基于單片機(jī)的便攜式車(chē)載空氣凈化器

毛 飛 曹 妮 范夢(mèng)穎 陳付毅

（溫州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，浙江 溫州325035）

0 引言

自2013年全國(guó)性的霧霾天氣后，霧霾問(wèn)題引起極大關(guān)注。本文研究的便攜式車(chē)載空氣凈化器主要針對(duì)要求潔凈空氣應(yīng)對(duì)PM2.5的人群。該裝置實(shí)用性強(qiáng)、可隨車(chē)攜帶、直流蓄電池供電。選用51系列單片機(jī)和低功耗、靈敏度高的氣味傳感器和灰塵傳感器組成空氣污染監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。當(dāng)任一空氣污染度超標(biāo)時(shí),可進(jìn)行警報(bào)提示、液晶顯示來(lái)提醒人們啟動(dòng)微型軸流式引風(fēng)機(jī)，負(fù)離子空氣凈化部分提供潔凈的空氣。

和現(xiàn)有的車(chē)載空氣凈化器系統(tǒng)相比，本文涉及的系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：（1）灰塵顆粒和氣體的共同探測(cè)功能提高了對(duì)空氣污染檢測(cè)的全面性；（2）人機(jī)交互功能性強(qiáng)，可自主選擇自動(dòng)和半自動(dòng)操作模式。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 凈化探測(cè)參數(shù)

該系統(tǒng)選擇粉塵顆粒和氣體濃度作為凈化探測(cè)的兩個(gè)重要參數(shù)。因此，需要運(yùn)用灰塵和氣味探測(cè)器來(lái)組成雙功能驅(qū)動(dòng)凈化的系統(tǒng)。雙功能探測(cè)使得凈化更全面，既能探測(cè)出PM2.5顆粒引起的灰塵污染也能探測(cè)如甲醛、苯蒸汽等有害氣體空氣污染。從而使探測(cè)參數(shù)更全面、準(zhǔn)確。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1所示為具有自動(dòng)凈化功能的單片機(jī)系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)劃分的信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理模塊兩部分。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.2.1 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊是由灰塵探測(cè)器和氣味探測(cè)器組成。GP2Y1010AU0F是一個(gè)采用光學(xué)原理的灰塵傳感器。主要由紅外線發(fā)光二極管和一個(gè)光電管成對(duì)角布置而成。它通過(guò)檢測(cè)空氣中的塵埃的反射光形成脈沖模擬輸出區(qū)分車(chē)內(nèi)的煙塵規(guī)格。當(dāng)檢測(cè)的灰塵顆粒>PM2.5時(shí)，輸出電壓V1.

氣味傳感器MQ135所使用的氣敏材料是在潔凈空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣污染氣體濃度的增加而增大。用簡(jiǎn)單電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)V2。MQ135傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對(duì)煙霧和其它有害的檢測(cè)也很理想。

1.2.2 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊分為A/D轉(zhuǎn)換器和CPU8051控制器兩個(gè)功能模塊，如圖2所示。

圖2 單片機(jī)控制電路原理圖

經(jīng)過(guò)前置放大器放大之后，灰塵信號(hào)和氣味信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)入A/ D轉(zhuǎn)換。LM393轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給CPU.CPU將該信號(hào)和程序中設(shè)置的數(shù)值比較后才決定打開(kāi)繼電器。這些繼電器控制著啟動(dòng)凈化警報(bào)和凈化操作等級(jí)控制裝置。在用戶想要換氣但是凈化系統(tǒng)還未開(kāi)啟的情況下，用戶也可使用按鍵控制凈化系統(tǒng)。警報(bào)有兩參數(shù)設(shè)置 （灰塵顆粒和氣體濃度）系統(tǒng)分別默認(rèn)為PM2.5值和100ppm。只要其一達(dá)到預(yù)警值，即警報(bào)啟動(dòng)。顯示屏顯示“您的空氣需要被凈化”字樣，實(shí)現(xiàn)智能的人機(jī)交互。

1.3 過(guò)濾網(wǎng)負(fù)離子功能

美國(guó)環(huán)保署EPA實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于空氣凈化（除塵）而言：

1）濾網(wǎng)攔截 對(duì)越大的粒子效果越好。

2）負(fù)氧離子中和沉降 對(duì)越小的粒子效果越好。

本系統(tǒng)采用具有負(fù)離子功能的過(guò)濾網(wǎng)，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，除塵效果非常好。

