【《单片机控制的空气净化器系统硬件和软件设计案例》6300字】

单片机控制的空气净化器系统硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u30705单片机控制的空气净化器系统硬件和软件设计案例 124164第1章空气净化器系统硬件设计 269651.1控制系统的设计 2221321.1.1控制系统STM32F103C8T6的概述 2187111.1.3晶振电路 3224591.1.4复位电路 4156421.2MQ-2烟雾传感器检测电路 4190211.3DHT11数字温湿度传感器电路 6223221.1.1DHT11数字温湿度传感器的概述 635111.1.2DHT11温湿度传感器电路设计 688311.4LCD1602液晶显示电路 728991.2.1LCD1602液晶显示器的概述 7109431.2.2LCD1602液晶显示器电路设计 842091.5空气净化风扇工作原理 8241701.3.1电机的概述 9221471.3.2电机的设计 9272871.6HC-05蓝牙模块工作原理 945921.6.1蓝牙模块的概述 9100081.6.2蓝牙模块电路设计及调试 1025659第2章空气净化器系统软件设计 1172812.1主程序设计 11134692.2MQ-2烟雾传感器设计 13150042.3DHT11温湿度传感器设计 14190202.4液晶显示设计 1520137第3章系统的调试及实验结果 1676723.1硬件调试 16304083.1.1系统调试的准备工作 16174883.1.2接通电源 1639043.2连接蓝牙模块 1785863.3温湿度传感器检测调试 18103203.4烟雾传感器检测调试 19第1章空气净化器系统硬件设计1.1控制系统的设计1.1.1控制系统STM32F103C8T6的概述STM32F103C8T6是一款32位的直流电压微控制器，最大直流电压工作范围为2.0-1.6v，最大直流工作频率为72MHz，该单片机的程序数据存储器具有64KB和20KB的数据存储单元[13]。STM32F103C8T6单片机由最小处理系统板上的MCU电路、BOOT选择电路、复位电路、USB接口电路、电源指示灯、SWD调试接口、晶振电路、ST-Link下载电路、滤波电容、外接引脚等组成。该单片机具有耗电低、操作方便、运行快的特点，如图2所示。图2STM32F103C8T6单片机1.1.2电源电路电源电路主要有供电电路和降压电路组成。供电电路可以使用普通的USB接口电源，5V电源输出。降压电路USB的5V输入，输出为1.3V，如图3所示。图3电源电路1.1.3晶振电路晶振电路是一种专门用来为芯片输出时钟的信号，与两个电容进行并联的方式使用，晶振电路的频率决定了电容的大小，一般采用22PF。在制作画板的时候晶振尽量距离芯片更靠近一点，晶振底部尽量不要直接穿过其它的分支电路，防止晶振信号受到串扰，不同种类的晶振也很有可能会根据自己所选择的晶振类型而进行相应的电路设计，如图4所示。图4晶振电路1.1.4复位电路复位控制电路的主要功能和基本作用是为了能够保证系统工作后能够重新恢复至初始工作状态，单片机存在的多种复位电路方式分别为：上电复位、系统复位和系统后备份处理区域的复位。我们经常采用的复位控制方法是NRST引脚的低电平复位和上电复位。NRST引脚的低电平复位是通过一个按键上的复位控制电路进行传递的并给这个引脚一个低电平，当电源复位时NRST引脚被拉下来，外部的按键复位和内部的的复位两个脉冲同时一起进行，使得复位系统重新进行了一次复位，如图5所示。图5复位电路1.2MQ-2烟雾传感器检测电路MQ-2型烟雾传感器需要采用的材料是一种二氧化锡离子式半导体，包含了一个模拟量信号输出指令和一个TTL的电平信号输指令。TTL输出一个低电平信号，当内部输出低电平时，该传感器的信号灯就一定会自动点亮，可以直接与其他的单片机设备相连，对于各种家庭用的液化气，天然气，城市里用的煤气检测效果良好。烟雾传感器优点为使用寿命长、设备运行可靠稳定和快速检测反馈与恢复等[14]。