智能空氣凈化器控制系統設計研究

楊帆

摘要：伴隨著人類日新月異的發展，空氣污染也隨之到來，一步步侵襲我們的生活，因此環境問題就成為了全球不可忽視的大問題，不管是室內還是室外，都需要我們全球人民齊心協力來共同在治理，而且如何快速度、高效率的解決環境污染就變成了問題的關鍵。近幾年，市面上出現了各種款式的空氣凈化器，但大多都功能單一，效果不理想。由于人民對自身生活質量的追求和自身健康的重視，一個好的空氣凈化器也幾乎變成了家里的必備產品。現階段社會調查表明，空氣凈化器的智能化技術是一大研究熱點，它比傳統的空氣凈化器有不可比擬的有點。例如遠程操控技術、空氣質量實時監測、超過危險值報警等智能技術，可以大大簡略并優化操作。

本文通過對空氣凈化器的現狀進行了簡要的研究，通過搜索網站相關技術文獻、實地訪問調查等方式，搜集到了一些相關的設計資料，從而設計了一款智能空氣凈化器。此凈化器選用了單片機作為核心，通過各種類型的傳感器等來數據，用液晶顯示屏來顯示實時數據，通過時鐘芯片來實現定時功能等。最后系統的對其進行最后的測試和總結，結果表明該智能化空氣凈化器運行穩定，有很理想的空氣凈化效果，可以用于家庭、公共場所等多種場合。再結合我們人類自身，實現更好的環境治理。

關鍵詞：智能;閾值;空氣凈化

1 緒?論

社會經濟的快速發展使得人們的生活水平不斷提升，但是當前社會整體的環境形勢卻不斷惡化，特別是可以直接影響我們身體健康的空氣污染，已經成為了各個國家難以根治的大問題。空氣嚴重污染的原因有很多種，我們日常生活也不可避免的帶來污染，比如生活爐灶與取暖爐：大部分的爐灶都需要消耗大量煤炭，產生污染氣體，污染程度足夠和工業污染相媲美。

據調查，當前的空氣污染控制和治理過程中主要是通過三種方式來展開：第一是在整個空氣污染的源頭上進行控制;第二是加強密閉環境內的通風，改善空氣質量;第三是通過一定的空氣凈化手段改善空氣質量。源頭控制是工廠或大計劃使用的方式，所以所需經濟成本太大且難實行。通風的效果甚微，只能輕微的改善空氣狀況，。所以說就只剩空氣凈化這種方法可以高效又經濟的對空氣污染問題進行治理。在人類的精心研究下空氣凈化器騰空問世，其效能也備受人們關注，隨著時代的發展，空氣凈化器的智能化也成為全球各國的一項重要的研究課題。

2 總體方案設計

通過對當前的空氣凈化器進行分析和比較就可以發現，在凈化器設計和制造過程中，基本上分為兩種不同的形式：第一種是主動式的空氣凈化器，第二種則是被動式的空氣凈化器。兩種空氣凈化器之間存在著較大的差別，主動式的空氣凈化器能夠向外界空氣環境中發送出一定量的凈化因子，使得外界空氣被凈化因子所凈化，被動式空氣凈化器主要是將環境中的空氣吸入到機器內部，通過內部的濾網以及其他設施進行有效的過濾。從而實現凈化空氣的目的，在兩種凈化器工作過程中，被動凈化器可以吸附空氣中的顆粒物以及其他污染物，但是體積較小的污染物卻可以穿過那些過濾網，例如PM2.5等，效果甚微。而主動凈化則可以有效的對十分微小的污染物進行凈化，從而擁有更好的凈化效果。所以說從凈化效果來比較，主動凈化更勝一籌。

本文在進行空氣凈化器設計和制作過程中，主要采用了以下原理：首先是環境中的空氣，可以經過濾網的過濾進入到風機內部，然后其會在高壓電場的作用之下被電離，使得內部的灰塵顆粒產生帶電性，然后吸附在集成極板之上;同時空氣凈化器內部還有紫外線燈，能夠放射出紫外線進行殺菌和消毒;在一系列的凈化完成之后，空氣凈化器可以通過內部的傳感器進行有效的質量監測，最后將監測結果投射到顯示屏之上。該空氣凈化器能夠有效地對環境中的污染氣體進行有效的監測和凈化，并且還能夠對空氣中的污染程度進行有效的分析，在整個空氣凈化過程中，本文主要采用到負離子技術來進行空氣凈化。

