基于激光型PM2.5传感器的空气净化器设计

白天奇++孙炎辉

摘 要：从激光型PM2.5传感器的特性入手，根据环境中PM2.5浓度的标准值设计一款激光型PM2.5传感器空气净化器。以STM32系列芯片为主控芯片，利用激光型PM2.5传感器对环境中的PM2.5浓度进行实时采集，根据采集到的PM2.5的浓度，自动调节电机转速，从而带动指定环境空气对流，使空气通过专用的PM2.5滤网，从而达到过滤环境中PM2.5含量的目的。与此同时将空气质量信息以及其他一些辅助信息显示在机身自带的液晶屏上，用户可通过蓝牙利用移动终端上的App进行空气质量的实时监控与净化等级的调节。从而简单、可靠地净化了空气中的可吸入微颗粒物，得到了良好的净化效果。

关键词：激光型PM2.5传感器；STM32；PWM；无刷直流电机

中图分类号：TN108+.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-04

0 引 言

近些年伴随着现代科技的发展和工业化进程，环境污染的问题愈发严重。而一项新的污染指标——“PM2.5”逐渐引起人们的重视，即空气中直径小于等于2.5 m的颗粒物。这种往往被忽视的颗粒物也正因其粒径小，面积大，活性强，更易附带有毒、有害物质如重金属、微生物等特性，在大气中的停留时间长、输送距离远，从而对大气质量造成了很大的影响[1]。同时这些微颗粒物对人体的危害极大，并且PM2.5也广泛存在于我们日常生活的室内环境中。因此必须寻找一种有效的方式，从技术入手，检测某指定环境下PM2.5的浓度指标，并在浓度超过预定阈值时及时反馈至用户随身携带的电子设备，同时允许用户通过蓝牙远程控制电机以有效降低PM2.5的浓度，从而解除某指定环境中PM2.5浓度过高带来的威胁。传统的空气净化器多采用红外线传感器，无法灵敏及时地采集空气中PM2.5的浓度值。但随着激光技术的发展，激光型传感器也普遍应用于各个领域。同样，把激光型PM2.5传感器应用于空气净化器领域，我们将更加准确及时地了解到当前环境中PM2.5的浓度参数。同时我们还可将温湿度传感器等加入该设计中，使采集到的信息更加多样化，也使得产品更加人性化。

1 设计方案

本文所述产品主要实现的功能有如下几项：

（1）激光型PM2.5传感器对环境中的PM2.5浓度进行实时采集，让用户能及时了解到净化器所在环境中的微颗粒物污染情况。

（2）根据采集到的PM2.5的浓度，自动调节电机转速，带动空气对流以过滤PM2.5，从而实现空气的智能净化。

（3）将空气质量信息及其他一些辅助信息显示在机身自带的液晶屏上，用户可以直观地了解到环境中PM2.5的浓度、温度以及湿度信息。

（4）蓝牙模块与移动终端进行信息互传，实现空气质量的显示并通过移动终端控制空气净化器。

本文所述产品选用高性价比的STM32系列芯片为主控芯片实现本设计的功能。因要求设计基于激光型PM2.5传感器的空气净化器，因此不考虑传统的红外传感器。虽然两种传感器同样都利用光散射的原理，但由于激光型传感器采用频谱窄、能量强的激光作为光源，所以灵敏度更高，所设计出的产品采集到的数据也更加准确、及时，能够满足当前要求[2]。同样由于工作重心在于硬件功能，蓝牙模块仅用于无线数据传输，将工作量更多的投入在硬件功能的设计方面，因此选择HC-06蓝牙模块以避免复杂的栈协议带来庞大的工作量。而在电机的选择上，虽然交流电的电源条件容易满足，但交流电源难以控制，能耗大。在考虑到用户的维护成本时，有刷电机的缺点显而易见，虽然成本相对无刷电机低廉很多，但能耗大、机械损耗大不可忽视。通过多方面考虑，最终选用无刷直流电机。其硬件系统设计框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 主控芯片