可燃性气体与有机烟雾可直接被检测为主要技术特性，在一定时间内被检测出的有机物浓度范围内100~10000ppm。该电路供电电压需小于24V，加热电压5±0.2V。若进行加热时的电压过大，会直接导致内部输入的电流过大，将内部信号接触线熔化，从而造成器件的报废，如图6所示。图6MQ-2烟雾传感器工作原理图MQ-2气敏传感元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层测量电极层和加热器组成，将牢固地安装固定到由塑性材料或其它不锈钢制品所做的腔内[15]。加热器为每一部分都提供了所需要工作的环境。封装好的气敏电路元件共设有六个针脚，其中四个针脚主要是为了对气敏信号的电子信号进行提取，另外两个针脚主要为了对电流进行加热，如图7所示。图7烟雾传感器实物图1.3DHT11数字温湿度传感器电路1.1.1DHT11数字温湿度传感器的概述DHT11数字温湿度检测传感器是一种使用温度与湿度相互结合以及自动控制温湿度数字校准的传感器，主要采用技术为数字单元的数据采集技术以及温湿度传感器技术,以保证产品的高可靠性和卓越的长期稳定性，可以连接性能很好的单片机，该系列产品还特别许多关键特性，例如信号质量好、反馈响应快、抗干扰能力强、性价比高以及信号传输距离长[16]。每个传感器分别对其检测到的温湿度进行了精确的自动校准，将被精准校准后的温湿度参数以程序方式实时存放在数据存储器中,当在传感器内快速地处理测量的信号数据时，将调用这些已经校准的参数。该设计为4针单排包装，连接方便，可根据用户需要提供特殊的包装形式。1.1.2DHT11温湿度传感器电路设计DHT11传感器具有能耗低、响应速度快、测量精度高等特点。DHT11芯片只有4个引脚，所以连接起来非常方便。只需要在引脚1处接3-3.5v的工作电压。在实际工业应用中,通常需要采用5v的工作电压。引脚3为空,引脚4为GND接地,引脚2为串行模拟数据总线,与STM32F103C8T6的P2.0端口相连采集温湿度数据方式。DHT11传感器将采集到的信息传送给单片机。单片机根据接收到的信息，在单片机系统中将其转换成可见的数字变量，然后将数据传送给LCD进行显示，如图8所示。图8DHT11温湿度传感器工作原理图1.4LCD1602液晶显示电路1.2.1LCD1602液晶显示器的概述该设计使用LCD1602液晶显示器显示信息。可以显示32个字符，具有一个D0-D7

8位数据总线和三个RS、R

/

W和EN控制端口，工作电流2mA，工作电压设为5V为最佳状态，具有字符对比度调整和背光[17]。根据实际需要，在1602显示屏上设置温度、湿度及相应参数。现如今液晶显示模块具有机身薄、适用大规模集成电路、显示质量高、画面效果好、应用广泛等。显示方式主要包含有数字、特殊符号或者其他图形。在单片机的各种人机交互应用界面中,通常的输出模式为LED、LCD等如图9所示。图9LCD1602显示器从产品选择的角度来看,人们经常将LCD产品的样式分为以下几种类型:位段式、字符型和图形点阵式。常见的是位段型数字液晶显示模块每个显示字符由8段组成,只能够显示少量数字和某些文本中的字母,如果必须显示其它少量的文本符号,可以根据自身需求由厂家定做,可以把需要显示各种不同类型符号都放到指定的位置显示。而诸如STN液晶显示器一般也都是可以作为中小型,有的是单一的颜色,也有的是伪彩色；TFT液晶显示器由小到大的类型都有。除了TFT液晶显示器外,一般小型液晶显示器都需要内置一个控制器(所谓控制器这个基本概念实际上就是一个建立在小型显示卡上的一个芯片),直接的向液晶显示器屏幕提供MPU接口;而对于大中型号的液晶显示器,我们要想控制它的显示功能，都需要外加控制器，电路非常复杂。1.2.2LCD1602液晶显示器电路设计液晶显示的工作原理就是利用了液晶的物理性能。液晶属于一种特殊物质状态，在一定温度区间内可以表现为固态、液状、气态多种形态,它具有与其他晶体相同的双折射性,又有与其液体同样的流动性。通常可以将其分为热致型的液晶与溶致型的液晶。