基于單片機的電梯空氣凈化控制系統設計*

吳建平

（四川信息職業技術學院，四川 廣元 628040）

隨著城市化的不斷發展，高樓大廈越來越多，電梯安裝和使用越來越普及，電梯的乘員環境對人們的出行有著重要的影響。因此，在電梯轎廂內安裝空氣凈化系統，為人們提供一個安全、健康、舒適的乘員環境十分重要。

1 電梯空氣凈化控制系統總體結構

該電梯空氣凈化系統控制器選用51系列單片機作為控制器，Flash程序存儲器字節4 kb，RAM數據存儲器字節512 kb，該系列單片機具備了價格低、兼容性強、功耗低、抗干擾性強、可靠性高、運算速度快等性能特點。電梯轎廂的主要污染物有兩大類，一類是以甲醛為代表的氣體污染物，另外一類是以PM2.5為主的顆粒污染物，這兩類污染物均對人體健康有著直接的損害，對人們的日常出行帶來困擾或者身體上的危害[1]。電梯空氣凈化系統需對影響其轎廂環境的空氣質量因素進行凈化處理，電梯空氣凈化系統的總體功能流程如圖1所示。系統啟動后，單片機主要通過傳感器模塊檢測轎廂進風口與轎廂內的空氣質量數據，經模數轉化及單片機信號處理后，LED顯示屏顯示當前空氣污染物的數據值，并判斷空氣質量等級及是否執行蜂鳴器報警。同時，等級指示燈按照當前空氣污染物的數據值顯示綠、黃、紅相對應的優、良、差三種空氣質量等級狀態，負離子發生器、紫外燈、循環風機在不同的空氣質量等級下執行對應的凈化功能，即完成了整個凈化過程[2]。

圖1 電梯空氣凈化系統凈化總體功能流程圖

要實現圖1所示的凈化過程，電梯空氣凈化系統需具備按鍵啟停、按鍵設定、空氣質量檢測、空氣質量數據顯示及等級判斷、電梯轎廂污染物凈化處理、報警等功能。要實現這些功能，需設計對應的空氣處理措施及控制結構，電梯空氣凈化系統總體控制結構如圖2所示。

圖2 電梯空氣凈化系統總體控制結構圖

由圖2可知，電梯空氣凈化系統由電源電路、單片機控制器件、濾芯層為主要部分構成系統的總體結構，電源電路接入外部電壓，經變壓器的作用，在內部電源芯片的電壓轉化下，為紫外燈、負離子發生器、風機驅動電機三個執行裝置提供110 V電壓，為單片機、傳感器模塊、等級指示燈、LED顯示屏、蜂鳴器等相關器件提供所需要的5 V電壓；濾芯層由多層濾芯組成，在循環風機的作用下，可加快轎廂換氣，實現轎廂內的空氣凈化處理；單片機作為控制器，需要進行按鍵、LED顯示、傳感器數據信號、執行裝置等相關器件的中樞信號控制處理[3]。按鍵控制包括初始化啟停控制與空氣污染物的報警數據限定值設置，LED可實時顯示當前空氣質量等級及污染物的檢測數值，傳感器模塊由2個傳感器組成，氣體傳感器檢測甲醛為代表的氣體污染物，PM2.5傳感器檢測粉塵、細菌、地下車庫汽車尾氣為代表的顆粒污染物，執行裝置由電機、負離子、紫外燈三部分組成，控制電機的轉速實現風機在不同空氣質量等級下的變速、負離子發生器與紫外燈管的開閉，這三部分主要用于轎廂內空氣的凈化[4]。單片機控制報警裝置執行空氣質量數據超過一定限值后，報警器會發生報警，這些器件共同構成了單片機I/O輸入與輸出端、輔助器件與電路設施，組成了電梯空氣凈化控制系統的總體控制結構。

2 電梯空氣凈化控制系統硬件設計

電梯空氣凈化控制系統主要由傳感器模塊、空氣凈化執行裝置、LED顯示屏、附件器件、通信電路、按鍵啟停與設置電路、空氣凈化執行控制電路、蜂鳴器報警電路、等級指示電路等器件與電路設施組成硬件結構，電源連接交流220 V的外部供電電源，經變壓器降壓得到110 V的電壓后，為紫外燈、負離子發生器、電機等三部分提供電壓，110 V電壓再次變壓后得到12 V電壓，經整流電路后提供5 V電壓，為單片機、等級指示燈、氣體傳感器、PM2.5傳感器、LED顯示屏、蜂鳴器等器件提供電壓源[5-6]。電梯空氣凈化控制系統硬件組成如圖3所示。