負(fù)離子是利用所謂的電暈放電方法來(lái)產(chǎn)生帶電分子，也就是離子。負(fù)離子與空氣中的細(xì)菌、灰塵、煙霧等帶正電的微粒相結(jié)合，并聚成球降落而消除PM2.5危害。

2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要由STC89C51單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器LM393、LCD顯示、引風(fēng)機(jī)除塵以及其他電路組成,以下介紹了3個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)。

2.1 LM393轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用就是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于單片機(jī)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用LM393，它比集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比小；但其響應(yīng)速度快，傳輸延遲時(shí)間短，而且不需外加限幅電路就可直接驅(qū)動(dòng)。LM393轉(zhuǎn)換電路如圖3所示

圖3 LM393（A/D）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

P1為STC89C51的控制引腳VCC（電源正輸入（+5V））、DOUT（TTL電平信號(hào)輸出口）、AOUT（模擬信號(hào)輸出口）、GND（電源負(fù)輸入）的直插接口，用跳線與CPU的控制口相連配合程序即可對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2.2 顯示接口電路設(shè)計(jì)

當(dāng)下顯示器主要運(yùn)用LED和LCD。兩種顯示都是低功耗且配置靈活，容易連接到微控制器。本設(shè)計(jì)運(yùn)用12864液晶顯示模塊，電源供電電壓為5V，可按需選擇串行或并行方式.。控制引腳通過(guò)跳線與單片機(jī)控制口相連配合程序即可實(shí)現(xiàn)圖像或漢字的顯示。12864液晶電路如圖4所示，其中，外接電位器10KΩ主要用來(lái)調(diào)節(jié)液晶的對(duì)比度。

2.3 鍵盤(pán)接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)按鍵較少，因此采用鍵盤(pán)與接口直接相連的方式，以接口的高低電平控制鍵盤(pán)的開(kāi)和關(guān)。

圖4 12864液晶顯示電路

（1）自動(dòng)半自動(dòng)控制:默認(rèn)狀態(tài)下，凈化系統(tǒng)處于自動(dòng)控制狀態(tài)，環(huán)境達(dá)到一定條件就可以觸發(fā)凈化器工作。此按鈕可按用戶需要，自主選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式。

（2）風(fēng)速控制:風(fēng)速控制設(shè)計(jì)成一個(gè)按鍵，根據(jù)按鍵的次數(shù)分低速、中速、高速三個(gè)風(fēng)速檔位以及一個(gè)關(guān)機(jī)狀態(tài)。

（3）顯示控制:默認(rèn)狀態(tài)下顯示屏顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)，也可使用此按鍵對(duì)近一個(gè)星期的空氣凈化歷史情況進(jìn)行查詢。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言編程。軟件的模塊化設(shè)計(jì)，有利于修改和調(diào)試。程序分4部分：主程序、計(jì)時(shí)中斷服務(wù)子程序、調(diào)速子程序、顯示子程序。主程序首先對(duì)數(shù)據(jù)寄存器和外圍電路進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入查詢狀態(tài)，當(dāng)按鍵有輸入或參數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)便調(diào)用相應(yīng)的子程序。液晶顯示，指示當(dāng)前工作狀態(tài)。

計(jì)時(shí)中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。系統(tǒng)每工作15分鐘，便產(chǎn)生一次中斷，進(jìn)行計(jì)時(shí)存儲(chǔ)處理后，返回主程序。空氣凈化記錄標(biāo)志為1代表未記錄的凈化歷史數(shù)據(jù)，為0表示數(shù)據(jù)已記錄。

風(fēng)速調(diào)整子程序，根據(jù)按鍵次數(shù)的不同及空氣質(zhì)量情況，系統(tǒng)將機(jī)器調(diào)整為低、中、高風(fēng)速和關(guān)機(jī)狀態(tài)，如未按鍵且處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)5分鐘即進(jìn)入自動(dòng)調(diào)速。

圖5 中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)框圖

［1］2015-2020年中國(guó)車(chē)載空氣凈化器行業(yè)市場(chǎng)調(diào)查及前景預(yù)測(cè)報(bào)告[OL].中商情報(bào)網(wǎng)http://www.askci.com 2014/12/23.

［2］基于單片機(jī)的智能火警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2013,12,32(23):27-28.

［3］基于單片機(jī)的便攜式空氣凈化器[J].單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2009,25(10-2).