張代元，陳念標(biāo)，曹吉陽，凌遠(yuǎn)志，周盧婧，秦建華

（1.桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西桂林，541004；2.廣西煙草公司桂林分公司，廣西桂林，541004）

0 引言

目前我國的吸煙室主要為鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制吸煙室，通過百葉窗和排氣扇排出室內(nèi)的煙霧，由于吸煙室的排氣扇長期處于開啟狀態(tài)，排氣速度較快時，可有效排出吸煙室內(nèi)的煙霧，但不節(jié)能；排氣速度慢時，不能有效排出吸煙室內(nèi)的煙霧，會對吸煙者的健康造成一定的危害?；阡摻Y(jié)構(gòu)預(yù)制吸煙室無法自主調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、排氣扇的排氣速度等不足，利用STM32、煙霧濃度傳感器、溫濕度傳感器和排氣扇構(gòu)成的吸煙室控制系統(tǒng)，既能提高排出吸煙室煙霧的速度，又能節(jié)能減排。同時可根據(jù)溫濕度傳感器調(diào)節(jié)空調(diào)模式，使吸煙室的環(huán)境更舒適，對吸煙室控制系統(tǒng)的改進(jìn)具有一定的參考意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

吸煙室控制系統(tǒng)由傳感器、LCD 顯示屏、執(zhí)行器組成。傳感器模塊由溫濕度采集傳感器DHT11[1～3]、煙霧濃度傳感器MQ-2 組成。執(zhí)行器包括排氣扇和空調(diào)，其連接示意圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖

2 系統(tǒng)主要模塊介紹

2.1 整體硬件電路圖

吸煙室的控制系統(tǒng)整體硬件電路圖如圖2 所示，由基礎(chǔ)電路模塊和擴(kuò)展電路模塊兩部分組成?；A(chǔ)電路模塊：包括USB 串口輸出電路、DC 接口供電電路、下載電路、USB接口供電電源、復(fù)位電路、按鍵電路，如圖2(a)所示。

圖2 整體硬件電路圖

擴(kuò)展電路模塊：包括LCD 顯示屏連接電路、DHT11 溫濕度傳感器電路、MQ-2 煙霧濃傳感器模塊、L9110 電機(jī)驅(qū)動電路，如圖2(a)和圖2(b)所示。

電源是電路系統(tǒng)必不可少的，此電路提供兩種供電方式，DC 接口供電和USB 接口供電，可任選其一即可。JTAG 為下載電路程序燒錄所必須的，也可以與下載器、編程軟件一起對代碼進(jìn)行調(diào)試，方便快速查找問題。復(fù)位電路的作用是使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)，可以有效解決外部干擾導(dǎo)致的程序錯亂問題。LED 可用來指示程序的運(yùn)行狀態(tài)，比如主程序運(yùn)行時LED 閃爍，串口接收到外部數(shù)據(jù)時LED 閃爍等，方便了解程序的整體運(yùn)行狀態(tài)。按鍵是一個外部輸入量，可自行定義一些模式，方便切換功能。

2.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11 是一款具有校驗(yàn)位的數(shù)字輸出型的復(fù)合溫濕度傳感器，其內(nèi)置了一片8 位單片機(jī)，單片機(jī)的內(nèi)存中存儲了對溫濕度數(shù)據(jù)線性化補(bǔ)償?shù)暮瘮?shù)，通過專門的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，有效的提升了傳感器的精度，且具備極高的穩(wěn)定性和抗干擾能力，最后將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出，減少了模擬信號在采集時產(chǎn)生的誤差。其電路如圖3 所示。DQ 引腳為數(shù)據(jù)輸出端，一次輸出40 位的數(shù)據(jù)，前32 位分別是8 位濕度整數(shù)+8 位濕度小數(shù)+8 位溫度整數(shù)+8 位溫度小數(shù)，最后8 位是檢驗(yàn)位，校驗(yàn)位的數(shù)值為前4 個8 位的和，并取其后8 位，如果接收的校驗(yàn)位與計(jì)算的校驗(yàn)值相等，則接收的數(shù)據(jù)正確。通過校驗(yàn)位可有效避免因數(shù)據(jù)傳輸錯誤導(dǎo)致的系統(tǒng)異常。

圖3 DHT11 溫濕度傳感器模塊電路

由于STM32 輸出的高電平只有約3.3V，上拉能力不足，如果線路較長時，容易產(chǎn)生較大的寄生電容，從而演變?yōu)镽C 充放電，而一個位的數(shù)據(jù)傳輸都是微秒級的單位，電容充放電需要花費(fèi)一定的時間，如果這個時間偏大，就會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。為了使系統(tǒng)能更穩(wěn)定的工作，故在DHT11 的DQ 端接一個4.7k 的上拉電阻，外部5V 電源能有效的縮短寄生電容的充放電時間，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.3 煙霧濃傳感器模塊

