基于單片機(jī)控制的PM2.5空氣凈化器的設(shè)計(jì)與研究

德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 翟龍濤 李慶才 高勇善

基于單片機(jī)控制的PM2.5空氣凈化器的設(shè)計(jì)與研究

德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 翟龍濤 李慶才 高勇善

基于單片機(jī)控制的PM2.5空氣凈化器是以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，以高性能負(fù)離子發(fā)生器、積塵除塵管道、火焰?zhèn)鞲衅鳌?bào)警器、LCD1602液晶顯示屏、數(shù)字溫濕度傳感器模塊DHT11、GSM短信模塊、PCF8591模塊、超高速無葉風(fēng)扇等電路元件為執(zhí)行系統(tǒng)，對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)處理，旨在解決霧霾問題的同時(shí)，給人們的生活帶來最大的便利。

單片機(jī)；空氣凈化器；PM2.5

隨著社會(huì)的發(fā)展，霧霾問題出現(xiàn)在了人們的視野中，給人類的生存發(fā)展帶來了不容小覷的影響。其中，導(dǎo)致霧霾的罪魁禍?zhǔn)拙褪荘M2.5，PM2.5體積小、但活性極強(qiáng)并且極易攜帶病毒和重金屬物質(zhì)，被人體吸入后，給人們的健康帶來了極大的影響。針對(duì)霧霾問題所帶來的問題，本文設(shè)計(jì)了一款集多功能為一體的智能PM2.5空氣凈化器，旨在解決霧霾問題的同時(shí)，給人們的生活帶來最大化的便利。

1　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1系統(tǒng)的組成

本文所設(shè)計(jì)的PM2.5空氣凈化器是以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，以高性能負(fù)離子發(fā)生器、積塵除塵管道、火焰?zhèn)鞲衅鳌?bào)警器、LCD1602液晶顯示屏、數(shù)字溫濕度傳感器模塊DHT11、GSM短信模塊、PCF8591模塊、超高速無葉風(fēng)扇等電路元件為執(zhí)行系統(tǒng)，對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)處理。PCF8591模塊將采集到的信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過預(yù)先設(shè)置好的程序?qū)λ邮艿降男畔⒆龀鱿鄳?yīng)的反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的功能。

1.2主要執(zhí)行系統(tǒng)的介紹

(1)高性能負(fù)離子發(fā)生器

負(fù)離子發(fā)生器是將輸入的電信號(hào)經(jīng)EMI處理電路及保護(hù)電路處理后，經(jīng)一些列的電路轉(zhuǎn)換后，將直流負(fù)電壓釋放到載體的尖端，通過尖端放電原理，利用尖端直流高壓產(chǎn)生高電暈，進(jìn)而釋放出大量的電子（e-），由于電子固有的特性，它會(huì)主動(dòng)結(jié)合空氣中的灰塵、PM2.5顆粒、細(xì)菌等極小的顆粒，結(jié)合后會(huì)使得結(jié)合物的質(zhì)量升高，在萬有引力的作用下才生沉降，所以它無法長(zhǎng)久的存在于空氣中，正是基于這一特性，來達(dá)到空氣凈化、消毒殺菌的目的。對(duì)于尖端電離產(chǎn)生的小粒徑負(fù)離子，對(duì)人體而言，也具有醫(yī)療保健功效：具有促進(jìn)細(xì)胞新陳代謝、改善心肺特性、增強(qiáng)機(jī)體免疫能力等功能，因而我們選用性能高的負(fù)離子發(fā)生器。

(2)積塵除塵管道

圓柱形通道管與積塵箱的配合，構(gòu)成了積塵除塵通道。灰塵降落管道的選用，首先要考慮防止灰塵的二次污染，即：圓柱形通道管應(yīng)使得灰塵降落過程中受阻最小化，防止灰塵不能降落到指定的積塵箱內(nèi)，造成二次污染，因而我們選用圓柱形落塵管道。積塵箱我們選用推拉槽式的積塵箱，這樣的積塵箱即方便收集從積塵除塵通道降落下來的塵埃，又方便將收集到的塵埃進(jìn)行清理。