在这些新型液晶显示技术应用中,大多数都使用热致型的液晶对数据进行显示，超过特定的温度区间时,热致型的显示液晶就不会显示原有的状态。温度将低时,结晶状态显现出来；温度升高状态发生改变，晶体状态变成液体状态，所以液晶显示元件的液晶存储温度系数特性表示液晶表面呈现为液体状态的一个温度区间。LCD1602采用标准16针接口，第一个引脚是直流电源引脚接地,第二个引脚是5V电源正极输入电压,第三个引脚是电源接地端子。当电源与正极引脚相连时,对比度最弱,当电源与接地引脚相连时,对比度最高,16脚背光负极[18]如图10所示。图10LCD1602电路图1.5空气净化风扇工作原理空气净化风扇主要是由小型电动机与风扇组成，与单片机连接，受单片机控制。1.3.1电机的概述目前市场上有许多类型的微型电动机，它们可以分为三种类型：电磁式，复合式和非电磁式。主要的电磁部件包括定子部件，转子，电动机绕组和电刷。复合式类型是各种设备和电子电路的组合。非电磁式和电磁式都有着相同的外部形状和结构,例如旋转式的产品可以做成圆柱形,线性式的产品可以做成一个方形,但是内部的结构因其实际工作的原理而存在着很大的差异。1.3.2电机的设计本设计采用300带线小马达，直径245mm，高度为125mm，轴直径2mm，长7mm，电压1.5-9V，电流10mA，空载转速1500RPM线长13cm，小电机的主轴与风扇连接。空气净化风扇主要是由小型电动机工作运转驱动风扇旋转净化室内空气。当空气检测装置检测到的数据高于预警值时电机处于工作状态,运行一段时间后，检测到的数据信息低于预警值,电机停止工作净化结束,循环往复的进行此操作对空气质量进行实时的监测,使室内空气处于良好的状态，如图11所示。图11空气净化风扇1.6HC-05蓝牙模块工作原理1.6.1蓝牙模块的概述HC-05是一款带有蓝牙串口转换器，连接到微控制器的串行端口，允许微控制器经过蓝牙与其他设备相互通信。模块本身可以在主模式和从模式下运行，并且可以用于各种应用。例如，智能家居的应用、远程控制、数据记录的应用、机器人、监控系统等。该模块随时可用作完成的分线板（以及没有分线板），通过标准串行连接到现有项目。HC-05蓝牙模块为主从集成模块，未连接输出低、连接输出高。指示灯闪烁表示蓝牙未连接，停止闪烁表示蓝牙已连接。蓝牙接口为1.3V电压，可直接与其他单片机相连接。体积小、防尘美观、抗静电的特性。它既可以使用户直接通过AT命令切换到主机或从机的模式，也可以使用户通过AT命令与指定的设备相互连接，如图12所示。图12HC-05蓝牙模块1.6.2蓝牙模块电路设计及调试HC-05的主要工作是项目添加双向（全双工）无线功能。它可用于两个具有串行功能的微控制器（如两个Arduinos）之间的通信，但它也可用于通过微控制器控制任何蓝牙设备，反之亦然。HC-05通过TX和RX引脚，支持使用标准AT命令。为此，用户必须在设备启动时进入特殊命令模式。这是通过在打开模块时将钥匙销拉低来完成的。否则，设备将启动进入数据模式，这样它就可以与其他设备进行无线通信。模块启动后，任何蓝牙设备（例如智能手机）都应该可以发现它。然后，您可以使用标准密码连接到设备。建立连接后，数据通过HC-05传输并转换为串行流，然后由模块连接的微控制器读取该串行流，从微控制器发送数据的方式相反。HC-05蓝牙模块主要包括命令响应形式和自动连接形式，进入AT命令有二种方法:（1）只要按住该按钮向上拉EN脚，灯缓慢地闪烁，SPP-05自动进入命令模式。波特率的默认值为38400，此模式被称为最初的模式并且处于命令模式中。（2）HC-05通电，红灯快速开始闪烁。将按键按下或者手动拉EN，HC-05就会自动进入命令状态，默认正常的波特率为9600。在正常工作命令状态下，只有当重新按命令键或者拉高EN点才能够使它处于命令执行状态。在自动连接的模式下，该模块大致可以划分为三种角色:主、从及环回。当模块已经处于一个自动接入模式时，将根据预设的模式来自动地进行连接信号的传输。当模块处于一个命令响应的模式，它就可以执行AT命令。用户还可以通过将不同类型AT命令发送到模块内部的控制参数中或者是向一个模块发出控制命令。