MQ-2 傳感器適用于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣等氣體的檢測，尤其對香煙產(chǎn)生的烷類煙霧有很高的靈敏度，其內(nèi)部氣敏材料的表面與煙霧接觸時，這種氣敏材料的電阻率會迅速下降，具有極高的靈敏度，煙霧濃度越大，輸出端輸出的模擬信號就越大，并且氣敏材料與煙霧濃度有較高的線性度，測量精度高。煙霧濃度數(shù)據(jù)通過STM32 的ADC 采樣MQ-2 的模擬信號輸出引腳AOUT，其電路如圖4 所示。通過建立ADC 采樣值和煙霧濃度的函數(shù)關(guān)系，即可獲得相對的煙霧濃度。為了得到更準(zhǔn)確的煙霧濃度數(shù)據(jù)，煙霧濃度模塊內(nèi)置了電熱絲，在模塊啟動時，通過電熱絲對傳感器的氣敏材料加熱20s 的時間，減少因溫度漂移帶來的測量誤差。

圖4 MQ-2 煙霧濃度傳感器電路

2.4 執(zhí)行模塊

排氣扇和空調(diào)模塊由L9110 電機(jī)模塊代替，其供電 電 壓 為2.5～12V, 最 大 工作電流為0.8A，電源參數(shù)皆在單片機(jī)的供電范圍內(nèi)。其INTA 和INTB 是控制風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)的控制端，INTA 為高電平、INTB 為低電平時，風(fēng)扇正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)INTA 和INTB 中某一個引腳的PWM 占空比，此時需另一引腳為低電平，可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，INTA 和INTB 的關(guān)系對換，則風(fēng)扇換向，即此模塊可實(shí)現(xiàn)調(diào)速和換向功能，其電路如圖5 所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動模塊電路

2.5 LCD 顯示模塊

選用的LCD 液晶顯示屏是由廣州星翼電子有限公司生產(chǎn)的2.8 寸薄膜晶體管液晶顯示器模塊，其實(shí)物圖如圖6 所示。該模塊是由薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）和驅(qū)動芯片ST7789 組成，支持262K 色顯示，顯示分辨率為320×240，接口為16 位的8080 并口，自帶觸摸屏。該模塊以ST7789 作為LCD 控制芯片，ST7789 芯片自帶顯存，采用RGB565 格式存儲顏色數(shù)據(jù)，其自帶的指令集能夠以GRAM 自增方式控制LCD 掃描方向。顯示內(nèi)容時，使用官方提供的字庫，通過調(diào)用顯示函數(shù)，僅需填寫顯示內(nèi)容的初始坐標(biāo)、字體顏色，設(shè)置字體的大小即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的實(shí)時顯示，更改顯示函數(shù)的參數(shù)，多次調(diào)用，即可快速完成多項(xiàng)內(nèi)容的顯示，極大的方便了程序的編寫。

圖6 LCD 顯示模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架

軟件部分使用的是ST 官方提供的庫函數(shù)，該系統(tǒng)包括DHT11 驅(qū)動程序、MQ-2 煙霧濃度傳感器驅(qū)動程序、PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速程序[4]、LCD 顯示屏驅(qū)動程序。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論

首先是對DHT11 模塊數(shù)據(jù)的讀取，其時序圖如圖7 所示，數(shù)據(jù)讀取時序是通過MCU 拉低數(shù)據(jù)總線DQ 端18μs，向溫濕度傳感器發(fā)出開始信號，然后拉高數(shù)據(jù)總線電平并延時30μs。DHT11 成功接收到開始信號后會發(fā)出80μs 低電平作為應(yīng)答信號，DHT11 再拉高數(shù)據(jù)總線電平80μs，準(zhǔn)備輸出數(shù)據(jù)，每一位的數(shù)據(jù)都以12～14μs 的低電平作為起始點(diǎn)，以高電平持續(xù)時間的長短代表數(shù)據(jù)位為0 還是為1，數(shù)據(jù)位為0 時高電平持續(xù)時間約為26～28μs，數(shù)據(jù)位為1時高電平持續(xù)時間約為70μs，該模塊的校驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過計(jì)算式 (data1+ data2+ data3+ data4)&oxff = CRC 實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)，其中data1、data2、data3、data4是前32 位溫濕度數(shù)據(jù)，CRC 是最后8 位校驗(yàn)位，如果兩個的結(jié)果相同，則使用這組數(shù)據(jù)，否則重新向DHT11 發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令。

圖7 DHT11 數(shù)據(jù)傳輸時序圖

然后MQ-2 煙霧濃度傳感器與PA1 引腳相連，并將PA1引腳配置為ADC 模式，精度設(shè)置為最高的12 位，即數(shù)據(jù)被分成4095 份，煙霧濃度計(jì)算式為smog=C×adc/4095，其中smog 是煙霧相對濃度，adc 是STM32 的采樣值，C是校正系數(shù)，糾正模塊可能存在的誤差，通過該計(jì)算式即可將ADC 采樣值轉(zhuǎn)化為煙霧的相對濃度，最后是配置STM32定時器1 的4 個PWM 通道，分別通過四個引腳連接4 個電機(jī)的驅(qū)動模塊。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