3 智能空氣凈化器的硬件設計

系統設計過程中需要更好地保證其效率和可靠性，同時還應當使得空氣凈化的成本更低，因此我們需要選擇可以符合空氣凈化裝置總體設計的微處理器。那么作為系統的控制模塊，我們不僅要想到它可以滿足的功能，也要使器件的價格控制到更平民化，在這種情況下設計的產品才能夠得到大部分人民的喜愛。AVR單片機價格更便宜，功能簡單，高效、功能齊全等，所以作為本系統的微處理器。

本課題采用的是 AVR 的 ATmega328P 單片機，所以主要討論 ATmega328P的特性。它是一種高性能、低功耗的AVR 8位微控制器，具有先進的RISC體系結構，而且耐力高，也具有非易失性。

本文選用的是PCF8591 轉換器，A/D轉換器是將模擬信號轉變為數字信號。而模擬信號主要包括熱電偶、壓力、溫度、還有電氣，在轉換工程中，我們需要把經傳感器的輸入的信號轉換成電壓信號之后，才可以進行下一步的A/D轉換，一旦采集數據的周期被觸發，那么所用到的通道的采樣電壓就會存儲到數據之中。

4 控制系統軟件設計

首先要進行系統的初始化，然后進入主循環將數據在顯示屏上進行顯示，隨后進行空氣質量監測，若不達標則進去下一階段：空氣凈化，由凈化模塊進行凈化，最后排出凈化過的空氣。若達標，則回到主循環，再次運行程序。在檢測過程中通過按鍵的形式來更改凈化方式和狀態。

系統通電后首先進入初始化程序，完成串口、I/O口、定時器等的初始化工作。而ADC的初始化主要為空氣質量數據采集程序服務。

初始化的目的就是把所有用到的標志位、變量回到你的初始值，以及引腳的分配，配置寄存器寫入需要的值。引腳功能的分配是一上來就設置好，如果經常性的改可能會引發異常。

根據LCD12864液晶顯示模塊的硬件電路設計，將單片機STC89C52的P0端口作為數據的輸入端口，將P0直接與LCD12864液晶顯示器模塊的數據輸入口相連接，將12864液晶顯示模塊進行初始化，并將P0數據輸入到LCD12864液晶顯示模塊中。

5 實驗結果與數據分析

本設計控制系統屬于弱電系統，而靜電集塵裝置工作時形成了一個高壓強電場，它們之間可能存在一定的干擾，因此系統的設計必須考慮抗干擾性能。本系統主要考慮高壓電源與電網以及控制系統之間的干擾問題。其中，高壓電源與電網的干擾問題在上一章節已經解決，本章節主要研究控制系統與高壓電源之間的干擾問題。

單片機系統對電源噪聲很敏感，電源的通斷、瞬時短路及電網串進來的干擾脈沖都會造成單片機誤動作，可以通過給電源加濾波電路和穩壓器來減少干擾。

每個模塊電路所需電壓各不相同，比如繼電器需要 12V 電壓、電源的控制芯片 SG3525需要 15V 電壓，為了降低系統的干擾，所以每個電源的輸入端應接入一個電容，容量為10～100uF 的電解電容，其起到降低低頻干擾的作用。

在空間環境中，空間高壓電場會對單片機的運轉造成影響，可采用鋁皮或鉭皮遮擋，對核心控制器進行屏蔽加固。

測試完畢后且可正常運行后，我們可以進行真實的實地試驗來進行實驗數據采集，并對其分析，具體可以分為凈化器安裝環境、凈化污染物種類、凈化完全度、凈化時間等，之后來計算出該空氣凈化器在各個環境下不同污染物的凈化效率，最后對比來進行數據分析，達到進一步完善該凈化器的目的。

參考文獻：

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（作者單位：河北科技學院）