基于Atmega16單片機的小型室內空氣凈化器的研制

萬國平，聶惠芬，萬志強，王輝華

WAN Guo-ping1,NIE Hui-fen1,WAN Zhi-qiang2,WANG Hui-hua2

（1. 南昌理工學院 計算機工程系，南昌 330013；2. 合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

0 引言

當前，世界空氣污染狀況不容樂觀，而對于人類生活密切的室內空氣質量的好壞，一直是對人類健康造成影響的重要因素，隨著社會和科學技術的迅速發展，越來越多的各種裝飾材料應用于家居生活中，同時，也正是這些應用新的科學技術合成的裝飾材料，不斷揮發出各種對人體健康有害的氣體物質，如甲醛、二氧化硫等[1]，為了去除這些有害的氣體物質，對室內的空氣進行凈化就顯得尤為必要，本文所要介紹的就是一款以ATMEGA16單片機為控制芯片的小型的、主要應用于室內的空氣凈化器控制系統，該空氣凈化器控制系統性能穩定、環保節能、經濟實惠。

1 系統功能需求分析[1]

空氣凈化器應用十分廣泛，本文所研制的是一種以Atmega16單片機為核心處理器的小型室內使用的空氣凈化器，系統功能需求分析如圖1所示。

圖1 空氣凈化器系統功能需求分析

該空氣凈化器主要是依靠紫外燈管發出適當波長的紫外線，利用紫外線能破壞微生物細胞中的DNA（脫氧核糖核酸）或 RNA（核糖核酸）的分子結構，造成生長性細胞死亡或再生性細胞死亡這一原理[2]，達到凈化室內空氣的目的。

當給凈化器接通電源工作后，系統即按照程序設定的紫外燈管使用壽命開始計時，中間如有停電、關機等操作，系統自動把先前計時數據保存在EEPROM中，以便在下次凈化器正常工作后，在之前計時數據上繼續計時，當計時的數據達到系統設定的紫外燈管的壽命時，LED報警燈開始報警提示，這時應予更換紫外燈管，更換燈管后，按下相應按鍵，這時先前保存在EEPROM中的數據清零，空氣凈化器在通電正常工作后，計時器重新計時。

2 控制系統總體設計

由對空氣凈化器控制系統的功能需求分析，主要從硬件和軟件兩個方面介紹空氣凈化器控制系統的總體設計。

2.1 硬件總體設計

按照實現空氣凈化器的功能需求可知，系統硬件設備主要由Atmega16單片機、LED燈、電感線圈、按鍵、紫外燈管、蜂鳴器、溫度傳感器以及其他電子元器件組成?？諝鈨艋饔布O計如圖2所示。

由硬件設計圖可知，空氣凈化器是以Atmega16單片機為核心，并在此基礎上來實現凈化器的功能需求的。

圖2 空氣凈化器硬件設計

Atmega16單片機是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微處理器，得益于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，Atmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，作為AVR系列的高檔產品，Atmega16內核具有豐富的指令集和多達32個通用工作寄存器，從而可以十分明顯地緩解系統在功耗和處理速度之間的矛盾。Atmega16具有一個SPI串行端口、一個與IEEE 1149.1標準兼容的JTAG接口，方便程序的下載、仿真、調試和運行[3]，因此，選擇該型號的單片機作為系統核心處理器，完全滿足本控制系統的功能需求。

2.2 軟件總體設計

空氣凈化器的硬件系統確定好后，就需要對實現功能要求的軟件程序進行設計，空氣凈化器系統的程序總體機構圖如圖3所示：

圖3 系統程序總體結構圖

根據系統程序總體結構圖可知，系統的主程序主要由初始化程序、按鍵程序、定時報警程序、信號反饋處理程序、中斷處理程序、紫外燈驅動程序、蜂鳴器控制程序、電源控制程序和EEPROM讀寫程序組成，各個子程序經過單片機的運算處理，實現系統凈化空氣的功能[4]，控制系統軟件主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統程序主流程圖

空氣凈化器通電開機后，系統首先進行初始化程序操作，分配各端口地址，給各個參數賦予初始值，讀取紫外燈管的工作狀態檢測信號[5]，判斷定時器中的計時是否到時，如到時，則蜂鳴器響，提示更換燈管，更換好后，按鍵復位操作，定時器重新開始計時，如沒到時，則系統繼續正常工作，直到定時到時。