初始化完成后，判斷DHT11 模塊讀取是否正常，如果正常則繼續(xù)運(yùn)行程序，否則通過顯示屏報告DHT11 模塊異常并結(jié)束程序運(yùn)行。由于煙霧濃度檢測模塊需要加熱20s以讀取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，故在20s 加熱時間未結(jié)束前，一直循環(huán)DHT11 溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的讀取、在LCD 屏幕上顯示溫濕度和控制空調(diào)模式的程序，20s 加熱時間結(jié)束后，并且成功讀取到煙霧濃度傳感器模塊的數(shù)據(jù)后，再通過煙霧濃度傳感器模塊反饋的數(shù)據(jù)控制排氣扇的工作模式，其程序流程圖如圖8 所示。

圖8 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 溫度模擬控制試驗(yàn)

溫度模擬試驗(yàn)環(huán)境的初始環(huán)境參數(shù)：環(huán)境溫度27℃，相對濕度在41%～53%之間，煙霧濃度約為0。通過人工改變外部環(huán)境的溫度，進(jìn)而測試控制器能否根據(jù)DHT11 反饋的溫度數(shù)據(jù)改變空調(diào)的工作模式[5～6]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 溫控試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 為溫控硬件運(yùn)行狀態(tài)，可以觀察到a，b，c 圖中的最右側(cè)作為空調(diào)替代設(shè)施的直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，此時的LCD屏幕上顯示室內(nèi)溫度分別為28.5℃、30.8℃、33.4℃，相對濕度分別為44%、48%、48%，空調(diào)工作模式分別為模式1、模式2、模式3，三個風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速依次遞增。

圖9 溫控硬件運(yùn)行狀態(tài)

通過溫度模擬控制試驗(yàn)可知，溫度控制空調(diào)模式功能可以正常工作，并在LCD 屏幕顯示測量溫度、相對濕度、以及空調(diào)的工作模式。

4.2 煙霧濃度模擬控制試驗(yàn)

煙霧濃度模擬試驗(yàn)環(huán)境初始環(huán)境參數(shù)：環(huán)境溫度25℃，相對濕度在41%～53%之間，煙霧濃度約為0，通過人工改變外部環(huán)境的煙霧濃度，進(jìn)而測試控制器能否根據(jù)MQ-2 煙霧傳感器反饋的數(shù)據(jù)改變排氣扇的工作模式。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 煙霧濃度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10 為煙霧濃度控制硬件運(yùn)行的狀態(tài)圖，此時的煙霧濃度分別是17.8%、36.3%、47.9%，對應(yīng)的模式分別是模式一、模式二、模式三，三個風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速依次遞增，左側(cè)三個作為排氣扇替代設(shè)施的直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，左1 和左2作為排氣扇正向旋轉(zhuǎn)，左3 作為進(jìn)氣扇反向旋轉(zhuǎn)。

圖10 煙控硬件運(yùn)行狀態(tài)

通過煙霧濃度模擬控制試驗(yàn)，該系統(tǒng)可通過煙霧濃度控制排氣扇的工作模式并可以將工作模式顯示在LCD 屏幕，符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 濕度模擬控制試驗(yàn)

濕度控制模擬試驗(yàn)環(huán)境初始環(huán)境參數(shù)：環(huán)境溫度25℃，相對濕度在50%～60%之間，煙霧濃度約為0。通過人工改變外部環(huán)境的濕度，使得溫濕度傳感器DHT11 檢測到外部環(huán)境的濕度變化，進(jìn)而控制空調(diào)的除濕模式。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 濕控試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖11 為濕度模擬控制試驗(yàn)硬件運(yùn)行狀態(tài)圖，我們可以觀察到最右側(cè)作為空調(diào)替代設(shè)施的直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，LCD 屏幕顯示室內(nèi)溫度為33.4℃，濕度為72%，空調(diào)除濕模式開。

圖11 濕控硬件運(yùn)行狀態(tài)

通過濕度模擬控制試驗(yàn)，該系統(tǒng)可根據(jù)濕度數(shù)據(jù)開啟或關(guān)閉空調(diào)的除濕模式并將工作模式顯示在LCD 屏幕，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

基于STM32 的吸煙室控制系統(tǒng)可以根據(jù)煙霧傳感器的反饋數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)排氣扇運(yùn)行模式、顯示煙霧濃度數(shù)值，根據(jù)溫濕度傳感器反饋的溫度數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)空調(diào)模式、濕度數(shù)據(jù)選擇是否開啟除濕模式，使吸煙室環(huán)境更舒適，對吸煙室控制系統(tǒng)的研究具有參考意義。