基于STM32 的吸烟室控制系统设计

2023-05-29张代元陈念标曹吉阳凌远志周卢婧秦建华

电子制作 2023年7期

张代元，陈念标，曹吉阳，凌远志，周卢婧，秦建华

（1.桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林，541004；2.广西烟草公司桂林分公司，广西桂林，541004）

0 引言

目前我国的吸烟室主要为钢结构预制吸烟室，通过百叶窗和排气扇排出室内的烟雾，由于吸烟室的排气扇长期处于开启状态，排气速度较快时，可有效排出吸烟室内的烟雾，但不节能；排气速度慢时，不能有效排出吸烟室内的烟雾，会对吸烟者的健康造成一定的危害。基于钢结构预制吸烟室无法自主调节室内温度、排气扇的排气速度等不足，利用STM32、烟雾浓度传感器、温湿度传感器和排气扇构成的吸烟室控制系统，既能提高排出吸烟室烟雾的速度，又能节能减排。同时可根据温湿度传感器调节空调模式，使吸烟室的环境更舒适，对吸烟室控制系统的改进具有一定的参考意义。

1 系统总体设计

吸烟室控制系统由传感器、LCD 显示屏、执行器组成。传感器模块由温湿度采集传感器DHT11[1～3]、烟雾浓度传感器MQ-2 组成。执行器包括排气扇和空调，其连接示意图如图1 所示。

图1 系统总体设计框架图

2 系统主要模块介绍

2.1 整体硬件电路图

吸烟室的控制系统整体硬件电路图如图2 所示，由基础电路模块和扩展电路模块两部分组成。基础电路模块：包括USB 串口输出电路、DC 接口供电电路、下载电路、USB接口供电电源、复位电路、按键电路，如图2(a)所示。

图2 整体硬件电路图

扩展电路模块：包括LCD 显示屏连接电路、DHT11 温湿度传感器电路、MQ-2 烟雾浓传感器模块、L9110 电机驱动电路，如图2(a)和图2(b)所示。

电源是电路系统必不可少的，此电路提供两种供电方式，DC 接口供电和USB 接口供电，可任选其一即可。JTAG 为下载电路程序烧录所必须的，也可以与下载器、编程软件一起对代码进行调试，方便快速查找问题。复位电路的作用是使电路恢复到起始状态，可以有效解决外部干扰导致的程序错乱问题。LED 可用来指示程序的运行状态，比如主程序运行时LED 闪烁，串口接收到外部数据时LED 闪烁等，方便了解程序的整体运行状态。按键是一个外部输入量，可自行定义一些模式，方便切换功能。

2.2 温湿度传感器模块

DHT11 是一款具有校验位的数字输出型的复合温湿度传感器，其内置了一片8 位单片机，单片机的内存中存储了对温湿度数据线性化补偿的函数，通过专门的数字模块采集技术和温湿度传感技术，有效的提升了传感器的精度，且具备极高的稳定性和抗干扰能力，最后将模拟信号转化为数字信号输出，减少了模拟信号在采集时产生的误差。其电路如图3 所示。DQ 引脚为数据输出端，一次输出40 位的数据，前32 位分别是8 位湿度整数+8 位湿度小数+8 位温度整数+8 位温度小数，最后8 位是检验位，校验位的数值为前4 个8 位的和，并取其后8 位，如果接收的校验位与计算的校验值相等，则接收的数据正确。通过校验位可有效避免因数据传输错误导致的系统异常。

图3 DHT11 温湿度传感器模块电路

由于STM32 输出的高电平只有约3.3V，上拉能力不足，如果线路较长时，容易产生较大的寄生电容，从而演变为RC 充放电，而一个位的数据传输都是微秒级的单位，电容充放电需要花费一定的时间，如果这个时间偏大，就会影响数据传输的稳定性。为了使系统能更稳定的工作，故在DHT11 的DQ 端接一个4.7k 的上拉电阻，外部5V 电源能有效的缩短寄生电容的充放电时间，提高数据传输的稳定性。

