AT89C51單片機的智能空氣凈化系統設計

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(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，長春 130012)

引 言

近年來，隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，工廠內化石燃料燃燒和汽車廢氣的排放使空氣質量不容樂觀。而在我國北方的冬季體現最為明顯，這一地區人口經濟密度大，排放大量的PM2.5，冬季風速較低，容易形成穩定的近地層大氣，在多種因素的作用下，易產生霧霾。嚴重的霧霾可以直接影響室內的空氣狀況，加上日常生活中室內可能產生的油煙、香煙、裝飾材料揮發物等其他污染，使得針對室內空氣的除塵凈化顯得尤為重要。

負離子除塵是一種比較成熟的技術，電離空氣產生的負離子能與空氣中的粉塵微粒相結合，從而自然沉降，不僅能凈化空氣，還可以殺菌消毒。而HEPA濾網為代表的新型濾材的應用也越來越普遍，HEPA濾網為多層折疊結構，如果將其完全展開，其面積能增加十幾倍甚至幾十倍，由于過濾網的性能與其表面積成正比，HEPA濾網的性能十分出眾，是國際上公認的最高效過濾材料，適用于PM2.5粉塵顆粒的過濾凈化。目前室內空氣凈化領域多采用單一除塵技術，且自動化程度不高，本設計旨在結合兩種不同的除塵凈化技術，并利用嵌入式芯片與相關電路提高空氣凈化系統的自動化程度與智能水平，使系統達到更好的除塵凈化效果，能根據不同空氣狀況自主調節工作，用戶使用時更加方便省心。

1 控制系統總體設計要求與主要模塊

本系統適用于空氣凈化器，主要針對PM2.5進行過濾與凈化，對空氣中其他有害物質也有一定凈化作用。同時包含高濃度報警、人機交互、濾網狀況監測等附屬功能。總體設計要求能實時、高效檢測并凈化室內低、中度PM2.5污染，在10 min內將室內PM2.5值從100～200降低至50以下。同時在室內較高PM2.5污染(300以上)時發出警報，在20 min內降低至正常范圍。除塵裝置分為三檔，用戶可以自由設定警報值，以調節不同檔位工作范圍。考慮到HEPA濾網在使用一段時間后需要進行更換，要求具有HEPA濾網監測功能，當過濾網使用過度時，警示燈發出警告，提示用戶更換過濾網。

本系統的主要模塊如圖1所示，以單片機及附屬控制電路為核心，分為PM2.5傳感器模塊、灰度傳感器兩個輸入模塊、高濃度警報燈、更換濾網警報燈、風機調速裝置、負離子裝置四個輸出模塊。用戶操作界面與液晶顯示屏構成的交互模塊、HEPA濾網及風機等機械結構構成的機械模塊，以及核心的單片機控制電路。

圖1 系統主要模塊示意圖

2 控制系統的硬件

根據系統總體設計，控制系統選用ZPH-01粉塵傳感器作為PM2.5傳感器。該型傳感器采用粒子計數原理，可靈敏檢測直徑1 μm以上灰塵顆粒物，靈敏度極高、長期穩定性優異、出廠前已標定校準、內置加熱器可實現空氣的自動吸入。外形緊湊、重量輕、易安裝、保養簡單，適用于空氣凈化系統。其原理如圖2所示。低端的加熱裝置可以通過氣體對流自動吸入空氣，LED模塊發出光線，經粉塵反射后通過透鏡被PT(紅外接收管)接收，實現對粉塵顆粒的計數。實測表明，該型傳感器在靜置和空氣流動不太劇烈的地方可以良好工作，晃動及強烈的氣流會引起輸出異常上升，因此，該傳感器被牢牢固定在空氣凈化系統的外殼上，處于遠離風機的位置。

圖2 粉塵傳感器工作原理圖

該型傳感器具有UART數字串行輸出與PWM信號輸出兩種輸出模式，本設計中令該型傳感器處于串行輸出狀態，與單片機串口相連。當采用串行輸出時，該型傳感器的輸出格式如圖3所示，低脈沖率的數值為該型傳感器輸出的有效數據。低脈沖率與灰塵顆粒物濃度間存在固定的函數關系。

