智能室內空氣環境質量監測與凈化系統設計

秦 君，邵清亮，郭美琳

(沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

目前，市面上出售的基本為空氣監測儀或空氣凈化器，兩者功能兼具的少之又少。大部分監測、凈化儀器不能實現智能控制，需人工控制。基于以上問題，本文設計了一款室內空氣環境質量監測與智能凈化裝置。利用傳感器和液晶顯示屏，用戶可以隨時了解室內空氣污染程度。當空氣污染程度達到上限時，由單片機控制風扇轉動，使污染物通過一系列濾網后被吸附、降解，保證室內空氣始終保持在潔凈狀態，以便為人們提供一個更加優質舒適的生活環境。凈化部分增加風壓測定裝置，以確定濾網疏通度是否合格。

1 系統總體設計

裝置以51單片機為控制核心，實現自動控制。通過傳感器檢測空氣溫濕度、粉塵含量、甲醛和苯等揮發性有機物濃度，從而確定室內空氣質量。51單片機先通過調用子程序讀取傳感器測得的數據，然后對數據作相應處理后，一方面將數據傳輸至顯示器，另一方面將數據和設定的空氣閾值進行對比，智能控制報警裝置和凈化裝置[1]。另外用戶還可以選擇手動模式，根據需要修改空氣閾值。系統總體構圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖 Fig.1 Overall structure of the system

2 環境監測部分硬件設計

環境監測部分硬件由51單片機控制模塊、傳感器模塊、A/D轉換模塊、報警器模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊等組成。用戶可及時掌握室內多種污染物的濃度狀況，以便實時監測和控制[2]。

2.1 溫濕度信息采集

DHT11數字溫濕度傳感器的最大優勢在于溫度和濕度可以同時顯示。單線制的串行接口功耗低、靈敏度高、穩定性好，有利于系統集成。其典型應用電路如圖2所示。

圖2 典型應用電路 Fig.2 Typical application circuit

設定主機每50 ms向傳感器發送一次開始信號，DHT11接收到信號后觸發一次溫濕度采集；采集完成后再將數據傳回單片機進行分析。另外，當DHT11處在非采集狀態時為低速運行模式，功耗極低。

2.2 顆粒物信息采集

灰塵傳感器DSM501具有以下特點。①可靈敏檢測直徑1 μm以上的粒子，包括吸煙所產生的煙霧、花粉和室內灰塵等。②通過調節電阻值來檢測不同微粒大小的灰塵。③脈寬調制(pulse width modulation,PWM)輸出。④內有氣流發生器，可以自行吸引外部大氣。⑤體積小、質量輕、便于安裝[3-4]。

設定10 s為一周期，使I/O管腳每隔50 ms讀取一次管腳高低電平。當DSM501檢測到顆粒時，管腳為低電平，否則為高電平。輸出的PWM波形如圖3所示。

圖3 PWM波形 Fig.3 PWM waveform

從圖3可知，脈寬為低電平時間與周期時間之比。按照百分制輸送到LCD1602進行顯示。

(1)

2.3 MQ135氣體傳感器

MQ135氣體傳感器可檢測多種有害氣體且監測效果理想，是一款適合多種應用的低成本傳感器。

MQ135氣體傳感器利用電導率較低的二氧化錫(SnO2)作為氣敏材料，它的電導率與空氣中污染氣體濃度成正比。利用這一特性，使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出電壓[5]。這里，選用ADC0804芯片讀取輸出電壓，讀寫芯片需要根據芯片的時序，先使寫信號下降，進行A/D轉換；后使讀信號下降再上升，即可讀取數據。

選用P1的8個I/O口讀取數據，傳回的數據是0～255的8位二進制數。由于芯片VCC接5 V電壓，所以換算公式為：

(2)

2.4 報警器模塊

報警器模塊由LED紅燈、綠燈和蜂鳴器組成。51單片機將傳感器傳輸來的信號轉化后，同設定好的空氣限值相比較。當超出限值時，單片機會點亮紅燈并啟動蜂鳴器報警。在自動模式下，單片機則會點亮紅燈并直接啟動凈化裝置。另外，當凈化系統需更換濾芯時，單片機會使紅燈閃爍。

