一種基于Arduino平臺的家庭空氣質量檢測加濕凈化器

許曉明，王海濱，伍　迪，趙雪梅，黃凡彧

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

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一種基于Arduino平臺的家庭空氣質量檢測加濕凈化器

許曉明，王海濱*，伍迪，趙雪梅，黃凡彧

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

摘要：為實現對家庭溫濕度和可吸入顆粒物濃度的實時監測，改善生活空間的空氣質量，設計一款空氣凈化器。以傳感器技術為基礎，基于Arduino單片機平臺為核心，采用傳感器進行數據采集，對室內溫度、濕度、可吸入顆粒物濃度進行實時監測，當超過系統設定值時自動實現進行加濕和凈化功能，保證室內的空氣質量，具有操作簡單、自適應特點，適合在家庭、辦公場所使用。

關鍵詞：空氣質量監測；Arduino；空氣凈化

0引言

近年來隨著科學不斷發展，我國經濟穩步增長，但環境狀況越來越差，霧霾肆虐，人們開始渴望綠色環保的生活。在冬季，霧霾等大氣污染已經嚴重危害人們的身心健康和生活環境[1]。在室內，空氣與外界環境空氣的交換越來越少，二手煙塵、廚房油煙等室內污染物不斷積累，非常容易引起人的一系列不適的癥狀[2]。

針對這種狀況，家用小型空氣凈化器的研究發展成為必然[3]。而目前，因為市場環境的成熟、空氣凈化技術的提升、產品設計的不斷完善、人們環保意識的增強，空氣凈化器已成為越來越多的人健康生活的選擇。本文結合單片機技術和傳感器技術，利用Arduino單片機平臺作為中央處理器，設計一款小型的家庭空氣質量檢測加濕凈化器，對室內的空氣溫度、濕度和可吸入顆粒物濃度進行實時檢測并能夠加濕空氣、凈化空氣，幫助人們提高居住生活空間的空氣質量，可以享受健康綠色的生活。

1系統結構設計

根據目標功能設定，實現對家庭的空氣質量進行實時檢測并及時凈化空氣的目的，本系統設定四個模塊，包括數據采集、數據分析、數據處理、數據存儲[4]。每個模塊組成如系統構架如圖1所示。

系統工作原理：系統工作，傳感器檢測空氣參數，將溫度、濕度、可吸入顆粒物濃度等參數轉化為數字信號傳遞給數據采集模塊，當信號超過初始設定值，數據處理模塊開始工作，并將數據保存于存儲器上，進行后期數據處理。

圖1　系統構架Fig.1 System architecture

研究表明，冬季室內溫度18～25℃，濕度30%～80%，夏季室內溫度23～28℃，濕度30%～60%時，人的身體感覺最舒適，心情放松[5]。由此得到表1的空氣質量檢測指標。

表1　空氣質量檢測指標

2系統總體設計

2.1單片機的選擇

控制系統的核心控制選用Arduino單片機，用來滿足系統設定的測溫、測濕、測PM2.5的功能。Arduino單片機是一種使用廣泛的開源電子平臺，包括各種型號的硬件和軟件資源，適合對編程、電子電路零基礎的新手使用。Arduino系統優點如下：

(1)硬件平臺開放，程序開發可以免費下載，開發者根據需求自行修改。

(2)能與紅外線、熱敏電阻、伺服馬達等各類傳感器相連，也能和電阻、電容、電感、電位器和變壓器等電子元件連接[6]。

基于以上優點，中央處理器采用Arduino單片機來進行分析和控制。

2.2硬件電路設計

在整個控制系統功能模塊設計中，以Arduino單片機作為中央處理器，連接數據采集模塊與數據處理模塊，將標準電壓220 V 的交流電直接給凈化單元和加濕單元供電，再經過變壓器降壓整流到5 V電壓給單片機、溫濕度傳感器及其它器件進行供電。Arduino單片機作為系統核心，控制所有硬件結構，如圖2所示。

圖2　系統硬件結構原理圖Fig.2 System hardware structure diagram

3硬件選擇

3.1傳感器選擇

3.1.1DSM501灰塵傳感器

DSM501是一種可以檢測到1μm以上微小粒子的粉塵傳感器，能夠精確地檢測到煙霧、花粉、灰塵等可吸入顆粒物。DSM501傳感器內部通過加熱，讓空氣流經傳感器，這個過程中可以檢測到粉塵顆粒，使傳感器輸出線性關系的脈沖，單片機檢測到脈沖就分析出空氣中粉塵粒子濃度，達到檢測空氣的目的[7]。

圖3是DSM501灰塵傳感器采用粒子計數原理的原理圖，它本身體積小，便于安裝，內置氣流發生器，可以自行吸引外部氣體，保養簡單，可以長久地保持傳感器精度[8]，適合凈化器長期工作的特性。

圖3　DSM501灰塵傳感器結構原理圖Fig.3 DSM501 dust sensor structure diagram

3.1.2DHT11數字溫濕度傳感器

DHT11傳感器由兩部分組成，電阻式感濕元件和NTC測溫元件，是一種溫度濕度復合傳感器[9]。因為具有反應快、輸出量準確等優點，在各種測試和檢測設備中被廣泛使用。

