唐 伟，谢永智

（桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林 541004）

在当前的社会环境下，住房问题成为了人们关心的最大问题。在这个背景下，拥有一个绿色的健康的居住环境是人们共同的追求。

本设计所指向的应用环境是民用建筑的智能通风。利用传感器的采集空气数据的特性，了解居住环境的空气质量，由主控芯片进行数据的处理，发送起始信号给执行机构，自动调节空气质量。当空气中的环境质量达标后，发送停止信号，执行机构停止运动。此外还可以通过按键开关单独控制执行机构的启停。

本系统主要由MQ-135空气质量传感器、MQ-2易燃气体检测传感器、DHT11 温湿度传感器、TFT-LCD 液晶显示屏、STM32F407ZGT6 单片机、电源模块、报警装置和通风机构组成。通过传感器检测各个房间的PM2.5 浓度、易燃气体浓度和温湿度数据，并在TFT-LCD液晶显示屏上。将采集到的数据与自己预设的值相比较，如果大于阈值就会报警并打开通风或加湿装置。其控制功能结构框图如图1所示。

图1 系统控制功能结构框图

单片机最小系统主要分为电源电路、振荡电路以及复位电路3部分。电源电路为单片机以及传感器模块提供正常工作所需要的电压；振荡电路使用了一个振荡率为12 Hz 的晶振，晶振是一个单片机控制系统的核心，没有晶振单片机就无法正常工作；复位电路的作用是使单片机系统恢复最初始的状态，随着程序的运行，有可能无法准确地判断程序运行到哪个位置，按下复位按键，使系统复位回到程序开始运行的初始位置。

DHT11 温湿度传感器的湿度测量范围在20%～90%，温度测量范围在0～50 ℃，但是DHT11 的测量精度不是非常高，多用于小规模的温湿度检测。本设计所指向的是民用建筑的室内智能通风系统，对于温湿度的精度要求并不高，在满足测量的条件下，选择DHT11 的性价比较高。原理图如图2所示。

DHT11 传感器收到主机发送的开始信号后，从低功耗的休眠模式转换成高速运行模式。等待主机发送的开始信号结束后，即主机拉高电平，停止信号的发送，DHT11 向主机发送一个低电平的应答响应信号。在拉高延时准备输出，拉低电平同时返回40位的数据，完成模拟信号的采集，一般都是高位在前，低位在后。采集数据完成后，DHT11 返回初始状态，等待主机再次发送起始信号如果没有接收到主机的起始信号，DHT11 不会进行温湿度采集。

图2 DHT11温湿度传感器

MQ-135 气体传感器所使用的气敏材料是二氧化锡（SnO2），二氧化锡在正常空气环境中电导率较低，而当传感器所处环境中存在一定含量的污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大[1]。它对烟雾和其他有害气体的检测也很理想。所以这种传感器主要用来检测空气的质量。

MQ-2气体传感器多用于家庭的气体泄漏检测装置，主要用于检测液化气、酒精、烟雾等易燃气体。在气体传感器采集到数据后，如何将采集到的数据转换成空气中实际浓度的含量，以MQ-2气体传感器为例，计算浓度与输出电压的关系如下：

式中：n为常数，与气体检测灵敏度有关，除了随传感器材料和气体种类不同而变化外，还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化[2]；m为常数，表示随气体浓度而变数的传感器的灵敏度（也称作为气体分离率）。对于可燃性气体来说，m的值多数介于1/2～1/3[2]。

传感器的电阻阻值的计算如下：

式中：VC为回路电压；VRL为传感器4、6脚的输出电压；RL为负载电阻。

根据以上式子可以求出传感器电阻RS。根据MQ-2 传感器的电导率随着气体的浓度增大而增大，得出其输出电压的公式如下：

式中：VC为回路电压，即引脚1、3 之间的电压；RS为传感器的阻值；US为传感器引脚4、6之间的输出电压。

如果空气中的气体浓度上升，则会导致RS下降，根据式（3），则输出电压值US会增加。所以得到空气中气体的浓度与传感器的输出电压值呈正相关。

一个功能完全的LCD 液晶屏幕显示系统主要分为3 个部分：第1部分为主控系统，控制信号的发送；第2部分为LCD显示控制器，控制信号的读取与写存，当主控系统的CPU 向LCD 显示控制器发送信号，将数据写入帧存控制模块中，帧存控制模块在整个LCD 显示系统中起到的作用是给显示数据一个缓冲的时间；第3 部分为LCD 显示屏，主要将需要显示的数据通过地址总线和数据总线，发送到图形处理模块，将传进来的数据进行分析处理后，通过LCD 的时序发生模块发生脉冲波，通过拉高脉冲，把要显示的数据发给显示器，数据发送结束后拉低脉冲。