本设计采用STM32F103C8T6芯片作为主芯片，该芯片的工作频率最高可达72 MHz，RAM容量为20 K×8，高达20 K字节的SRAM。同时，该芯片含有睡眠、停机和待机这三种低功耗模式，其VBAT为RTC和后备寄存器供电，更加符合节能低功耗的要求。该芯片可兼容USB、USART和CAN等多种串行通讯方式。而且其工作电压为2.0 V～3.6 V，在电路上容易实现，且价格便宜合理。

2.2 PM2.5传感器

本设计采用激光型PM2.5传感器——CP15-A31e。CP15-A31的输入电压为5 V，输出信号的电压为3.3 V。

由于现在激光传感器已大量投入使用，国内许多厂家也开始生产激光传感器，因此其成本已大大降低。经初步查阅，将本设计采用的国产激光型PM2.5传感器范围锁定在攀腾科技的PMSX、武汉四方的PM2005和益杉科技的CP15-A3这三种低能耗传感器中。这三种激光型传感器工作室电流均小于120 mA。在精度方面，CP15-A3的精度为±5%，远高于PM2005和PMSX的±15%。而且在成本方面CP15-A31e（CP15-A3的改进型）每只为150元，其余两个传感器的价格在120元到180元不等，考虑到性价比等因素，最终选用CP15-A31e。PM2.5传感器电路图如图2所示。

2.3 电机模块

交流电机电压为220 V。有刷电机的摩擦大，损耗大，需要定期清理更换碳刷，而且因为有刷电机中电刷和换向器的接触电阻很大，容易产生很大热量，而高温可使磁钢退磁，影响有刷电机寿命，同时发热也将很大一部分电能转化为热能，因此输出功率不大，效率也不高。在同样的情况下，无刷电机去除了电刷，不会像有刷电机那样在转动时产生电火花，极大地减少了对本设计中蓝牙传输模块的干扰。而且去除电刷后，原本因为摩擦产生的噪音也会大大减小，不仅使设备运行更加稳定，也使得产品在居家环境中更人性化。值得一提的是，无刷电机因去除了电刷，因此主要是轴承方面产生磨损，从机械角度上看，这几乎是一种免维护的电动机，其拥有更长的寿命，需要更少的维护。而且根据设计要求，传感器检测到环境中的PM2.5含量超标时，系统会开启电机，调节PM2.5浓度使其降到标准值，所以要求电机的可控性强，同样要求能耗尽量降低，故本设计最终选取无刷直流电机。本文所述方案采用正科电机生产的BLDC-38SRZ-S电机，其转速为4 000转，足以带动空气对流并通过滤网，降低指定环境中PM2.5的浓度。同时其额定功率仅为10 W，符合低能耗的设计倡议。此电机自带6脚驱动模块。电机模块电路图如图3所示。

2.4 蓝牙模块

根据要求本设计利用蓝牙模块与移动终端进行信息互传，实现空气质量的显示并可通过移动终端控制空气净化器的操作，经对比，最终选用HC-06。HC-06是主从一体化的蓝牙串口模块，可切换主从指令，指令少于同系列的HC-05，使用简单。其供电电压为3.3 V～3.6 V，工作电流不大于50 mA，能耗低，模块的尺寸为27 mm×13 mm×2 mm，较为小巧，有助于减小产品体积，更加人性化，而且HC-06在一般家居环境中的通讯距离能达到8 m10 m[3]，完全可以满足家居环境对设计的要求，故最终选取HC-06为本设计的蓝牙模块。蓝牙模块电路图如图4所示。

2.5 按键模块

本设计之所以采用按键模块是为了实现阈值的调整，设计完成时会预设一个PM2.5浓度的报警阈值。考虑到实际情况，本设计将设置值定义为一个三位数。用户可通过S1选择当年调节的设置值位数，例如个位、十位或者百位。S2则为增加数值，S3为降低数值。S2与S3每次改变的数值为1。同时设置值的每一位可调节范围均为0至9。事实上，由上文可知，室内存在PM2.5是无法避免的，但我们的目的是将其过滤掉，故适宜的设置值不会很高，默认设置为30，建议设置值为30至50。