(3)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊

本裝置采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來對(duì)周圍環(huán)境的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，DHT11是一款包含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它具有一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，是一個(gè)溫濕度一體化測(cè)量的傳感器，它具有耗能低、響應(yīng)時(shí)間快、測(cè)量精度相對(duì)較高等特點(diǎn)，3.3V至5.5v的直流工作電壓可以滿足STC12C5A60S2對(duì)它的控制，DHT11傳感器將采集到的信息傳送到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收到的信息在單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部將其轉(zhuǎn)化為可視的數(shù)字變量，再將數(shù)據(jù)傳送到LCD1602液晶顯示屏上，將數(shù)據(jù)顯示出來。

(4)LCD1602液晶顯示屏

本裝置采用LCD1602液晶顯示屏對(duì)溫濕度等信息進(jìn)行顯示，它可以同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符，我們根據(jù)實(shí)際的需要，在1602顯示屏上下分別設(shè)置顯示溫度、濕度與相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

(5)火焰?zhèn)鞲衅髂K

火焰?zhèn)鞲衅魇且豢顚?duì)火焰特別敏感的傳感器件，可用于檢測(cè)一定范圍內(nèi)的火光情況，常與報(bào)警器結(jié)合用作火災(zāi)報(bào)警。它配有可調(diào)精密電位器，可以用來調(diào)節(jié)它的靈敏度，以適應(yīng)不同場(chǎng)合不同光源的檢測(cè)。

(6)GSM短信模塊

GSM短信模塊我們采用SIM900A模塊，該模塊支持2G、3G、4G手機(jī)卡，擁有短信、數(shù)據(jù)、彩信和上網(wǎng)等功能。5V供電，可以直接與單片機(jī)相連，屬于低耗能裝置，待機(jī)電流只需80MA左右，休眠低至10MA，因而適用范圍廣，適合在本套裝置中使用。

2　功能介紹及工作原理

2.1凈化除塵

本裝置是以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，配以相應(yīng)的程序，用來對(duì)電路中信息的處理和對(duì)執(zhí)行電路的控制，具有超高速、低耗能，抗干擾極強(qiáng)的特點(diǎn)，是傳統(tǒng)8051單片機(jī)運(yùn)行速度的8—12倍左右，在本套裝置中處于的核心地位。高性能負(fù)離子發(fā)生器、積塵除塵管道與超高速無葉風(fēng)扇設(shè)在空氣凈化器內(nèi)部，通過超高速無葉風(fēng)扇的高速轉(zhuǎn)動(dòng)使得空氣凈化器的內(nèi)部形成真空，此時(shí)便會(huì)與外界大氣形成壓差，由于大氣壓強(qiáng)瞬間大于空氣凈化器內(nèi)部的壓強(qiáng)，就會(huì)導(dǎo)致含灰塵、PM2.5離子、細(xì)菌等小顆粒的空氣進(jìn)入負(fù)離子發(fā)生器中，在負(fù)離子發(fā)生器中經(jīng)過尖端放電過程后，空氣中的有害小顆粒經(jīng)結(jié)合、沉降、積淀后，通過積塵除塵管道進(jìn)入到積塵箱中，凈化后的空氣由凈化器的出口排除，以到達(dá)凈化空氣的作用。

