基于STM32的智能空气净化器设计

引言

本项目基于STM32微控制器设计了一个智能空气净化器，通过集成多个传感器模块和Wi-Fi模块，实现空气质量监测、净化以及远程控制功能。该系统可以实时检测环境中的空气质量，如PM2.5浓度、温湿度和有害气体浓度等，根据监测到的空气状况自动调节净化器的风速和净化模式，并可以通过手机应用进行远程操作。项目涉及硬件设计、传感器数据处理、Wi-Fi通信以及控制算法的实现，适用于家庭环境空气质量改善和智能家居应用。本文将详细介绍系统的设计思路和具体实现步骤。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F407开发板：作为空气净化器的控制核心。
DHT11温湿度传感器：用于检测环境中的温度和湿度。
MQ-135空气质量传感器：用于检测空气中的有害气体浓度。
PM2.5传感器（如GP2Y1010AU0F）：用于检测空气中的PM2.5浓度。
风扇模块：用于实现空气净化器的风速控制。
HEPA过滤网和电机驱动模块：用于实现空气净化和过滤。
ESP8266 Wi-Fi模块：用于连接物联网，实现远程通信和数据上传。
电源模块：为STM32和其他外设供电。

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于配置STM32的外设并生成代码框架。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写、调试和下载代码。
ST-Link驱动程序：用于将程序下载到STM32开发板。
串口调试工具：用于调试传感器数据和空气净化器控制逻辑。
MQTT服务器：用于物联网通信，实现远程控制和数据传输。

项目实现

1. 硬件连接

DHT11温湿度传感器：数据引脚连接至STM32的GPIO引脚（如PA0），用于获取温湿度数据。
MQ-135空气质量传感器：输出引脚连接至STM32的ADC引脚（如PA1），用于获取有害气体浓度。
PM2.5传感器：输出引脚连接至STM32的ADC引脚（如PA2），用于获取空气中的PM2.5浓度。
风扇模块：连接至STM32的PWM输出引脚（如PB0），用于控制风速。
ESP8266 Wi-Fi模块：连接至STM32的UART接口（如USART1），用于实现远程通信。
电源模块：为STM32和其他外设提供稳定的电源。

2. STM32CubeMX 配置

选择开发板型号：在STM32CubeMX中选择STM32F407。
配置系统时钟：设置系统时钟为HSE，确保系统稳定运行。
配置ADC：用于与MQ-135和PM2.5等传感器进行通信，获取空气质量数据。
配置UART：用于ESP8266 Wi-Fi模块的通信，实现物联网数据传输。
配置PWM：用于控制风扇模块的风速。
生成代码：选择Keil或STM32CubeIDE作为工具链，生成代码框架。

3. 编写主程序

基于生成的代码框架，编写空气质量监测、空气净化控制和物联网通信的逻辑代码，以下为智能空气净化器系统的核心代码示例：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "dht11.h"
#include "esp8266.h"// 定义引脚
#define FAN_PWM_PIN GPIO_PIN_0
#define FAN_PWM_PORT GPIOB
#define AIR_QUALITY_SENSOR_PIN GPIO_PIN_1
#define AIR_QUALITY_SENSOR_PORT GPIOA
#define PM25_SENSOR_PIN GPIO_PIN_2
#define PM25_SENSOR_PORT GPIOA
#define DHT11_PIN GPIO_PIN_0
#define DHT11_PORT GPIOA// 变量声明
uint16_t air_quality_level;
uint16_t pm25_level;
float temperature, humidity;// 函数声明
void DHT11_Read(void);
void Air_Quality_Sensor_Check(void);
void PM25_Sensor_Check(void);
void Fan_Control(uint8_t speed);
void Send_Data_To_Server(void);// 读取DHT11温湿度数据
void DHT11_Read(void) {DHT11_Read_Data(&temperature, &humidity);
}// 检查空气质量传感器数据
void Air_Quality_Sensor_Check(void) {HAL_ADC_Start(&hadc1);if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK) {air_quality_level = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);}HAL_ADC_Stop(&hadc1);
}// 检查PM2.5传感器数据
void PM25_Sensor_Check(void) {HAL_ADC_Start(&hadc1);if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK) {pm25_level = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);}HAL_ADC_Stop(&hadc1);
}// 风扇控制函数
void Fan_Control(uint8_t speed) {__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, speed);
}// 发送数据到服务器
void Send_Data_To_Server(void) {char data[100];sprintf(data, "Temp: %.2f, Humidity: %.2f, AirQuality: %d, PM2.5: %d\r\n", temperature, humidity, air_quality_level, pm25_level);ESP8266_Send_Data(data);
}int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_ADC1_Init();MX_USART1_UART_Init();MX_TIM1_Init();HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // 开启PWMwhile (1) {DHT11_Read();  // 读取温湿度Air_Quality_Sensor_Check();  // 检查空气质量PM25_Sensor_Check();  // 检查PM2.5浓度Send_Data_To_Server();  // 发送数据到服务器// 根据空气质量调整风扇速度if (air_quality_level > 100 || pm25_level > 150) {Fan_Control(100);  // 高速运转} else if (air_quality_level > 50 || pm25_level > 75) {Fan_Control(50);  // 中速运转} else {Fan_Control(20);  // 低速运转}HAL_Delay(2000);  // 每2秒更新一次}
}