圖3 電梯空氣凈化控制系統硬件組成結構圖

由圖3可知，該電梯空氣凈化控制系統硬件系統包含了單片機、傳感器、按鍵、LED顯示屏、紫外燈、負離子發生器、循環風機等相關器件，氣體傳感器與PM2.5傳感器構成了電梯空氣凈化控制系統的空氣質量檢測單元，可實時進行空氣質量監測；紫外燈、負離子發生器、循環風機等三部分構成了空氣凈化執行裝置，空氣質量檢測單元和空氣凈化執行裝置這兩大部分構成了系統的核心器件[7]。空氣凈化控制系統的控制電路包括燈管驅動電路、負離子驅動電路、循環風機驅動電路、通信端口電路、電源電路等，控制電路通過氣體傳感器與PM2.5傳感器在單片機控制程序的作用下采集信號，經模數轉換器轉換成數字信號，從而采集數據。單片機根據采集的數字信號在一定的邏輯運算下進行數據運行處理，燈管驅動電路、負離子驅動電路、電機驅動電路根據空氣質量等級執行相應凈化過程，與其他器件在電路的導向下，形成了具有規范性、功能導向的控制邏輯關系，共同組成了電梯空氣凈化控制系統[8]。

電梯空氣凈化系統電源電路結構如圖4所示，電源電路主要由交流220 V提供，經過兩次變壓及LM7805電源芯片的降壓轉化成110 V交流電及5 V直流電兩大供電電源，其中110 V交流電主要為紫外燈、負離子發生器、驅動電機三個執行裝置提供電壓，5 V直流電主要為單片機、氣體傳感器、PM2.5傳感器、LED顯示屏、等級指示燈等相關器件提供電壓。

圖4 電梯空氣凈化系統電源電路結構圖

3 電梯空氣凈化控制系統軟件設計

電梯空氣凈化控制系統軟件設計時，可根據模塊化方式分析系統的各功能模塊程序，其功能模塊程序包括傳感器數據采集程序、風機控制程序、紫外燈管驅動程序、負離子驅動程序、LED顯示程序等，這些功能模塊程序在組合之下即構成了整個系統的運行程序，其總體模塊控制程序如圖5所示。

圖5 電梯空氣凈化控制系統總體模塊程序結構圖

由圖5電梯空氣凈化系統的主要模塊程序可知，單片機是所有器件的信號處理中心，系統空氣凈化的主要執行控制程序包括風機控制程序、負離子控制程序、紫外燈控制程序三部分。其他部分包括了初始化程序、按鍵啟停與設置控制程序、傳感器數據處理程序、報警控制程序及附件程序等。每個模塊控制程序都是按照一定的控制邏輯關系進行交互的，如傳感器模板采集的數據超過一定限值后，電梯空氣凈化系統才能通過單片機控制紫外燈管、負離子發生器、循環風機三種驅動裝置執行凈化處理流程[9]，同時LED顯示、等級指示燈、蜂鳴器報警也會相應根據數據信號做出對應的變化。

電梯空氣凈化系統的控制系統主程序控制流程如圖6所示。該系統接上電源后，啟動按鍵，各器件按照初始化程序進行運行啟動，初始化運行確保各器件均能正常工作后，氣體傳感器與PM2.5傳感器即開始工作，并將所采集的信息上傳至單片機處理后，LED顯示屏可實時顯示當前空氣污染物的數值，若數據判斷超過設定的污染數值，執行裝置即開始工作，進行電梯轎廂空氣凈化處理。由于電梯轎廂在三個位置存在污染物的進入，分別是頂部進風口、人員與物品的攜帶源、門的開閉，這三個位置均可能進入污染物，所采用的傳感器需雙通道傳感器，頂部進風口與轎廂內的空氣質量均需進行實時檢測，若出現數據異常，執行裝置可馬上啟動運行，凈化轎廂內與進風口處的污染物，為乘客提供一個健康、舒適、安全的乘員環境[10]。

圖6 電梯空氣凈化控制系統主程序流程圖

由圖6電梯空氣凈化系統控制主流程圖可知，該系統啟動初始化后，系統即形成了一個閉環的監測與污染物的處理流程，實現了智能化控制，實時監測進風口與轎廂內的空氣指數，空氣指數超過設定值后，執行裝置則開始凈化處理，實現了智能化監測、多種污染物自動處理的運行過程。

4 小結

課題組設計了一種電梯轎廂箱體式空氣凈化控制系統設計，采用單片機作為控制器，該系統包括電源模塊、傳感器模塊，LED顯示模板、負離子發生器、紫外燈、循環風機及附件等相關器件，具備紫外燈殺毒、負離子吸附凈化、風機循環等空氣凈化技術，可實現實時監測與數據處理，自動凈化轎頂進風口與轎廂內的空氣，實現了智能化的控制過程。同時，根據電梯轎廂箱體式空氣凈化系統的功能定義，搭建了電梯空氣凈化控制系統的總體框架設計，對電梯空氣凈化系統的研發有一定的參考作用。