝牙进行通信时通过串口和单片机进行连接，蓝牙的工作电压较宽，允许输入输出的电压为3.6V到6V之间，但是在使用时，不允许使用7V的电压对此次设计的系统进行供电，蓝牙在配对之后，电路中的电流变小，仅为10mA，但是在未配对之前电路中的电流我i30mA，通过使用蓝牙可以使得系统和手机或者电脑进行通信。方案二：采用WiFi作为此次设计的无线传输方式，采用Wi-Fi作为具有较多的优点，采用WIFI可以实现远距离进行传输或者通信，不受到距离的影响，通过WiFi连接手机或者电脑可以实现远程控制。若使用蓝牙，其使用距离只在10m范围之内，而使用WiFi，其使用距离在50m范围之内，由于此次设计需要的距离较远，所以蓝牙的距离不够，因此最终选择方案二，使用WIFI作为此次设计的无线传输方式。第3章硬件设计3.1主控电路模块此次设计的紫外线消毒系统采用的主控芯片是STM32F103C6T6，主要考虑到设计产品的性能和信息的处理速度，还有使用串口的数量，虽然使用51系列较为便宜，但是其处理速度较慢而且串口较少，不够此次设计的使用，所以采用STM32F103C6T6作为此次设计的主控芯片。图3-1是ST公司的STM32系列单片机原理图。主控芯片通过输入输出口或者串口对输入进行处理，然后控制输出，甲醛浓度传感器将检测到的甲醛信号通过单片机的PA0传输到单片机进行处理，此次设计需要检测具体的甲醛浓度值，所以将该传感器的模拟量输出口接到单片机，单片机内部的模数转换芯片将其转换为数字信号；CO浓度检测也甲醛一样也需要检测出具体的浓度值，所以将CO浓度检测的模拟输出通过和单片机的PAC进行连接；人体热释电和单片机的PB5进行连接，将检测是否有人的信号通过该引脚传输到单片机；此次设计使用两个继电器分别和单片机的PB3和PB4进行连接，分别控制紫外线消毒灯和风扇，这两个继电器配合甲醛浓度和人体热释电进行使用，实现防止CO浓度过高中毒或者检测到防止有人紫外线对其进行造成伤害；单片机将检测的甲醛、CO、人体热释电信息经过处理通过显示屏和单片机的连接引脚PB6和PB7进行传输显示在显示屏上；按键和单片机的PA4到PA7进行连接，四个按键用来切换控制模数、显示模块、和对当前的参数进行设置。当检测到CO浓度或者甲醛异常时通过声光报警和单片机的PC13和PC14进行连接，单片机将检测的情况和程序设置的进行对比，然后将声光报警的引脚拉低或者拉高使得其进行声光报警。图3-1主控芯片原理图3.2甲醛检测电路模块此次设计选择MS1100甲醛传感器，用来检测室内空气中甲醛浓度。它接入单片机的PA1引脚,主要利用其检测较为准确，灵敏度较高的特点。甲醛是一种有毒气体，对人们的身体健康有严重危害，特别是一些新建设好的住房，甲醛浓度一直很高，很多时候，人们不太去关心这些有毒气体，致使身体受到危害。而此设计通过对室内甲醛浓度的检测，可以将甲醛浓度显示在显示屏和手机上，方便人们实时观察室内的甲醛浓度，在甲醛浓度达到阈值时，进行报警以及通风处理。图3-2为甲醛检测电路原理图。图3-2甲醛检测电路原理图3.3CO浓度检测电路模块此次设计采用MQ-7来检测室内的CO的浓度，它接入单片机的PAC引脚，主要是利用该材料表面的二氧化锡的电导率和空气中的CO浓度成正比，因此特别适合用来检测一氧化碳的浓度。如果室内一氧化碳浓度过高，容易使我们中毒，但是CO又很容易被氧化成二氧化碳。在室内门窗禁闭的情况下，如果发生煤气泄露，容易对人的生命造成威胁。