基于單片機(jī)的室內(nèi)智能空氣凈化器設(shè)計(jì)

史帥偉 吳成林 劉錚

摘要：本文介紹了一種基于51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的室內(nèi)智能空氣凈化器的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置自動(dòng)控制凈化裝置和按鍵手動(dòng)控制凈化裝置的雙控制系統(tǒng)凈化器。凈化器利用活性炭、HEPA濾網(wǎng)等凈化吸附、反應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)凈化處理，通過(guò)加濕、臭氧殺菌、負(fù)離子凈化等措施對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行清潔。

引言：

隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，智能設(shè)備成為了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的代表性項(xiàng)目，而我們這個(gè)設(shè)計(jì)的目的很純粹是希望把智能設(shè)備盡最大努力普及到普通人的生活里，讓每一個(gè)活在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的人都能感受到物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的品質(zhì)生活。

1凈化器硬件設(shè)計(jì)

硬件部分采用模塊設(shè)計(jì)，控制部分采用繼電器控制各模塊的開(kāi)啟與關(guān)閉。凈化裝置與檢測(cè)裝置分兩部分運(yùn)行，且分開(kāi)供電，并通過(guò)51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置控制凈化裝置的運(yùn)行。

凈化器智能化工作是本設(shè)計(jì)的一個(gè)亮點(diǎn)，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查和查閱資料，我們發(fā)現(xiàn)如今大部分的凈化器沒(méi)有自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)，即不論室內(nèi)空氣污染程度如何，凈化器的工作均要由人手動(dòng)開(kāi)關(guān)。我們的設(shè)計(jì)中凈化器檢測(cè)裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)污染物甲醛和PM2.5的濃度值高于設(shè)定的上限食物，凈化部分即開(kāi)始工作凈化空氣。當(dāng)空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)，檢測(cè)部分檢測(cè)到空氣污染物濃度低于上限時(shí)，凈化器停止工作。

1.1檢測(cè)部分控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1按鍵模塊

檢測(cè)部分共有四個(gè)按鍵觸發(fā)，一個(gè)為檢測(cè)部分總開(kāi)關(guān)，兩位三個(gè)并列為功能鍵。三個(gè)按鍵中一個(gè)是屏幕顯示檢測(cè)物（甲醛和PM2.5）的切換，另外兩個(gè)是設(shè)定觸發(fā)凈化裝置工作的上限濃度的按鍵。即按鍵KEY1是開(kāi)關(guān)鍵，按鍵KEY2是設(shè)置鍵，按鍵KEY3是閾值加，按鍵KEY43是閾值減。

1.1.2晶振模塊

通過(guò)晶振模塊提供11.0592Hz的振蕩信號(hào)。

1.1.3液晶顯示

通過(guò)51單片機(jī)處理，在LCD液晶顯示實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量。LCD液晶屏幕使用型號(hào)為SMC 1602A的LCD液晶屏幕。其接口信號(hào)如圖所示。

1.1.4傳感器模塊

傳感器模塊中甲醛模塊為電化學(xué)甲醛模塊，其是一個(gè)通用型模組。利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的CH2O進(jìn)行探測(cè)，此模塊與英國(guó)達(dá)特甲醛傳感器相結(jié)合，具有良好的穩(wěn)定性。此模塊帶有NTC溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。主要應(yīng)用便攜式儀表、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備、空氣凈化機(jī)、新風(fēng)換氣系統(tǒng)、空調(diào)、智能家居設(shè)備等場(chǎng)所。

1.2 凈化模塊

用風(fēng)機(jī)將空氣抽入機(jī)器，通過(guò)內(nèi)置的濾網(wǎng)進(jìn)行物理裝置初步過(guò)濾空氣，主要能夠起到初步過(guò)濾粉塵、可吸入顆粒物、異味、部分有毒氣體和殺滅部分細(xì)菌的作用。濾網(wǎng)有集塵濾網(wǎng)、除臭濾網(wǎng)、HEPA濾網(wǎng)。其中成本比較高的就是HEPA濾網(wǎng)，它能起到分解有毒氣體和殺菌作用，特別是抑制二次污染。

下一步是化學(xué)凈化，通過(guò)活性氧電解裝置產(chǎn)生活性氧，在分解區(qū)活性氧與有害有毒氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生的部分方程式如下。

1HCHO+2O3=1CO2+1H2O+2O2

1CO+O3=CO2+O2

3O3+2NH3=N2+3H2O+3O2

2凈化器整體工作流程

空氣凈化器有著手動(dòng)和自動(dòng)模式可供選擇，供使用用者自行調(diào)節(jié)。

手動(dòng)操作時(shí)摁下電源按鈕打開(kāi)凈化器，長(zhǎng)摁電源按鈕即可關(guān)閉。

智能控制部分，我們可以自己設(shè)置空氣中pm2.5和甲醛允許存在的最大臨界值。檢測(cè)模塊運(yùn)行時(shí)，會(huì)不斷檢測(cè)空氣中pm2.5和甲醛的含量，當(dāng)檢測(cè)到二者含量中的任意一個(gè)的值超過(guò)我們?cè)O(shè)定的最大值時(shí)，將信號(hào)傳遞給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制與開(kāi)關(guān)電路連接的繼電器閉合1s，打開(kāi)凈化器開(kāi)始凈化，同時(shí)繼續(xù)檢測(cè)空氣質(zhì)量，當(dāng)pm2.5和甲醛含量均低于設(shè)定值時(shí)，控制繼電器閉合3s，凈化器關(guān)閉。選用自動(dòng)模式，能夠自動(dòng)完成對(duì)室內(nèi)空氣及進(jìn)入室內(nèi)的空氣進(jìn)行凈化，不但能夠減少室外污染氣體、細(xì)菌等進(jìn)入室內(nèi)，還可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自循環(huán)、凈化。設(shè)定臨界值時(shí)操作也很簡(jiǎn)單、人性化。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

史帥偉（1996.10）男河南省內(nèi)黃縣410527199610095014本科生電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)

吳成林（1998.04）男河南省新鄉(xiāng)市410721199804212015本科生電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)

劉錚（1998.3）男河南省洛陽(yáng)市410323199803220014本科生電氣工程及其自動(dòng)化

基金項(xiàng)目：鄭州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃“智能生活-封閉小空間空氣凈化器等智能設(shè)備的設(shè)計(jì)”（2018cxcy138）