TFT-LCD液晶显示电路原理如图3所示。

图3 2.8寸TFTLCD液晶显示屏模块原理图

通风换气的模块通过继电器串联一个5 V直流风扇进行控制。正常通电情况下，继电器接常开，在没有得到单片机发送信号时不做动作，如果检测到温度过高或者气体浓度超标时，继电器得电吸合，由常开变为常闭，风扇开始转动。

系统软件的设计应考虑到产品的功能要求，逐步实现控制要求。功能要求：能够自动检测两个房间的温湿度与空气质量，设置报警值并自动控制两个房间的通风装置的启停，而且还有能够具备手动控制风扇的启停的功能[3]。主程序的流程如图4所示。

图4 主程序的程序执行流程

本设计中主要使用到了ADC数模转换的相关知识。12位ADC数字模拟转换器有多达18个通道，可测量16个外部信号源和2个内部信号源，是一种逐次逼近型的转换器[5]。每个通道的A/D 转换可以单次、连续扫描或间断模式执行，本设计中采用到的是A/D转换的单次扫描，将结果储存在FSMC寄存器中[5]。

STM32F4 中ADC 的转换分为规则通道组和注入通道组[6]。其中规则通道是系统正常运行的程序，而注入通道，就相当于中断函数[6]。在程序正常执行的时候，注入通道的转换可以打断规则通道的转换，规则通道只能在注入通过转换完成后才能够继续转换[6]。

本设计用到的是STM32F407自带的ADC时钟电路，在初始化ADC的时候，需要参考到STM32F407的参考手册，查阅相关的时钟初始化及配置程序。ADC 在开始精确转换之前需要一段稳定时间tSTAB，ADC 开始转换并经过15 个时钟周期后，EOC 标志置1，转换结果存放在16 位ADC 数据寄存器中[7]。

开启ADC时钟后，编写数据读取函数，使用串口调试助手，进行数据的接收与显示。这里用到串口调试，需要编写串口函数，打开串口。使用Printf函数打印出MQ-135、MQ-2和两个DHT11的数据。

注意：这里读取出来的值是在0～4 095之间的一个值。但是无法直观地感受到空气中的浓度，所以需要将它转换成百分比来看。用读取到的值除以4 095，再乘以100%，就可以转换成百分比值，方便比较。

经过串口调试过后的程序，确定各传感器的数据转换与读取函数没有问题，编写主函数后，在LCD 屏上显示自己想要的数据。

自从控制部分以房间一为例，当检测到的可燃气体的浓度大于预设值时，开启蜂鸣器和继电器，进行报警以及通风。通风完成后，关闭蜂鸣器和继电器。

手动控制部分以房间二的换气扇和加湿器进行演示。系统初始化设置运行模式为自动模式，自动模式下按动按键无法触发按键函数。在按下模式切换按键后，系统执行手动控制的函数。按下KEY1打开继电器，开启位于客厅的换气扇，再次按下则关闭继电器。

本文主要研究了如何通过单片机系统对室内房间进行智能通风换气的设计与实现。通过利用STM32F407ZGT6高性能的单片机以及温湿度和气体传感器，实现房间的温湿度以及空气质量的检测，能够通过LCD 显示屏进行实时显示、实现超限报警并开启通风的控制要求；同时还能自动或通过按键手动控制调节装置。自动控制时，当环境条件高于安全值时开启报警装置提醒用户，并自动通风。当环境条件降低到可以接受的范围时，会停止空气调节装置的运行；手动控制可以根据自身的体感舒适度开启或者关闭空气调节装置。

机电工程技术2020年12期