2.5 LCD顯示模塊

通過1602液晶顯示器，用戶可以清楚了解到室內空氣質量狀況，同時也方便手動修改各項污染物的上限值。

2.6 按鍵控制模塊

按鍵控制模塊的主要目的是實現人機交互。用戶可以通過操作面板向單片機發送指令，如調節污染污染物濃度的上限值、控制系統運行等。

按鍵控制要實現開/關、自動/手動模式[6]、修改空氣閾值(手動模式下有效)和調節風速這4個功能。風速分為一、二、三檔；面板上配有設置鍵，用戶按下設置鍵后，通過控制上下左右鍵，選定某一位數值進行增或減，從而達到更改空氣閾值的目的。

3 空氣凈化部分設計

結合對現有空氣凈化技術的優缺點分析，該過濾裝置主要采用物理凈化方式。凈化部分包括風扇、濾網、紫外燈、風壓傳感器等。紫外燈、風扇和壓力傳感器受控于51單片機監測端。

3.1 濾層結構及其功效

3.1.1 凈化濾網

前置濾網+HEPA濾網+活性碳纖維濾網三層嵌套，可有效去除室內空氣中的煙塵、異味等。前置濾網和活性碳纖維濾網都能直接用水清洗后重復使用，大大降低了使用成本。

3.1.2 自催化氧化網+紫外燈

采用表面負載納米二氧化鈦(TiO2)的泡沫鎳濾網,其超強的氧化功能可消滅濾網捕捉到的細菌。配合紫外燈還可以高效降解空氣中的甲醛、苯霉菌等有機化合物，并將其轉化為二氧化碳和水，避免二次污染。

3.2 風壓測定裝置

在空氣凈化系統中，濾網的重要性不言而喻。然而隨著使用時間的增加，濾網的通暢度也會降低。當空氣通過濾網之后，污染程度反而變得更加嚴重。

該裝置在氣箱的進出風口都安裝有風壓傳感器。當空氣通過傳感器時，壓力作用在傳感器膜片上引起電阻值發生變化。通過測試進出口風壓差的變化情況，判斷濾網疏通度。當風壓差超過一定值時，凈化系統關閉，同時紅色指示燈閃爍，提醒用戶清掃或更換濾芯。

3.3 加濕器

在出風口增加濕膜材料，水通過濕膜頂部的淋水器最終被濕膜材料所吸收。當空氣通過濕膜時，水分吸收空氣熱量而汽化，將空氣進行加濕[7]。

4 環境監測軟件設計

以51單片機作為主控器，它是整個系統的核心。它不僅是所有模塊連接在一起的重要紐帶，而且決定了系統運行過程中的智能化。

環境監測軟件采用了模塊化設計理念[8]，穩定性更強，利于系統的調試及維護。系統流程如圖4所示。

圖4 系統流程圖 Fig.4 Flowchart of the system

當單片機接收的空氣質量數據超出標準設定值時，51單片機則會通知報警器報警并啟動風機，通過凈化裝置來達到凈化空氣的目的。用戶還可以手動調節風機轉速和凈化程度。

5 試驗測試

測試過程中，將污染源放置在傳感器附近，該檢測系統能夠迅速感知周圍空氣環境變化，及時在LCD顯示器上顯示各污染物濃度并發出警報信號。將該裝置放在約12 m2的房間內，啟動凈化裝置且風扇設定為最大風速，凈化效率可達91%左右[9-10]。

6 結束語

本文設計了一款基于STC89C51單片機的室內空氣質量監測與凈化裝置。該裝置運用多種傳感器及凈化設備，可以在自動監測情況下智能凈化，保證室內空氣始終保持在良好狀態。其LCD液晶顯示實時更新，使室內空氣質量狀況一目了然。報警器設置提醒用戶注意空氣問題，在很大程度上避免了用戶在不知情的情況下由于長期處于劣質環境中而損害健康。該裝置不但解決了頑固的室內空氣質量問題，還擺脫了二次污染的困境，可以廣泛應用于普通家庭中。

參考文獻:

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[9] 何偉剛,李政林,章帆.一種小型室內環境智能監測儀器的設計[J].現代電子技術,2016(5):73-75.

[10]郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京：電子工業出版社,2009.