一種基于AVR單片機的空氣凈化器控制系統

段仲麒

DUAN Zhong-qi

（常州大學 信息科學與工程學院 ，常州 213016）

0 引言

空氣凈化技術是近二十年來隨著現代科學技術，現代工業的發展而逐步形成的一門綜合性新技術。室內空氣凈化器是實現空氣凈化的最直接、便捷的儀器，隨著室內空氣污染性質的不斷變化與污染程度的加大，室內空氣凈化器技術也得到了快速地發展。目前空氣凈化器產品有以下幾種：機械過濾式凈化器、機械過濾吸附式凈化器、靜電式凈化器、負離子凈化器和紫外光空氣凈化器等。紫外光空氣凈化器，是利用了紫外線的原理通過紫外線的照射，穿透微生物的細胞膜，破壞各種病菌，細菌，寄生蟲以及其他致病體的DNA結構，毀壞其核酸分子鍵，使細菌當即死亡或不能繁殖后代，從而達到消毒滅菌的作用。本文采用工業設計理論中AVR單片機的智能控制方式，并結合傳感器的數據采集功能，設計出能夠實現紫外光線菌與室內通風功能的新型空氣凈化器，對室內空氣凈化技術的研究具有重要的促進意義。

1 空氣凈化器設計

1.1 空氣凈化器總體設計

本控制系統是控制工作在單相額定電壓110V家用和類似用途的空氣凈化器，凈化器主要功能是對室內空氣中的固態、氣態污染物進行通風、過濾和消毒，通過紫外光燈管發射的紫外線進行殺菌。功能需求模塊如圖1所示。

圖1 空氣凈化器控制系統功能需求模塊圖

傳感器數據采集模塊利用傳感器對外部信號進行采集與處理功能的實現，分為運動傳感器與化學傳感器兩個分支。運動傳感器為LHi878熱釋紅外傳感器，用于檢測移動的人體紅外信號源；化學傳感器為TGS氣體傳感器，用于檢測甲烷和丙烷等可燃性氣體、一氧化碳、硫化氫等有毒氣體，以及酒精等各種氣體濃度。電源電路模塊是整個控制系統的供電核心，空氣凈化器的電源經外部變壓器輸入了110V的交流電壓，電源電路首先將電壓進行降壓，轉換為12V電源，然后經過橋式整流與直流變換得到12V的直流電源，為其它模塊提供5V工作電壓。

紫外光燈管的導通控制是利用ATmega 128單片機指令來實現的。其控制電路同樣是通過單片機控制可控硅驅動光耦MOC3023來實現的，通過ATMEGA128單片機通過可控硅驅動光耦MOC3023，驅動Philips紫光燈管，并根據燈管的工作狀態反饋信號，判斷出燈管是否正常工作并完成電路設計與程序的編寫；紅外遙控模塊一般分為兩個部分，紅外發射器與接收電路，由于項目中委托企業已經設計出了紅外發射器部分，并提供了每個按鈕發射的紅外波形與時序，在本文中只需設計出紅外接收電路，與紅外遙控程序即可。

1.2 傳感器數據采集模塊設計

本系統使用兩個不同類型的傳感器，用于采集外界信號，分別是熱釋電型紅外傳感器與空氣質量檢測傳感器。

1.2.1 氣體傳感器數據采集模塊設計

為了提高系統中傳感器的使用壽命，節省控制系統的消耗，在本項目的設計中，我們采用的是間接加熱方式，使用了55L104G場效應管，對于傳感器的電路進行導通與切斷的控制。55L104G管的導通控制是通過ATmega128的PB6引腳來實現的，由單片機程序控制，當55L104G管導通時，電路對TGS800傳感器進行加熱，傳感器可正常工作來采集數據；而當單片機發出斷開指令的時候，TGS800則不被加熱，傳感器處于等待狀態。

單片機端口為ADC的模擬輸入引腳，在這里被用作傳感器采集信號的輸出端口，根據TGS800傳感器的特性知道，其輸出端口的電壓值將隨著檢測的空氣質量不同而發生變化，單片機首先進行采樣，并將根據電壓的變化范圍與幅度來判斷當前空氣質量。

1.2.2 紅外傳感器數據采集模塊設計

LHi878熱釋紅外傳感器，用于檢測移動的人體紅外信號源，本空氣凈化器項目中設計的Lhi878傳感器的數據采集模塊所使用的放大電路結構。當捕捉到移動的紅外源（如走動中的人體）時，傳感器的信號放大電路輸出通道4所采集的脈沖信號。該脈沖信號經由LM358和其外圍元件所組成的兩級放大電路放大后輸出至整形電路。紅外信號經過濾波和放大處理后仍為不規則的帶尖峰的脈沖信號。要想單片機能得到可靠穩定的信號，還需要對DataOut1進行整形處理。

考慮到設計的便利與節約性，在程序的處理中，不再對信號進行采樣，而是直接采用單片機的查詢進行處理，當單片機PD2端口檢測到脈沖信號的時候，通過查詢程序，直接調整交流電機的轉速，也即發生脈沖信號的時，電機將保持在“高速”狀態下運行。

1.3 硬件模塊設計

硬件模塊主要是對其硬件功能電路進行設計，主要的電路包括了系統的電源控制電路、電機驅動與控制電路、紫外燈管驅動與控制電路、液晶顯示器控制電路、紅外遙控接收電路、功能按鍵電路以及JTAG仿真電路和單片機程序下載電路等，硬件模塊總體結構如圖2所示。

圖2 控制系統硬件模塊總體結構圖

由結構圖可以看出，電源控制、電機驅動控制、燈管驅動控制是屬于系統的驅動控制部分的，在硬件設計中將其設計到驅動控制電路板上；而傳感器數據采集控制、顯示器控制、紅外遙控、功能按鍵以及JTAG仿真、ISP下載電路都是屬于單片機主控制模塊，將這些設計在主控制電路板上。

1.4 軟件設計

根據系統的功能需求分析與硬件模塊的設計結果，紫外線空氣凈化器對于軟件程序的需求可以分為以下七個部分：端口初始化程序、傳感器采集信號處理程序、顯示器控制程序、電機驅動程序、紫外燈管驅動程序、紅外信號處理程序和按鍵功能程序，其總體結構的設計如圖3所示。

可以看出，單片機主要的驅動程序為電機與燈管的驅動控制，而其它部分則為單片機的主控制部分。而事實上，每個部分都是緊密相關的，每個功能模塊對于程序的整體設計都是非常重要的，都是通過ATmega128單片機程序，才能使空氣凈化器控制系統運行起來。

圖3 控制系統程序總體結構圖

2 結束語

本文研究的紫外線空氣凈化器屬于新型的，半智能式的空氣凈化產品，儀器的控制系統基于AVR單片機進行軟硬件模塊設計與開發，并且創新式地設計了氣體傳感器與紅外傳感器數據采集模塊，分別用于采集室內空氣質量和移動人體紅外信號強弱，以完成儀器隨外部環境自動調整工作狀態的功能。此紫外光室內空氣凈化器控制系統的基本功能已實現，且試驗運行基本穩定，待進一步的測試后推廣。

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