3 信號采集與處理

本文研制的空氣凈化器的一個重點是實現對紫外燈反饋的信號的檢測與處理，當紫外燈出現故障或壽命到期后，報警提示更換，從而實現對紫外燈工作狀態的實時監控。

3.1 信號檢測模塊

本文信號采集的一個重點即對紫外燈管工作狀態信號的采集，紫外燈管在長時間工作后，殺菌性能逐漸減弱，故障發生的概率也逐漸增大[6]，如何在紫外燈管故障發生時或壽命到期時，準確迅速地檢測判斷出來，是本文一個核心所在。

為解決這一問題，考慮在紫外燈管的工作電路上串聯一個電感線圈，通過電感線圈的電流產生反饋電壓送給雙電壓比較器LM393，由LM393對采集到的電壓進行比較判斷，輸出高/低電平給控制芯片Atmega16單片機，由單片機的內部程序完成信號的比較判斷，實現對紫外燈管的導通和斷開的狀態檢測和反饋，空氣凈化器的比較反饋電路如圖5所示。

紫外燈管的開/關直接由控制面板上的按鍵來控制鎮流器電源的通斷來實現，Atmega16單片機的PB2 和PB3端口作為紫外燈管狀態信號的檢測端口。

圖5 紫外燈管比較反饋電路

當空氣凈化器正常工作時，流經電子鎮流器中電流的一路經過電感， LM393的2或6腳檢測到大約2.45V的電壓，進行比較，另外一路的電壓大約為0.5V，同時，LM393的1或7腳輸出低電平給單片機的PB2 或PB3口，經單片機判斷后，發出紫光燈工作正常的信號。如果紫外燈管不工作，則電子鎮流器就沒有電流輸出，此時，LM393的2或6腳就檢測不到電壓，LM393的1或7腳便輸出高電平給單片機PB2 或PB3端口，單片機經判斷就會發出紫光燈工作不正常的信號且控制蜂鳴器發出報警信號。

3.2 定時模塊設計

紫外燈的殺菌強度會隨著使用時間的增加而逐漸衰減，一般應在其殺菌強度將至70%后，及時更換紫外燈管，這樣可以獲得最佳的凈化空氣的效果，紫外燈管從開始使用到更換完畢這一段使用時間即為使用壽命[7,8]，一般在紫外燈管的說明書上也會給出使用壽命，為了在燈管使用到期后及時有效地更換燈管，保證最佳的殺菌效果，這就需要定時功能，得益于Atmega16單片機內置有多個帶預分頻的，功能強大的8位和16位計數/定時器，可以非常方便地實現對紫外燈管工作時間的定時計數功能，同時為了提高定時計數的準確性，在硬件電路上加入了一個16MHz的晶振?？諝鈨艋鞯亩〞r流程圖如圖6所示。

4 結論

本文所研制的小型室內空氣凈化器控制系統，是基于Atmega16單片機為核心處理器來實現的，通過對空氣凈化器功能需求的分析，設計、開發出相應的硬件電路和軟件程序，最終實現了空氣凈化器的功能要求，達到了預定的設計目標。

圖6 空氣凈化器定時流程圖

本控制系統硬件電路采用Protel DXP軟件進行設計、開發，在研制過程中采用Proteus軟件進行電路的仿真；軟件方面采用C語言來編寫程序，開發環境為CodeVisionAVR軟件，硬件和軟件都完成后，下載程序進行整機的調試和運行，實驗的結果表明整個系統運行穩定，達到了預期的設計要求。

[1] 吳忠標,趙偉榮. 室內空氣污染及凈化技術[M]. 化學工業出版社,2005.

[2] 何德林. 空氣凈化技術手冊[M]. 電子工業出版社,1985.

[3] 馬潮. 高檔8位單片機ATmega128原理與開發應用指南[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社,2004.

[4] 李果,董玉德. Design and research the Software of Air-purifier Control System based on ATmega128 microcontroller,2011 IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering(CSAE 2011).

[5] 任俊龍. 基于AVR單片機的空氣凈化器控制系統的硬件設計與實現[J]. 合肥： 合肥工業大學,2010.

[6] Yu Ying,Zhou Lei,Min Hao. Design and VLSI Implementation of An Asyn-chronous Low Power Microcontroller[J]. 20014th International Conference On ASIC 2001,(33)： 797-799.

[7] 劉歡. 基于AVR單片機的移相零電壓逆變電阻焊接電源的研究[D]. 杭州： 浙江大學,2008.

[8] 吳忠標,趙偉榮. 室內空氣污染及凈化技術[M]. 化學工業出版社,2005.