在本次设计中，当该模块检测到CO浓度过高时，蜂鸣器会进行报警，风扇通风，手机端也会实时更新浓度的变化。CO传感器模块如图3-3所示。图3-3CO浓度检测电路原理图3.4热释电红外感应电路模块在使用紫外线消毒时，必须确保室内无人，所以此次使用热释红外传感器REF_Ref12312\r\h[8]。用来检测室内是否有人。它接入单片机的PB5引脚。该模块检测人体是利用不同物体会发出不同波长，相同的物体在不同的温度下也会发出不同的波长，人体正常的体温在35~37度左右，一般我们发射10UM的红外线。热释电红外感应电路原理图如图3-4所示。图3-4热释电红外感应电路原理图3.5无线电路模块为了能够远程控制室内消毒灯或者风扇，以及了解室内CO和甲醛浓度值，通过WIFI将数据远程发送到手机进行显示，也可以使用手机端控制消毒灯和风扇的关、闭。此次设计采用ESP8266作为WIFI模块，它的TX端接入单片机的RX1，RX端接入单片机的TX1，主要利用该模块成本较低、使用较为简便而且功耗较低的特点。图3-5为此次设计的无线电路模块原理图。图3-5无线电路模块原理图3.6继电器电路模块此次设计需要对风扇和紫外线消毒灯进行控制，采用继电器作为控制风扇和消毒灯的开关。该继电器具有很多的优点：小功率可以控制大功率，还可以实现弱电控制强电。使得该继电器较为安全，还具有继电保护功能。该继电器的接法也较为简单，将单片机的引脚PA.0连接到三极管PNP的基极，使继电器进行打开和关闭，与外接风扇或者消毒灯构成一个回路，在运行过程中控制继电器的关闭REF_Ref3455\r\h[9]。继电器控制原理图下图3-6所示。图3-6继电器模块电路原理图3.7显示电路模块此次设计采用OLED显示屏。用来显示时间、CO和甲醛浓度、控制方式。采用OLED进行显示，主要原因是使用OLED显示的画面较为清晰，而且显示的数据较多，这款显示屏的重量较低，在显示黑色的时候，就完全不发光，使该模块更加的省电REF_Ref9778\r\h[10]。该模块可以自动发光，它的接线也较为简单，只有四个引脚，只需要将引脚1接电源VCC，引脚2接地，引脚3接PB6，引脚4接PB7。OLED屏电路原理图如图3-7所示。图3-7显示模块电路原理图3.8按键电路模块此次设计需要对消毒系统进行自动控制和手动控制，需要实现对显示界面的切换及界面参数的设置。此设计采用了四个按键，按键K1用来实现对自动模式和手动模式的切换，按键K2用来对设置参数的+1操作，按键K3用来对设置参数的-1操作，按键K4用于切换测试界面和设置界面。在此系统中选用了独立按键，所以采用一按键对一线的按键结构，电路图如图3-8所示。设置单片机IO口为输入状态，“0”时为输入，此时单片机会检测按键端口的实时状态，当按键按下，就会执行相应的动作。但是在实际使用过程中，需要一定的反应时间。但是，单片机执行周期时间很短，所以会多次检测按键的动作程序，导致按键出现错误判断[9]。按键的触点会在闭合或者断开的瞬间，出现抖动，在设计中可以采用硬件电路消除抖动或者用软件编程方式去抖动。图3-8独立按键电路原理图3.9声光报警电路模块此次设计采用声光进行报警，当检测到CO浓度和甲醛浓度超过阈值时，进行声光报警。声：采用蜂鸣器；光：采用二极管。蜂鸣器有两种，分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，此次设计采用的是有源蜂鸣器，当CO和甲醛浓度超过阈值时，单片机PC14端口会将低电平发送给三极管基极，从而将三极管导通，蜂鸣器进行报警。