基于STM32的电子实训室排风系统的设计与实现

贾红宾

(新乡职业技术学院,河南 新乡 456002)

学生在电子实训室开展电路板焊接实训时,焊锡在电烙铁高温下会产生各种有味有害烟气以及微型颗粒物,对室内环境造成严重污染。同时,由于众多用电设备运行,再加上数十人的体温,产生大量的热量,室内温度严重超过学习环境要求的舒适度。长期工作、学习在如此的环境中,既不利于师生身体健康,也不利于实训学习。以往都是通过传统风机排风方式实现改善实训室内环境状况,既不便捷又不节能,室内环境舒适度体验较差。因此,本文针对实训室当前环境状况,结合其他文献研究成果[1-4],在传统排风基础上引入以STM32微控制器,通过传感器检测环境参数,经过算法程序分析,控制排风风扇自动运转,从而达到改善实训室环境的目的。

1 构建系统结构

根据监测实训室环境对象,选取室内温度、烟雾、微颗粒浓度和人员作为主要的监测数据对象,依据检测数据的情况来进行智能控制。本系统主要由STM32核心控制模块、温度采集模块、烟雾检测模块、微颗粒浓度检测模块、人体红外感应模块、人机交互模块、电机驱动模块组成。系统框图如图1所示。

图1 系统结构

本系统可实现以下功能:1) 具有人机交互界面。借助触摸显示屏实时显示日期时间、环境参数、风机状态、分数等级等数据,可设置参数阈值、排风工作模式。2) 排风装置可工作在手动模式和智能模式两种模式。手动模式下可以启动和关闭风扇,也可以设置风扇转速工作在低速、中速及高速3个档位。智能模式下,控制器根据当前环境参数数值利用程序算法智能判断控制风扇启动和关闭,以及自动控制风扇转速。3) 室内人员离开检测区域或环境参数低于系统设定参数阈值时风扇能够自动关闭。

2 硬件设计

2.1 控制模块

STM32F103C8T6作为一款高性能、低功耗的微控制器,已广泛应用于智能家居、数据采集、工业控制等领域。该微控制器基于ARM Cortex-M3内核,32位处理器,工作频率为72 MHz,集成了64 K字节的FLASH型程序存储器和64 K字节的内存存储器,内部集成有A/D转换、PWM波输出等资源,功能强大,能满足复杂控制需求。因此,从本设计的综合性能来看,选择STM32F103C8T6作为核心控制模块是极佳的[1]。

2.2 烟雾检测模块

选用MQ-2型烟雾传感器来监测实训室中是否存在烟雾[2]。MQ-2型烟雾传感器采用工业标准进行设计,具有较小尺寸、较长使用寿命和可靠的稳定性,工作电压为1．3 V～3．6 V,具有输出模拟量和电平量的双重信号输出功能,主要用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置,适用于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的监测。MQ-2型烟雾传感器与控制器连接简单,便于控制。

2.3 微颗粒浓度检测模块

实训室中,日常主要进行电路板的电子元器件焊接任务,焊接过程中产生大量的烟气,空气中微颗粒物浓度较高。为了精确的检测空气中的颗粒物含量,空气颗粒物传感器选用PMS5003S型传感器,其支持0.3 μm～10 μm颗粒物的检测,可有效检测0 μg/m3～500 μg/m3(微克/立方米)的颗粒物浓度,可在-20 ℃～+50 ℃温度范围内稳定工作,通信上支持UART标准通信协议,使用时可直接通过RXD、TXD与微处理器相连接获取数据[3]。

2.4 温度检测模块

实训室温度检测传感器选用DS18B20,该传感器是一款数字式温度传感器,最高12位分辨率,精度可达到±0.5 ℃,温度检测范围为-55 ℃～125 ℃,采用单总线通信方式实现与控制模块的数据传输。DS18B20温度传感器将采集到的实训室内环境温度数据传送给控制器,经过控制器处理后,将数据传送给人机交互模块实时显示。DS18B20数字信号输出端与STM32F103C8T6的PB4口相连接,上拉4.7 kΩ的电阻,确保了DS18B20输出信号的稳定性。

2.5 人体检测模块

人体检测模块选用HC-SR501,该模块能够对周围环境中是否有人员存在进行有效的检测[2]。HC-SR501采用LHI778探头设计,依靠红外线技术自动检测,模块感应锥角小于100°,有效感应距离正前方5 m～7 m,侧方3 m～4 m,工作电压范围宽,具有灵敏度高、可靠性强的特点。当人进入HC-SR501模块感应范围内,则会向STM32控制器的I/O口输入高电平,一旦人离开其感应区域,将会自动延时一段时间,关闭高电平输出低电平,从而实现逻辑控制[4]。本设计将人体感应信号作为外部中断源,以中断的方式实现无人时排风风扇智能关闭功能。

