基于Android與PIC的空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙榮欣，戴曙光

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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基于Android與PIC的空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙榮欣，戴曙光

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對人類居住環(huán)境受到外界空氣質(zhì)量以及室內(nèi)空氣污染，主要包括PM2.5、TVOC、甲醛等的影響。而傳統(tǒng)的空氣凈化方法主要有過濾凈化法、吸附法、臭氧氧化技術(shù)、催化凈化法等。這些方法雖能有效地凈化了室內(nèi)空氣，但還是會(huì)產(chǎn)生二次污染。因此，文中提出了一種基于單片機(jī)PIC16F1947與Android控制的離子風(fēng)室內(nèi)空氣凈化器的設(shè)計(jì)方案。該空氣凈化器采用離子分解凈化方式，無風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)即可降低耗材的損耗，又可減少細(xì)菌的滋生，且運(yùn)行時(shí)噪音低。實(shí)驗(yàn)表明，該凈化器可有效凈化室內(nèi)空氣，提高了凈化效率。

Android；空氣凈化器；離子分解；無風(fēng)機(jī)

隨著工業(yè)的發(fā)展以及裝修材料的大量使用，使得室內(nèi)空氣中PM2.5、TVOC、甲醛、細(xì)菌等有害物質(zhì)增多，人們健康正面臨著室內(nèi)空氣污染的威脅。能否有效地凈化室內(nèi)空氣已被人們廣泛關(guān)注，并成為環(huán)保科技中一項(xiàng)重要的研究課題[1-2]。室內(nèi)空氣凈化器目前來說是室內(nèi)空氣凈化最直接也是最便捷的儀器[3]。目前市場上的空氣凈化產(chǎn)品技術(shù)主要可以分為過濾凈化法，吸附法，臭氧氧化技術(shù)，催化凈化法以及煙霧消毒和過氧乙酸消毒等凈化方法等[4-5]，這些方法有大量的機(jī)械式操作，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制，不僅不能起到全面凈化空氣的作用，而且還會(huì)產(chǎn)生二次污染。因此研制新型空氣凈化器對室內(nèi)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[6]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)以及手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)。其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

本系統(tǒng)讓空氣首先經(jīng)過進(jìn)風(fēng)口的過濾網(wǎng)到達(dá)發(fā)生極，經(jīng)由發(fā)生極使部分分子電離；然后帶電離子在電場的作用下加速運(yùn)動(dòng)碰撞其它粒子，使其帶上電荷，通過一系列滾雪球似的雪崩效應(yīng)使所有灰塵、細(xì)菌顆粒帶上正電荷，這些灰塵最終被收集在帶相反電勢的收集極上,形成離子風(fēng)[7-9]。而且對于一些有害物質(zhì)如細(xì)菌，經(jīng)過等離子場，也能被具有高能量的一些自由基氧化而殺死，同時(shí)一些大分子的有機(jī)物也被氧化分解成二氧化碳和水；最后空氣回到空間時(shí)，所有帶電粒子被完全中和，保證工作安全。而且還可通過無線網(wǎng)與Android手機(jī)客戶端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信[10]。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊總體設(shè)計(jì)

該空氣凈化器的硬件模塊主要包括：電源控制電路、蜂鳴器報(bào)警電路、WiFi控制電路、紅外遙控電路、仿真下載電路、傳感器數(shù)據(jù)采集、多功能按鍵控制電路、顯示器控制構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件模塊圖

2.2 PIC16F1947外圍電路設(shè)計(jì)

空氣凈化器控制器采用PIC16F1947，是一款高性能RISC的CPU[11]，其集成的LCD控制器，最多可驅(qū)動(dòng)184段LCD，滿足系統(tǒng)要求。因?yàn)樵诳諝怆婋x分解的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。所以對于閑置的引腳，都外接上拉電阻提高抗干擾能力[12-13]。其外圍電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 PIC16F1947外圍電路設(shè)計(jì)

2.3 WiFi電路設(shè)計(jì)

無線WiFi模塊采用M4004T，該芯片是一款功能齊全、集成度高、超低功耗的低成本嵌入式WiFi模組。其核心芯片采用專用物聯(lián)網(wǎng)芯片，具備豐富的外圍控制接口和內(nèi)置的無線網(wǎng)絡(luò)IEEE802.11b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧的專業(yè)控制與傳輸為一體的模塊，直接實(shí)現(xiàn)對外圍數(shù)據(jù)采集，并且可通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送和接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)控制外置設(shè)備,其驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖4 WiFi模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該空氣凈化器控制系統(tǒng)主要通過核心處理器PIC控制相關(guān)的器件來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。于是對軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行，通過主程序和各子程序相互配合來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件功能。該系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