报警电路采用的是LED灯，接单片机的PC13端口，当CO和甲醛浓度超过阈值时，PC13端口会输出低电平，从而LED发光报警REF_Ref12609\r\h[11]。声光报警电路如图3-9所示。图3-9声光报警模块电路原理图第4章系统软件设计4.1编程软件介绍本设计所用到的编程软件为Keil5，其界面如图4-1所示：图4-1Keil5开发界面此次设计的消毒灯采用的编程语言为C语言，使用的编程软件为Keil5，这款编程软件是当前人们使用较多的编程软件，由于这款单片机支持编程的单片机种类较多，如51类、32类，受到很多编程开发人们的喜欢，使用这款编程软件进行编程，其编程较为简单，且可以将编程的结果显示在软件的最下方，并且可以显示编程过程中的错误或者一些警告，编程人员通过双击编程的结果可以自动切换到问题行，在运行0错误0警告时，可将程序下载到单片机中。4.2主程序流程设计主流程图如图4-2所示。在主程序流程中，先将初始化各个模块，然后进入主循环，在while主循环中，先进入按键函数，扫描按键，确定是否有按键按下，当检测到有按键按下时，进行如下处理：如切换控制模式、设置CO浓度最值、甲醛浓度最值、调整定时时间等；然后进入第二个函数，通过CO传感器和甲醛传感器获取当前的CO浓度或者甲醛浓度值；再进入第下一个函数显示函数，根据不同的标志位来显示不同的内容，包括主测量界面显示时间、CO浓度、甲醛浓度、控制模式，设置界面显示CO浓度的限值、甲醛浓度限值、消毒时间等；最后进入第四个函数：状态判断函数，该函数主要通过不同的状态标志控制消毒灯和风扇的开或关。图4-2程序总体流程图4.3按键设置流程设计按键设置子流程图如图4-3所示。检测到按键按下时，如果检测到按键1按下，则进行系统控制模式的切换；如果检测到按键2按下，在界面1为CO设置界面时，CO浓度最大值+1，在界面2为甲醛浓度的设置界面时，甲醛浓度的最大值+1，在界面3在定时开始界面时，定时开始时+1，在界面4为定时开始分界面时，定时开始分+1，在界面5为定时结束时，定时结束时+1，在界面6时，定时结束分+1；如果检测到按键3按下，在界面1为CO设置界面时，CO浓度最大值-1，在界面2为甲醛浓度的设置界面时，甲醛浓度的最大值-1，在界面3在定时开始界面时，定时开始时-1，在界面4为定时开始分界面时，定时开始分-1，在界面5为定时结束时，定时结束时-1，在界面6时，定时结束分-1。如果检测到按键4按下，则进入设置界面。图4-3按键设置子流程图4.4显示界面切换流程设计显示界面切换子流程如图4-4所示。根据不同的界面标志位来显示不同的界面，界面标志位为0时，显示此刻的时间、CO浓度值、甲醛浓度值，控制模式；界面标志为1时，显示并可以设置CO浓度的最大值；界面标志位为2时，显示并可以设置甲醛浓度的最大值；界面标志位为3时，显示设置区间定时开始时间时；界面标志位为4时，显示设置区间定时开始时间分；标志位为5，显示设置区间定时结束时；界面标志位为6时，显示设置区间定时结束分。图4-4显示界面切换子流程图4.5风扇和消毒灯状态判断流程设计风扇和消毒灯状态判断流程如下图4-5所示。当检测到的CO浓度大于设置的最大阈值时，风扇继电器闭合，进行通风。当消毒时间在设置时间之内时，且检测到没有人的时候，打开紫外线消毒灯进行消毒，否则关闭紫外线消毒灯。当接收到云端打开通风信号时，自动打开通风继电器；当从云端接收到关闭信号时，自动断开通风继电器。