2.6 人机交互模块

人机交互模块选用2.8寸TFT-LCD电阻式触摸屏,屏幕分辨率为240×320,16位(65K色)色彩深度,工作电压3.3 V,采用SPI总线与STM32通信。在触摸显示屏上可实时显示日期时间、环境状态、工作模式、风速等级,还可根据具体环境状态调整设置控制参数阈值、风速等级、风扇启停。触摸屏既达到实训室环境可视化的需求,又方便调整系统控制参数,极大改进了人员与系统之间的交互,提升了用户体验。

2.7 电机驱动模块

MOC3041是仙童半导体公司出品的一款光电耦合器,具有光电隔离、过零检测等功能,常用于逻辑控制电路系统。本系统选用光耦器MOC3401作为主控和电机电路之间的驱动连接,其工作过程是控制器根据控制要求,在I/O口输出一个高电平,经反向器反向后,送出一个低电平,使光电耦合器导通,同时触发双向可控硅,使工作电路导通工作。风扇调速过程采用PWM方式控制。

3 系统软件设计

系统实现的所有功能都是在Keil uVision5环境中使用C语言编程实现的,软件设计要满足功能可靠、运行流畅、响应及时等性能要求。

整个系统的软件控制流程如图2所示,系统上电之后对控制模块和各模块初始化设置,系统正常运行。之后各个传感器检测环境参数,并采用图形化显示方式在显示屏实时显示主要参数。系统默认设置成智能工作模式,也可以在系统运行状态下通过人机交互界面设置为手动工作模式。在手动模式下,可通过触摸屏调整系统温度、PM2.5、烟雾环境参数阈值、控制风扇启停以及设置风速等级。在智能模式下,首先通过判断是否有人员存在:若无人,排风风扇不启动;若有人,当实时数据高于系统设定参数阈值,风扇启动后,根据环境参数,依据控制算法输出PWM波形驱动风扇转动。若是检测到人员离开或环境温度低于设定阈值,关闭风扇。

图2 软件流程图

4 调试与测试结果

通过系统软硬件调试,并在电子实训室室内不同环境状态下多次进行测试,最终完成了智能排风控制系统的设计。选取5个典型场景进行测试,其结果如表1所示。

表1 场景测试情况

手动模式下,系统可设定排风风扇低速、中速、高速3个挡位,每个挡位输出固定转速,通过显示屏可实时查看室内环境状况,也可通过触摸屏设置环境温度、PM2.5阈值、烟雾检测、调整风扇转速等级、控制风扇的启停。

在智能模式下,将风扇风速由弱到强分为5个档位,以便于实现自动控制。系统通过HC-SR501模块可实现检测区域内无人时,实现排风风扇自动关闭。有人时,系统可以根据环境参数变化,实现风扇启动、停止和自动调节风速的功能。温度阈值设置为26 ℃,若环境温度低于26 ℃,风扇自动关闭,实现自然排风。温度高于26 ℃时,风扇启动,风速升降是由系统自动控制的,每高于系统设置的温度阈值2 ℃,风速自动上升1个档位,温度越高,风速就越大,实现风速自动调节。将PM2.5检测值共分为6个等级:优(0 μg/m3～35 μg/m3)、良(35 μg/m3～75 μg/m3)、轻度污染(75 μg/m3～115 μg/m3)、中度污染(115 μg/m3～150 μg/m3)、重度污染(150 μg/m3～250 μg/m3)和严重污染(>250 μg/m3及以上)。PM2.5阈值设置为轻度,若环境PM2.5值低于轻度,风扇自动关闭,实现自然排风。若高于轻度时,风扇启动,每升高一个等级,风速自动上升一个档位。温度和PM2.5同时超界,风速自动调到最大,快速改善室内环境。烟雾检测则用于检测实训室内有无烟雾,有烟雾则开启风扇,无则依据温度和PM2.5值进行判断。

调试和测试结果表明,系统工作模式正常,能够实时检测电子实训室中重要的环境参数,依据环境状态实现自动排风,降低室内污染,改善室内环境质量。程序运行稳定,功能完善,响应及时,达到了系统整体性能的控制要求和控制效果。

5 结语

针对电子实训室环境状况,本文设计以STM32微控制器为核心,引入传感器、人机交互等技术,对传统的排风系统进行智能化升级,根据环境温度、PM2.5检测数值以及烟雾情况,由控制器自动调节风扇转速,改善室内排风状况,减少对师生身心健康损害,达到改善电子实训室室内环境质量的需求。本系统功能齐全、操作方便、运行稳定,能够实现自动控制,符合智能化设计理念,在工程实践中具有一定的借鉴意义。