圖3 采用串行輸出時的數據格式

灰度傳感器用于監測HEPA濾網的工作狀況。HEPA濾網工作較長時間后，其吸附的粉塵微粒粘著在表面上，積累到一定程度后會影響對粉塵的吸收效果，同時濾網上也吸附了較多的細菌，此時必須進行更換，否則將影響除塵效果甚至危害健康。

圖4 灰度傳感器用于檢測濾網的原理

空氣中的粉塵微粒會吸附很多雜質，多數微粒是有色微粒，粘著在濾網表面時，會使濾網呈現灰色、黑灰色、棕色、棕黃色等較深的顏色。此時通過監測濾網的灰度便可以從側面監測濾網的工作狀況，決定是否更換濾網。灰度檢測模塊原理如圖4所示，白色的突起是紅外發射裝置，黑色的突起是紅外吸收裝置，中間用斜紋線所示的擋板分隔開。

工作時，從白色的突起發射紅外線，經檢測面反射后由黑色突起接收。如果檢測面的灰度比較大，由光學知識可得， 其對光線的吸收能力也較強，故經過反射后，其接收到的光線會比較少。通過接收光線的值即可獲得被測物的灰度值。

灰度傳感器的輸出為模擬輸出，范圍為0～5 V，當被測物為純白色，表面反射良好的理想物體時輸出是5 V，而被測物為可吸收全部光線的理想黑體時輸出為0 V。在固定檢測距離時，灰度越大，輸出電壓越低。作為與單片機相連的輸入模塊，需要經過一個電壓比較器，通過比較灰度傳感器輸出電壓與預設電壓(根據濾網更換臨界電壓測得的輸出電壓)相比較，以電壓比較器的輸出作為輸入接入控制電路。

以圖5為例，核心是一個LM339比較器，其反相輸入端是可供設置的一個電壓，其正相輸入端是代表上述傳感器的輸出的電壓量，假設反向輸入端的電壓設置為4.18 V。當正相輸入端的電壓小于4.18 V時,比較器的輸出端電壓僅為0.19 V。對單片機來說，這個電壓視為低電平。當正相輸入端的電壓≥4.18 V時，LM339的輸出端電壓為5 V，對單片機來說，這個電壓視為高電平。

圖5 灰度傳感器所需的比較電路

本設計選用的風機為交流220 V風機，采用串電阻調速的方法效果不好,且工作效率低，而應用相關電力電子技術，通過PWM控制調節加在風機兩端的電壓是比較好的調速方案。通過調節一個可變電阻，來控制方波的占空比，就可以實現不同轉速的運行。由于本設計僅要求實現三級調速，為了簡化電路，在設計中直接選取了三個預設好的無級調速開關，單片機僅負責輸出控制信號來選擇導通哪一個開關來實現調速。為了實現控制回路與風機工作的較高電壓的回路間的電氣隔離，還需采用光耦合器，與無級調速開關一起構成驅動風機的電路。

負離子發生器的驅動更加簡單，只需將單片機的輸出通過光耦合器控制負離子發生器的電源回路即可。

3 控制系統的軟件

系統上電后等待總開關打開，總開關打開后，在完成初始化后，PM2.5傳感器開始檢測空氣中的粉塵濃度，讀取該傳感器的輸出，經過換算后得到濃度的數值，將該數值顯示在液晶屏上。由于PM2.5傳感器的串口輸出格式如圖3所示，在程序中需要對其進行一定處理才能得到最終的濃度值。

pm_rateH=UART_Upload[3];

pm_rateL=UART_Upload[4];

pm_density=(UART_Upload[3]*100+UART_Upload[4])*1.014705;

如上述程序所示，UART[3]的串口數據為低脈沖率的整數部分，UART[4]的串口數據為低脈沖率的小數部分，例如在345μg/m3的情況下，zph01低脈沖率(輸出占空比)為34%。我們認為在低脈沖率0～34%時對應的濃度為0～345 μg/m3。低脈沖率與濃度間是線性關系。