当接收到云端打开消毒灯的信号时，自动打开消毒灯进行消毒；当接收到云端关闭消毒灯信号时，自动关闭消毒灯。 图4-5风扇和消毒灯状态判断子流程图第5章实物测试5.1整体实物焊接总图实物整体焊接如图5-1所示，从图中可以看出该设计包括STM32单片机及其组成的最小系统、电源、纽扣电池、人体红外热释模块、WIFI模块ESP8266、OLED灯、蜂鸣器、CO检测模块MQ-7，风扇及其驱动风扇的继电器，消毒灯及其控制消毒灯的继电器，四个独立按键。图5-1整体实物焊接图5.2实物上电测试将焊接好的实物进行上电，此时通过OLED屏可以看出，此时的时间为16：55：37、CO的浓度为14ppm、甲醛的浓度为17ppm，系统运行的模式为自动，实物上电测试，如图5-2所示。图5-2上电测试实物图5.3手机远程操控实物测试通过WIFI将检测的CO、甲醛浓度上传到云平台，并将数值发到手机端，通过手机可以实时查看浓度值及浓度的变化，也可以对控制方式进行改变，改变控制风扇和消毒灯的开关REF_Ref13080\r\h[12]。如图5-3左为控制方式的调整，左边第一个开关为开则代表该模式是手动；如图5-3右，开关为关，则模式为自动模式。图5-4为手机端控制风扇消毒灯的实物测试。中间的开关控制消毒灯，此时为关闭状态所以消毒灯不亮，第三个开关控制风扇，此时为开启状态，所以风扇工作。图5-3左手机调整手动控制方式实物测试图5-3右手机端调整自动控制方式实物测试图5-4手机端控制风扇消毒灯实物测试5.4手动控制实物测试通过第一个按键可以将控制模式调整为手动控制，实物测试如图5-5所示，通过第四个按键可以切换设置模式，按键按下一次，进入CO浓度设置界面，再通过中间两个按键进行数值调整，CO浓度实物设置如图5-6所示，再次按下第四个按键进行甲醛浓度设置界面如图5-7所示，再次按下第四个按键进入消毒灯消毒时间设置如图5-8所示。图5-5手动控制实物测试图5-6CO浓度设置实物测试图5-7甲醛设置实物测试图5-8时间设置实物测试5.5功能测试在CO、甲醛浓度处于正常的时候，风扇和消毒灯都不进行工作，实物如图5-9所示。此时若检测到CO浓度过高，测试中通过打火机在MQ-7周围点燃，这时控制风扇的继电器运行指示灯点亮，风扇转动，实物测试如图5-10所示。若将打火机在没有点着的时候放在MS1100甲醛传感器处，可以看到此时甲醛的值在快速增加，实物测试如图5-11所示。通过按键设置好紫外线消毒灯的消毒时间，此时消毒灯没有工作，主要是红外热释检测到人体就不进行工作，实物测试如图5-12所示，若将人体热释遮挡住，测试可以看到紫外线消毒灯进行工作，实物测试如图5-13所示。图5-9正常实物功能测试图5-10CO功能检测浓度实物测试图5-11甲醛功能检测实物测试图5-12人体热释功能检测实物测试图5-13紫外消毒功能实物测试总结本设计主要是为了改善人们室内的生活环境，同时又具有消灭细菌、净化空气且不会对人的健康造成伤害。因此设计了一种基于STM32单片机的紫外线消毒系统。使用STM32F103C6T6芯片作为此次紫外线消毒的主控芯片。使用CO有害气体传感器、红外人体感应模块和甲醛检测等模块，通过手机、WiFi、云平台进行数据的传输。主要实现了以下功能：1.该系统能够远程通过手机端控制消毒灯和风扇的开关。2.可以通过按键设定消毒灯的自动工作时间，在紫外线消毒期间，热释电红外感应模块可以对消毒区域进行检测，当检测到有人进入时，紫外线就会停止工作