一種基于AVR單片機(jī)的空氣凈化器控制系統(tǒng)

段仲麒

DUAN Zhong-qi

（常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 ，常州 213016）

0 引言

空氣凈化技術(shù)是近二十年來隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展而逐步形成的一門綜合性新技術(shù)。室內(nèi)空氣凈化器是實(shí)現(xiàn)空氣凈化的最直接、便捷的儀器，隨著室內(nèi)空氣污染性質(zhì)的不斷變化與污染程度的加大，室內(nèi)空氣凈化器技術(shù)也得到了快速地發(fā)展。目前空氣凈化器產(chǎn)品有以下幾種：機(jī)械過濾式凈化器、機(jī)械過濾吸附式凈化器、靜電式凈化器、負(fù)離子凈化器和紫外光空氣凈化器等。紫外光空氣凈化器，是利用了紫外線的原理通過紫外線的照射，穿透微生物的細(xì)胞膜，破壞各種病菌，細(xì)菌，寄生蟲以及其他致病體的DNA結(jié)構(gòu)，毀壞其核酸分子鍵，使細(xì)菌當(dāng)即死亡或不能繁殖后代，從而達(dá)到消毒滅菌的作用。本文采用工業(yè)設(shè)計(jì)理論中AVR單片機(jī)的智能控制方式，并結(jié)合傳感器的數(shù)據(jù)采集功能，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)紫外光線菌與室內(nèi)通風(fēng)功能的新型空氣凈化器，對(duì)室內(nèi)空氣凈化技術(shù)的研究具有重要的促進(jìn)意義。

1 空氣凈化器設(shè)計(jì)

1.1 空氣凈化器總體設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)是控制工作在單相額定電壓110V家用和類似用途的空氣凈化器，凈化器主要功能是對(duì)室內(nèi)空氣中的固態(tài)、氣態(tài)污染物進(jìn)行通風(fēng)、過濾和消毒，通過紫外光燈管發(fā)射的紫外線進(jìn)行殺菌。功能需求模塊如圖1所示。

圖1 空氣凈化器控制系統(tǒng)功能需求模塊圖

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊利用傳感器對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行采集與處理功能的實(shí)現(xiàn)，分為運(yùn)動(dòng)傳感器與化學(xué)傳感器兩個(gè)分支。運(yùn)動(dòng)傳感器為L(zhǎng)Hi878熱釋紅外傳感器，用于檢測(cè)移動(dòng)的人體紅外信號(hào)源；化學(xué)傳感器為TGS氣體傳感器，用于檢測(cè)甲烷和丙烷等可燃性氣體、一氧化碳、硫化氫等有毒氣體，以及酒精等各種氣體濃度。電源電路模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的供電核心，空氣凈化器的電源經(jīng)外部變壓器輸入了110V的交流電壓，電源電路首先將電壓進(jìn)行降壓，轉(zhuǎn)換為12V電源，然后經(jīng)過橋式整流與直流變換得到12V的直流電源，為其它模塊提供5V工作電壓。

紫外光燈管的導(dǎo)通控制是利用ATmega 128單片機(jī)指令來實(shí)現(xiàn)的。其控制電路同樣是通過單片機(jī)控制可控硅驅(qū)動(dòng)光耦MOC3023來實(shí)現(xiàn)的，通過ATMEGA128單片機(jī)通過可控硅驅(qū)動(dòng)光耦MOC3023，驅(qū)動(dòng)Philips紫光燈管，并根據(jù)燈管的工作狀態(tài)反饋信號(hào)，判斷出燈管是否正常工作并完成電路設(shè)計(jì)與程序的編寫；紅外遙控模塊一般分為兩個(gè)部分，紅外發(fā)射器與接收電路，由于項(xiàng)目中委托企業(yè)已經(jīng)設(shè)計(jì)出了紅外發(fā)射器部分，并提供了每個(gè)按鈕發(fā)射的紅外波形與時(shí)序，在本文中只需設(shè)計(jì)出紅外接收電路，與紅外遙控程序即可。

1.2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用兩個(gè)不同類型的傳感器，用于采集外界信號(hào)，分別是熱釋電型紅外傳感器與空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器。

1.2.1 氣體傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)中傳感器的使用壽命，節(jié)省控制系統(tǒng)的消耗，在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，我們采用的是間接加熱方式，使用了55L104G場(chǎng)效應(yīng)管，對(duì)于傳感器的電路進(jìn)行導(dǎo)通與切斷的控制。55L104G管的導(dǎo)通控制是通過ATmega128的PB6引腳來實(shí)現(xiàn)的，由單片機(jī)程序控制，當(dāng)55L104G管導(dǎo)通時(shí)，電路對(duì)TGS800傳感器進(jìn)行加熱，傳感器可正常工作來采集數(shù)據(jù)；而當(dāng)單片機(jī)發(fā)出斷開指令的時(shí)候，TGS800則不被加熱，傳感器處于等待狀態(tài)。