這樣得到的pm_density大小是實際值的10倍，將最后的一位小數移動到了個位上，這是為了在LCD液晶顯示時的方便。

LCD_Write_String(0,0,"PM2.5:");

LCD_Write_Char(6,0,table[pm_density/1000]);LCD_Write_Char(7,0,table[pm_density%1000/100]);

LCD_Write_Char(8,0,table[pm_density%100/10]);

LCD_Write_String(9,0,".");

LCD_Write_Char(10,0,table[pm_density%10]);

LCD_Write_String(11,0,"μg/m3");

LCD顯示的部分程序如上所示，假設pm_density為3 452，上述LCD程序運行后，便可以在液晶顯示屏上得到PM2.5 345.2 μg/m3的字樣。相當于又把pm_density縮小到十分之一，故顯示的便是濃度的真實值。

設計中要求濃度高于高濃度報警值時發出警報，且高濃度警報值可調，顯然需要將該值顯示在液晶屏上并配合相應的按鍵來實現該功能。在程序中設該警報值變量為pm_URV，用if語句判斷pm_URV與pm_density間的大小關系，一旦pm_density大于所設置的pm_URV，將觸發警報，并自動激發最高檔位的調速開關。

else if(pm_URV

led1=1; //led1代表電源指示燈，代表正常工作，當處于報警狀態時會熄滅

led3=1; //led3代表更換濾網報警指示燈，檢測到濾網灰度過高時該燈會亮起

out1=0; //out1代表低檔位

out2=0; //out2代表中檔位

out3=1; //out3代表高檔位

if(beep==1) //led2代表高濃度警報燈，此時閃爍，并且蜂

//鳴器(alarm_buzz)發出滴滴報警聲。beep

//由定時器中斷產生，其值每隔10ms在0與

//1間來回波動。

{led2=0;alarm_buzz=0;}

if(beep==0)

{led2=1;alarm_buzz=1;}

}

為了使pm_URV可調，設置key_add與key_minus兩個按鍵狀態變量，檢測按鍵狀態是否發生變化，當按鍵狀態發生變化時，將按鍵狀態變化通過add=key_add或minus=key_minus讀取到add與minus兩個控制pm_URV增減的變量(按下時產生0信號開始讀取，則松開后彈起的1信號便送入了add與minus)。

if(add==1){ //add信號為1時

pm_URV++;

// pm_URV一直增加，適用于按住不放的情況，可以快速

//上升pm_URV

if(pm_URV>=10000)

//當pm_URV值過大時，能自動返回0，誤操作時用戶可以

//盡快恢復

{pm_URV=0;}

SectorErase(0x2000);

byte_write(0x2000,pm_URV/256);

byte_write(0x2001,pm_URV%256);

//pm_URV的值寫入eeprom中，這樣關機后pm_URV的值能保留下來，再次開機無需重新設置

}

4 機械模塊及總體封裝

本設計的機械模塊以兩個風機為核心。其中進氣口風機為10寸交流220AC風機，額定轉速為2 800 r/min，能產生比較強的風力，吸收空氣進入除塵裝置內部。軟件與硬件中的調速功能針對進氣口風扇進行調速，使其能以三種不同的風力工作。而出氣口風機選用功率較小的直流風機，使其一直在額定功率工作。進氣口風機(經HEPA濾網)與出氣口風機間以L型管道相連以增強對流。

HEPA濾網具有一定的厚度和硬度，將HEPA濾網置于進氣口風機后卡槽固定，進氣口風扇吸收的空氣便能以較高的速度通過HEPA濾網，粉塵將附著在濾網上。濾網后方L管道內1 cm處固定灰度傳感器(需要比較堅固的塑料支架，此處在風機開啟時具有一定強度的風力)。負離子發生器放置在靠近出氣口風機的L型管道內部，注意負離子發生器也應牢固固定，其發生端可能在工作時產生靜電，注意使其不能接觸到管道內壁。