DHT11數字溫濕度傳感器精度高，可以測量0℃到50℃的溫度范圍，測溫誤差在±2℃以內；相對濕度的測量范圍在20%RH到90%RH，誤差在±5%RH以內。這種傳感器采用4針單排引腳安裝，接口簡單，可直接與Arduino單片機連接。連接電路原理如圖4所示。

圖4　DHT11數字溫濕度傳感器電路連接原理圖Fig.4 DHTll digital temperature and humiditysensor circuit connection diagram

3.2A/D轉換器選擇

傳感器檢測的溫度、濕度等物理信息屬于模擬信號，需要將模擬量轉換為能夠被單片機處理的數字信號，因此采用 ADC0809轉換器。

ADC0809是一種8位逐次逼近式轉換器，有兩排各14條引腳，IN0～IN7引腳是8路模擬量的輸入端[10]。引腳VCC輸入電壓0 V到5 V，功耗低，可以和單片機直接接口，引腳結構如圖5所示。

圖5　ADC0809引腳結構圖Fig.5 ADC0809 pin structure diagram

3.3顯示器選擇

1602字符液晶是一種用于顯示數字、字母的顯示屏，它能夠同時顯示 32 個字符(2 行16 列)。1602液晶顯示屏是基于HD44780 液晶芯片控制的的，有14引腳或16個引腳(多出2引腳用于背光電源正負極連接)。1602液晶顯示屏最佳工作電壓：5.0 V，工作電流：2.0 mA，引腳可以直接與Arduino單片機相連。

4軟件設計

Arduino單片機平臺是一種開源電子平臺，程序設計都采用模塊化。由于 Arduino的硬件和軟件都是開放的資源，這意味著代碼以及程序設計可以被任何人使用、加工和發布，直接下載使用。本系統的軟件編程直接下載使用。

本空氣凈化器控制系統主要是通過核心處理器控制相關元器件和電路來實現系統功能，由主控制模塊和驅動控制模塊控制實現。圖6為系統軟件原理框圖，核心控制是Arduino單片機。

圖6　系統軟件原理框圖Fig.6 System software block diagram

5功能實現

5.1功能要求

從上述設計思路可以看出，空氣凈化器應該滿足以下5點要求。

(1)具有檢測靈敏，反應高速有效的軟件系統，處理核心具有高速的處理速度，能對環境質量進行實時監測，并且具有出色的數據處理能力，準確控制設備運轉。

(2)能過濾掉絕大部分粉塵顆粒，對室內空氣起到較為有效的凈化效果。

(3)能使室內空氣溫度、濕度保持在體感舒適的范圍，使人精神愉悅。

(4)能夠吸附各種有害物質還具有殺菌功能。

(5)具有友好的人機交互界面，具有自動開關機、定時操作、多種工作模式選擇。

5.2功能實現過程

系統通電開機以后，風扇作為系統的動力提供者，將空氣中的空氣吸進凈化器中，由傳感器對空氣溫度、濕度、PM2.5等物理信息采集，轉換成數字信號傳遞到中央處理器分析，并通過液晶顯示器顯示其狀態信息。當空氣質量超標時，空氣首先經過內置過濾網，除掉大的顆粒物，再通過紫外線殺菌燈進行殺菌，最后加濕后得到能夠讓人放心呼吸的綠色空氣，工作原理圖如圖7所示。

圖7　工作原理圖Fig.7 Working principle diagram

6結束語

本設計基于Arduino單片機為核心處理器，通過軟件程序控制，利用DSM501灰塵傳感器、DHT11溫濕度傳感器等組成數據采集模塊，實現對溫度、濕度、PM2.5的實時檢測，并利用目前市場時較為便捷和最新的加濕和凈化技術，對室內空氣進行適時的加濕和凈化，可以及時地了解自己身處的空氣環境情況并進行改善。系統具有成本低、輕便簡潔、綠色環保等特點，適用于室內、辦公室等場合，是一款經濟有效的家用綠色空氣加濕凈化器。

【參考文獻】

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[10]元增民.AT89S51單片機與ADC0809模數轉換器的三種典型連接[J].長沙大學學報，2005，19(5)：75-78.

A Home Air Quality Inspection and HumidificationPurifier Based On Arduino Platform

Xu Xiaoming，Wang Haibin*，Wu Di，Zhao Xuemei，Huang Fanyu

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：In order to realize the real-time monitoring of temperature and humidity and the concentration of particulate matter and improve the air quality of living space，a home air quality purifier was designed in this paper.Based on sensor technology and the platform of Arduino single chip microcomputer，the sensor was used to collect data and the indoor temperature，humidity，and particulate concentration were monitored in real time.When the system was set up，it can automatically realize the function of air humidification and purification and ensure the air quality in the room.The operation is simple and self-adaptive，which is suitable for the family and office.

Keywords：air quality monitoring；Arduino；air purification

中圖分類號：TM 925.16

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)02-0061-04

作者簡介：第一許曉明，本科生。研究方向：森林工程。*通信作者：王海濱，博士，講師。研究方向：農林采伐機械。E-mail：whbhit@126.com

基金項目：東北林業大學大學生創新訓練項目(2015);國家卓越農林人才教育培養計劃改革試點項目(2014)

收稿日期：2015-11-12

引文格式：許曉明，王海濱，伍迪，等.一種基于Arduino平臺的家庭空氣質量檢測加濕凈化器[J].森林工程，2016，32(2)：61-64.