用户可通过按键模块自行调节阈值，而系统通过算法检测与阈值的差值等级来调节电机转速。本设计旨在使产品更加人性化。其算法流程图如图5所示。

3 软件设计

在软件设计上，首先要进行STM32串口的初始化，然后执行while主循环程序查询串口3中读取PM2.5传感器转化后的结果并显示在液晶屏上并将采集到的数据发送至App以判断当前PM2.5浓度是否达到阈值，如果达到阈值则发送警报到移动终端，若没有达到则再回到主循环中继续监控。当查询到串口3读取传感器转化的结果的同时判断是否接收到了App发送来的设置的PM2.5浓度的参数，系统判断当前环境中PM2.5浓度与设定值之间的差值等级，从而调节电机转速，加强空气对流并通过滤网，使空气中的PM2.5浓度接近设定值。整个程序回到主循环中再次执行，实现环境中PM2.5的实时监控与治理。软件设计框图如图6所示。

本次软件设计采用了新颖的电机调速控制思路——PWM调节，即脉冲宽度调制。因为上文中提到本设计的设定值可根据用户自身调节，那么一成不变的电机调速函数已不再理想。本设计中的PWM调节程序上设置了“u8 sp_buf[10]={0， 30， 40， 50， 60， 70， 80， 87， 90，99}； //电机速度定义”这几个PWM的占空比。即PM2.5按照数值分成了10个等级，每一个等级分别对应一种速度，从而实现整个系统更高效的净化。电机调速程序思路框图如图7所示。

控制步进电机转向采用增量式PID控制算法。采用增量式算法时，计算输出控制量u（k）对应的是本次执行机构的位置增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必备对控制量增量的累积功能，这样才能完成对被控对象的控制操作[4]。其理想算式为：

（1）

式中u（t）是控制器输出，e（t）是控制器输入，Kr为放大系数，Ti是积分时间，Td是微分时间。

设u（k）是第k次的采样输出值，可得算式：

（2）

由（2）式可得：

即：

其中：

而其串口中断子流程图如图8所示。

4 设备运行

产品运行时会将空气质量参数显示在硬件环境所在的液晶屏上，同时通过蓝牙将采集到的数据传送到移动终端的App上以实现实时监控。液晶模块的显示内容有当前PM2.5的浓度、当前温度、当前湿度和设置值。而App端的显示内容有当前PM2.5的浓度、当前温度、当前湿度和净化等级调节。

在设备运行精度方面，我们使用高精度手持式PM2.5检测仪将采集到的数据与本文所述产品采集到的数据进行比较，结果如表1所列。

由上表可算出平均误差为1.74%，完全可以达到精度要求，可以准确反映出环境中PM2.5的浓度。

5 结 语

本文所设计方案的工作原理是加速空气对流，让空气由入风口进入，并强迫其通过专用的聚丙烯高效滤纸，再由出风口回到室内环境中，从而完成空气的净化。而本文所述方案的亮点之一在于从命题出发，大胆地选用了激光型PM2.5传感器，可更灵敏准确地反应出微颗粒物浓度参数。另一个亮点在于当前作为研究热点的PWM调制。本文所设计的电机转速调节便采用了这一当前的热门方法。系统通过设置多个占空比以对应不同的电机转速（净化等级）。同时结合其他系统模块完成空气净化器的设计，达到了预期目标。

参考资料

[1]张永，李心意，姜丽娟，等.室内空气中的PM2.5初步研究[J].环境与健康杂志，2010，27（10）：906-907.

[2]佟伟钢，王维宽，胡.室内空气净化技术及其发展趋势[J].科技创新导报，2013（17）：125-126.

[3]郭琦，王志刚，牛宝超，等.一种基于ARM的WiFi 无线监控系统设计[J].电子设计工程，2013，21（4）：184-186.

[4]贺安坤，张亮，宋长青，等.基于 Zig Bee 技术的智能家居系统的设计与实现[J].微计算机信息，2012，28（9）：168-169.

[5] GC Carvalho，ML Siqueira，SC Absi-Alfaro. Offline programming of flexible welding manufacturing cells [J].Journal of Materials Processing Technology， 1998， 78（1-3）：24-28.

[6] AY Elatta，PG Li，LZ Fan，et al.An overview of robot calibration [J]. IEEE Journal of Robotics and Automation， 2004， 3（5）：377-385.