單片機(jī)端口為ADC的模擬輸入引腳，在這里被用作傳感器采集信號(hào)的輸出端口，根據(jù)TGS800傳感器的特性知道，其輸出端口的電壓值將隨著檢測(cè)的空氣質(zhì)量不同而發(fā)生變化，單片機(jī)首先進(jìn)行采樣，并將根據(jù)電壓的變化范圍與幅度來判斷當(dāng)前空氣質(zhì)量。

1.2.2 紅外傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

LHi878熱釋紅外傳感器，用于檢測(cè)移動(dòng)的人體紅外信號(hào)源，本空氣凈化器項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的Lhi878傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊所使用的放大電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)捕捉到移動(dòng)的紅外源（如走動(dòng)中的人體）時(shí)，傳感器的信號(hào)放大電路輸出通道4所采集的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)經(jīng)由LM358和其外圍元件所組成的兩級(jí)放大電路放大后輸出至整形電路。紅外信號(hào)經(jīng)過濾波和放大處理后仍為不規(guī)則的帶尖峰的脈沖信號(hào)。要想單片機(jī)能得到可靠穩(wěn)定的信號(hào)，還需要對(duì)DataOut1進(jìn)行整形處理。

考慮到設(shè)計(jì)的便利與節(jié)約性，在程序的處理中，不再對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，而是直接采用單片機(jī)的查詢進(jìn)行處理，當(dāng)單片機(jī)PD2端口檢測(cè)到脈沖信號(hào)的時(shí)候，通過查詢程序，直接調(diào)整交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也即發(fā)生脈沖信號(hào)的時(shí)，電機(jī)將保持在“高速”狀態(tài)下運(yùn)行。

1.3 硬件模塊設(shè)計(jì)

硬件模塊主要是對(duì)其硬件功能電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要的電路包括了系統(tǒng)的電源控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制電路、紫外燈管驅(qū)動(dòng)與控制電路、液晶顯示器控制電路、紅外遙控接收電路、功能按鍵電路以及JTAG仿真電路和單片機(jī)程序下載電路等，硬件模塊總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件模塊總體結(jié)構(gòu)圖

由結(jié)構(gòu)圖可以看出，電源控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、燈管驅(qū)動(dòng)控制是屬于系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制部分的，在硬件設(shè)計(jì)中將其設(shè)計(jì)到驅(qū)動(dòng)控制電路板上；而傳感器數(shù)據(jù)采集控制、顯示器控制、紅外遙控、功能按鍵以及JTAG仿真、ISP下載電路都是屬于單片機(jī)主控制模塊，將這些設(shè)計(jì)在主控制電路板上。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析與硬件模塊的設(shè)計(jì)結(jié)果，紫外線空氣凈化器對(duì)于軟件程序的需求可以分為以下七個(gè)部分：端口初始化程序、傳感器采集信號(hào)處理程序、顯示器控制程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、紫外燈管驅(qū)動(dòng)程序、紅外信號(hào)處理程序和按鍵功能程序，其總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖3所示。

可以看出，單片機(jī)主要的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)殡姍C(jī)與燈管的驅(qū)動(dòng)控制，而其它部分則為單片機(jī)的主控制部分。而事實(shí)上，每個(gè)部分都是緊密相關(guān)的，每個(gè)功能模塊對(duì)于程序的整體設(shè)計(jì)都是非常重要的，都是通過ATmega128單片機(jī)程序，才能使空氣凈化器控制系統(tǒng)運(yùn)行起來。

圖3 控制系統(tǒng)程序總體結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)束語

本文研究的紫外線空氣凈化器屬于新型的，半智能式的空氣凈化產(chǎn)品，儀器的控制系統(tǒng)基于AVR單片機(jī)進(jìn)行軟硬件模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)，并且創(chuàng)新式地設(shè)計(jì)了氣體傳感器與紅外傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，分別用于采集室內(nèi)空氣質(zhì)量和移動(dòng)人體紅外信號(hào)強(qiáng)弱，以完成儀器隨外部環(huán)境自動(dòng)調(diào)整工作狀態(tài)的功能。此紫外光室內(nèi)空氣凈化器控制系統(tǒng)的基本功能已實(shí)現(xiàn)，且試驗(yàn)運(yùn)行基本穩(wěn)定，待進(jìn)一步的測(cè)試后推廣。

[1]張妍,李振海. 室內(nèi)空氣凈化器性能指標(biāo)的探討[J]環(huán)境與健康雜志, 2007, (06).

[2]王峰,張吉光,許娜. 室內(nèi)空氣污染的主要控制技術(shù)[J]環(huán)境衛(wèi)生工程, 2009, (05).

[3]閆朝文,張麗,孫東寧.基于CPLD的光催化空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),2010,(11).