第2章空气净化器系统软件设计软件系统是整个控制系统中非常重要的组成部分。在控制系统中，软件控制硬件设备以实现硬件的功能需求。比如系统要控制空气净化风扇，则必须首先通过有线串行通信程序完成控制功能，然后设置按键功能，通过对该软件编程可以轻松实现一些性能测试和数据显示。软件设计一般分为主程序设计和子程序设计，子程序设计主要包括烟雾检测系统程序设计、温湿度检测传感器程序设计、液晶显示程序设计等。2.1主程序设计系统完成上电后，执行全部单元的初始配置，烟雾传感器进行延时预热。该传感器预热时间完全结束后，系统进入正在运行的预热状态。首先，在MQ-2烟雾传感器和温湿度检测传感器正常运行后，传感器采集周围区域的数据并将检测到的数据发送到微控制器。微控制器读取检测到的数据，经过数据处理功能对数据进行处理并将其与设定值进行比较，数据对比后微控制器发出相应的指令控制其他电路运行，液晶显示屏和SPP软件显示检测到的数据。如果检测到的数据超过设定值，则驱动电机和蜂鸣器电路工作。工作后，净化装置运行，蜂鸣器报警。当检测到的空气质量数据与设定值相比低于设定值时，空气净化风扇停止运行，工作流程如图13所示。开始开始延时延时5秒气体传感器数据采集集气体传感器数据采集集LCDLCD显示屏显示检测数据中断设定预警值信号 N中断设定预警值信号Y N 更新预警值更新预警值判断是否超过预警值判断是否超过预警值报警器和电机工作 Y报警器和电机工作图13主程序工作流程图2.2MQ-2烟雾传感器设计接通电源后，烟雾传感器启动20秒预热后处于正常状态，通过检测周围空气污染程度，获取数据信息经单片机处理传输到LCD显示屏，单片机根据接收到的数据与设定的阀值对比判断是否超标，未超标时继续循环检测，超标的情况下单片机发出指令蜂鸣报警器和电机工作，一段时间后恢复到正常状态仍继续循环检测，流程如图14所示。开始开始初始化初始化单片机读取数据单片机读取数据 循环 检测到烟雾检测到烟雾 N Y报警、电机运行 报警、电机运行图14MQ-2烟雾传感器工作流程图2.3DHT11温湿度传感器设计通电后初始化完成，DHT11温湿度传感器检测室内温度单片机读取温度数据传输到LCD显示屏，通过按键可对温度预警值进行增减。单片机将采集到的数据与预警值对比判断此时的室内温度是否低于设定的预警值，若高于设定的预警值，单片机发出指令蜂鸣器报警、电机运行驱动风扇旋转降低室内温度，室内温度未超标系统处于循环检测状态，工作流程如图15所示。开始开始初始化初始化读取温湿度数据读取温湿度数据LCD显示数据 循环LCD显示数据判断key1和key2是否按下 判断key1和key2是否按下 未按下 温度预警值相应增减 按下温度预警值相应增减 未超标 温度预警值与测得数据对比超标温度预警值与测得数据对比报警、电机运行报警、电机运行图15DHT11温湿度传感器工作流程图2.4液晶显示设计本设计采用了LCD1602液晶显示屏，单片机将检测和处理完成的传感器数据实时发送到液晶显示屏上，然后显示屏通过一个的数据显示出来，使操作者能够更直观地看到当前的空气质量数据，工作流程如图16所示。开始开始定义管脚定义管脚设置显示模式设置显示模式设置输入模式设置输入模式传送显示地址传送显示地址传送传送返回返回图16液晶显示流程图第5章系统的调试及实验结果3.1硬件调试3.1.1系统调试的准备工作首先绘制总电路图并对此进行排版设计，依据所绘制的电路图焊接电路板，将其他所购买的硬件部分对应电路板的接口焊接在电路板上。其次本设计对室内空气质量进行检测实验，应在室内的环境下进行实验测试测试，准备好测试用到的电源，电源线，实物以及需要安装的部件。其中选用充电宝作为电源，温湿度传感器元器件、蓝牙元器件、烟雾传感器元器件分别插入相对应的接口，注意方向，方向插反会导致模块烧毁，如图17所示。图17通电前实物图3.1.2接通电源数据线分别连接电源接口和充电宝接口，按下蓝色开关按钮，电路板上蓝色指示灯亮起，其他电路通电成功指示灯亮，LCD液晶显示屏显示信息。液晶显示屏上的数据信息分别表示为T代表检测到的室内温度，H代表检测到空气中湿度百分比，F代表设置的预警值（阀值），NOPM表示电路处于正常运行状态