2.3 烟雾浓传感器模块

MQ-2 传感器适用于液化气、苯、烷、酒精、氢气等气体的检测，尤其对香烟产生的烷类烟雾有很高的灵敏度，其内部气敏材料的表面与烟雾接触时，这种气敏材料的电阻率会迅速下降，具有极高的灵敏度，烟雾浓度越大，输出端输出的模拟信号就越大，并且气敏材料与烟雾浓度有较高的线性度，测量精度高。烟雾浓度数据通过STM32 的ADC 采样MQ-2 的模拟信号输出引脚AOUT，其电路如图4 所示。通过建立ADC 采样值和烟雾浓度的函数关系，即可获得相对的烟雾浓度。为了得到更准确的烟雾浓度数据，烟雾浓度模块内置了电热丝，在模块启动时，通过电热丝对传感器的气敏材料加热20s 的时间，减少因温度漂移带来的测量误差。

图4 MQ-2 烟雾浓度传感器电路

2.4 执行模块

排气扇和空调模块由L9110 电机模块代替，其供电电压为2.5～12V, 最大工作电流为0.8A，电源参数皆在单片机的供电范围内。其INTA 和INTB 是控制风扇正反转的控制端，INTA 为高电平、INTB 为低电平时，风扇正转，反之，则反转。通过调节INTA 和INTB 中某一个引脚的PWM 占空比，此时需另一引脚为低电平，可实现对电机的转速进行控制，INTA 和INTB 的关系对换，则风扇换向，即此模块可实现调速和换向功能，其电路如图5 所示。

图5 电机驱动模块电路

2.5 LCD 显示模块

选用的LCD 液晶显示屏是由广州星翼电子有限公司生产的2.8 寸薄膜晶体管液晶显示器模块，其实物图如图6 所示。该模块是由薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）和驱动芯片ST7789 组成，支持262K 色显示，显示分辨率为320×240，接口为16 位的8080 并口，自带触摸屏。该模块以ST7789 作为LCD 控制芯片，ST7789 芯片自带显存，采用RGB565 格式存储颜色数据，其自带的指令集能够以GRAM 自增方式控制LCD 扫描方向。显示内容时，使用官方提供的字库，通过调用显示函数，仅需填写显示内容的初始坐标、字体颜色，设置字体的大小即可实现内容的实时显示，更改显示函数的参数，多次调用，即可快速完成多项内容的显示，极大的方便了程序的编写。

图6 LCD 显示模块

3 系统软件设计

3.1 系统软件设计框架

软件部分使用的是ST 官方提供的库函数，该系统包括DHT11 驱动程序、MQ-2 烟雾浓度传感器驱动程序、PWM控制电机转速程序[4]、LCD 显示屏驱动程序。

3.2 系统软件设计基础理论

首先是对DHT11 模块数据的读取，其时序图如图7 所示，数据读取时序是通过MCU 拉低数据总线DQ 端18μs，向温湿度传感器发出开始信号，然后拉高数据总线电平并延时30μs。DHT11 成功接收到开始信号后会发出80μs 低电平作为应答信号，DHT11 再拉高数据总线电平80μs，准备输出数据，每一位的数据都以12～14μs 的低电平作为起始点，以高电平持续时间的长短代表数据位为0 还是为1，数据位为0 时高电平持续时间约为26～28μs，数据位为1时高电平持续时间约为70μs，该模块的校验数据是通过计算式 (data1+ data2+ data3+ data4)&oxff = CRC 实现校验，其中data1、data2、data3、data4是前32 位温湿度数据，CRC 是最后8 位校验位，如果两个的结果相同，则使用这组数据，否则重新向DHT11 发送读取数据指令。

图7 DHT11 数据传输时序图

然后MQ-2 烟雾浓度传感器与PA1 引脚相连，并将PA1引脚配置为ADC 模式，精度设置为最高的12 位，即数据被分成4095 份，烟雾浓度计算式为smog=C×adc/4095，其中smog 是烟雾相对浓度，adc 是STM32 的采样值，C是校正系数，纠正模块可能存在的误差，通过该计算式即可将ADC 采样值转化为烟雾的相对浓度，最后是配置STM32定时器1 的4 个PWM 通道，分别通过四个引脚连接4 个电机的驱动模块。

3.3 系统软件设计流程图

初始化完成后，判断DHT11 模块读取是否正常，如果正常则继续运行程序，否则通过显示屏报告DHT11 模块异常并结束程序运行。由于烟雾浓度检测模块需要加热20s以读取更准确的数据，故在20s 加热时间未结束前，一直循环DHT11 温湿度传感器数据的读取、在LCD 屏幕上显示温湿度和控制空调模式的程序，20s 加热时间结束后，并且成功读取到烟雾浓度传感器模块的数据后，再通过烟雾浓度传感器模块反馈的数据控制排气扇的工作模式，其程序流程图如图8 所示。