圖8 開啟風機時PM2.5濃度的變化

PM2.5傳感器放置于裝置正面板，但與正面的進氣口風機保持一定距離，防止氣流干擾，傳感器在關機時可密封在防塵罩內，防止浮沉污染PM2.5傳感器內的透鏡。PM2.5傳感器下方放置操作界面與LCD顯示屏，在裝置正面的亞克力上預留小孔，供傳感器和操作界面，LCD顯示屏等的線路通過與裝置內部的控制模塊相連接。

處理模塊和繼電器放置于一片電路板上，固定在裝置內部，與L型管道保持一定距離。裝置后面板側下方預留三角形孔，給裝置供電的交流電線從此通過連接到外部220 V電源。同時，在裝置內部靠近這一區域處放置變壓整流器，將外來的220 V交流電經過變壓和整流后得到5 V直流電給控制模塊和傳感器等供電。在L型管道外圍包繞一圈隔音棉，將L型管道與裝置內部的間隙填充，以降低裝置運行時的噪音。

整個裝置的封裝如圖6、圖7所示。

圖6 裝置正面板示意圖

圖7 裝置側面剖視圖

5 除塵效果實驗分析

在密閉室內進行PM2.5除塵實驗，可近似認為室內的溫度和濕度在測試期間不變。

實驗時，開啟最高檔位工作以驗證該裝置的最佳除塵凈化效果，使用裝置自帶的PM2.5傳感器監測PM2.5濃度并繪制曲線。實驗中使用香煙燃燒模擬PM2.5污染物的釋放，在PM2.5濃度比較穩定(混合均勻)后，開啟風機，測定PM2.5濃度隨時間的變化來反映裝置的除塵效果，同時設置不開啟風機的對照組以測定PM2.5濃度的自然衰減，每隔30 s記錄一次，實驗結果如圖8、圖9所示(圖中所示時間軸的零點為PM2.5逐漸上升直至比較穩定的那個時間點)。

顯然，風機+HEPA濾網的除塵模式效果明顯，在10 min內已經能將污染后280+的PM2.5濃度降至100以下，開啟14 min 30 s后濃度甚至降到了43.4，這個數字比測試房間污染前的PM2.5濃度87.7(初始濃度這么高是因為測試房間長時間不通風，空氣較差)還要低很多(注:因使用的傳感器有些許遲滯，且煙霧的飄動比較隨機，短時間內數據出現水平和波動都是很正常的)。雖然不開啟風機時，一段時間后PM2.5濃度依會下降，但下降速度緩慢，在17 min時仍維持在接近180的濃度水平，房間內仍有刺激性氣味。(注:兩次實驗零點處的PM2.5濃度有些許不同是因為很難在兩次實驗中得到相同的PM2.5初始濃度，上述兩條曲線已是多次實驗得到的平均值，已經盡量減小了誤差)在裝置基本成型時，進行了4種情況對比實驗，就其除塵效果與前兩次相比進行了對比。結果如圖10所示。

圖9 不開啟風機時PM2.5濃度的變化

圖10 4種情況的對比圖

顯然，無論是風機+HEPA濾網除塵還是負離子除塵，相較于無除塵裝置時效果均很明顯。負離子除塵在一開始效果非常好，甚至比風扇除塵效率更高，但當PM2.5濃度下降到150左右時，負離子除塵的效果就不是很理想，最終也未將PM2.5濃度降至100以下。結合負離子除塵的原理，可以這樣理解。負離子發生器附近的氧分子會逐漸被轉化為氧離子，氧離子與空氣中的微塵顆粒結合以沉降。但經過一段時間的工作，負離子發生器附近的氧離子濃度已經達到一個臨界值，很難再將氧分子繼續轉化為氧離子，所以其工作效果變得不理想。要解決這個問題，必須將轉化出的氧離子及時擴散出去，因此本裝置選擇將負離子發生器放置于風扇出氣口附近，及時將氧離子擴散出去，使除塵效果更好。

上述實驗結果表明，將負離子除塵與風機+HEPA過濾除塵兩種方式結合后，能取得比單一除塵方式更好的效果，本裝置已經達到了對除塵效果的設計要求。

結 語

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