2.2火災(zāi)報(bào)警

PM2.5空氣凈化器為居家生活所必備，除具有凈化除塵功能外，還具有火災(zāi)報(bào)警的功能。此功能是由安裝在空氣凈化器外部的火焰?zhèn)鞲衅骱蚉CF8591模塊檢測(cè)火災(zāi)的信息，經(jīng)處理送達(dá)單片機(jī)，通過與之前設(shè)定好的程序動(dòng)作進(jìn)行比較，進(jìn)而做出相應(yīng)的反應(yīng)。火焰?zhèn)鞲衅鳌?bào)警器、GSM短信模塊的結(jié)合使用，是實(shí)現(xiàn)智能火災(zāi)報(bào)警功能的前提。GSM短信模塊與報(bào)警器直接與單片機(jī)相連，通過聲音報(bào)警與電話報(bào)警雙向報(bào)警功能進(jìn)行報(bào)警：如若家庭發(fā)生因線路老化或其他因素

引發(fā)的火災(zāi)后，系統(tǒng)采集到火災(zāi)信息后，通過報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲與撥通戶主手機(jī)進(jìn)行雙重報(bào)警為保障，以保證火災(zāi)信息能夠及時(shí)送達(dá)主人，讓主人及時(shí)處理火災(zāi)情況，已達(dá)到損失最小化的目的。

2.3溫度檢測(cè)

空氣凈化器的溫度檢測(cè)功能主要由DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊與PCF8591模塊配合使用來對(duì)外部溫濕度采集，為防止干擾信號(hào)的產(chǎn)生，需在電源引腳（VCC、GND）之間加上一個(gè)0.1UF的電容用做去耦濾波。當(dāng)系統(tǒng)采集到外部環(huán)境的溫濕度信息時(shí)，將采集到的信息送達(dá)STC12C5A60S2中，再將信息轉(zhuǎn)化成人為可見的數(shù)字量顯示在LCD1602液晶顯示屏上。LCD1602液晶顯示屏可分為上下兩行顯示，我們讓其分別顯示溫度、濕度的數(shù)字變化。

3　裝置綜述

本裝置采用STC12C5A60S2單片機(jī)為控制系統(tǒng)，對(duì)空氣凈化器的電路元件進(jìn)行控制。裝置上電即工作，通過負(fù)離子發(fā)生器與超高速風(fēng)扇的協(xié)調(diào)配合對(duì)“吸”入的空氣進(jìn)行處理，已到達(dá)凈化空氣的作用；DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊與PCF8591模塊的配合用于對(duì)環(huán)境溫濕度信息的采集處理，再將參數(shù)信息送達(dá)單片機(jī)進(jìn)一步加工處理，將環(huán)境的溫濕度參數(shù)通過LCD1602液晶顯示屏顯示出來，可以實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互；由與單片機(jī)連接的火焰?zhèn)鞲衅鳌CF8591模塊、報(bào)警器以及GSM短信模塊用于對(duì)家庭火災(zāi)信息的檢測(cè)報(bào)警，一旦檢測(cè)到火災(zāi)便可通過報(bào)警器的聲音報(bào)警以及GSM短信模塊的電話報(bào)警雙重報(bào)警機(jī)制進(jìn)行報(bào)警，通知戶主及時(shí)處理火災(zāi)信息，以確保損失最小化。

4　結(jié)束語

對(duì)于霧霾嚴(yán)重的今天來說，環(huán)境溫濕度多變與火災(zāi)多發(fā)仍是一個(gè)不容忽視的問題。本文所設(shè)計(jì)的PM2.5空氣凈化器正是基于這一現(xiàn)存問題與智能家居一體化的設(shè)計(jì)思路研制的，是一款集空氣凈化、溫濕度檢測(cè)與火災(zāi)檢測(cè)等功能與一體的智能家居裝置，是居家生活不可或缺的好幫手。

[1]梁馭辰,倪源蔚,俞熹.空氣凈化器對(duì)于PM2.5的凈化特性研究[M].大學(xué)物理,2015.

[2]羅群.室內(nèi)外細(xì)顆粒物污染及空氣凈化[M].大連理工大學(xué),2014.

2015年地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)201510448056)的資助。

翟龍濤（1993—），男，山東煙臺(tái)人，大學(xué)本科，主要從事新能源開發(fā)與利用方面的研究。