該空氣凈化器開機(jī)后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化程序操作，包括各個(gè)端口、功能和中斷的初始化[7]，重要的是對系統(tǒng)各個(gè)初始化程序中初始值設(shè)定，同時(shí)調(diào)用LCD液晶顯示程序。若在默認(rèn)狀態(tài)下啟動(dòng)，那么系統(tǒng)直接進(jìn)入預(yù)定的自動(dòng)模式下工作，此時(shí)系統(tǒng)將根據(jù)空氣質(zhì)量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量情況，通過數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析來提供給CPU信號(hào)，再由CPU發(fā)出控制信號(hào)控制當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)來自動(dòng)調(diào)節(jié)當(dāng)前空氣凈化器的運(yùn)行模式，同時(shí)實(shí)時(shí)將運(yùn)行狀態(tài)在LCD上顯示出來。當(dāng)按鍵或遙控選擇命令時(shí)，系統(tǒng)會(huì)結(jié)合根據(jù)操作進(jìn)入各個(gè)指令，進(jìn)入各個(gè)功能模塊，包括：模式選擇程序、睡眠模式程序、系統(tǒng)關(guān)機(jī)程序等，進(jìn)而使空氣凈化器實(shí)現(xiàn)預(yù)定期的目的功能效果。

4 Android客戶端設(shè)計(jì)

4.1 Android客戶端界面設(shè)計(jì)

Android是Google開發(fā)的基于Linux平臺(tái)的開源手機(jī)操作系統(tǒng)。它包括操作系統(tǒng)、用戶界面和應(yīng)用程序[14-15]。本系統(tǒng)采用客戶機(jī)/TCP網(wǎng)絡(luò)模式，客戶機(jī)部分采用 Android Java開發(fā)，最終編譯之后打包生成APK文件，在Android 手機(jī)上可以直接安裝，在用戶手機(jī)上設(shè)計(jì)控制界面，操作方便靈活。其主界面如圖6所示。

圖6 Android客戶端主界面

由圖6可以看出，主界面主要包括PM2.5含量，空氣中TVOC質(zhì)量，以及離子風(fēng)速大小調(diào)節(jié)，定時(shí)模式，睡眠模式等。

4.2 客戶端主程序設(shè)計(jì)

如何利用客戶端實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制是本文關(guān)鍵技術(shù)之一。即客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)請求時(shí)，控制模塊快速響應(yīng)客戶端的請求，提供響應(yīng)的查詢和控制服務(wù)，軟件工作流程圖如圖7所示。

圖7 軟件工作流程圖

5 系統(tǒng)測試

5.1 凈化功能測試

在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件下，在密閉空間內(nèi)，用點(diǎn)燃蚊香所產(chǎn)生的煙霧作為室內(nèi)空氣污染物來進(jìn)行空氣凈化測試。當(dāng)蚊香充滿整個(gè)測試空間后打開空氣凈化器，其測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 空氣凈化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

如表1所示，隨著污染物濃度的降低，空氣傳感器輸出的電壓值逐漸減少，代表著空氣中蚊香量逐漸減小，表明該凈化器能有效凈化室內(nèi)空氣。

5.2 凈化效率測試

為了測試該系統(tǒng)的凈化效率，將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的凈化器在相同環(huán)境中進(jìn)行凈化對比，其對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測試效率對比表

從表1和表2中可以看出，相比于傳統(tǒng)的凈化方式，該系統(tǒng)不僅能有效凈化室內(nèi)空氣，而且凈化效率大幅提高。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Android與PIC控制的多功能離子風(fēng)空氣凈化系統(tǒng)，從總體設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟、硬件和Android客戶端的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測，并可以根據(jù)上述數(shù)據(jù)變化自動(dòng)調(diào)整或手動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且可有效凈化室內(nèi)空氣。

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Air Purifier Control System Based on Android and PIC

ZHAO Rongxin, DAI Shuguang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Indoor air pollution and outside air quality are caused mainly by PM2.5, TVOC, and formaldehyde. The traditional purification methods such as filtration purification, adsorption, ozone oxidation, and catalytic purification, effectively clean indoor air, but may lead to the secondary pollution. So this paper presents a new design about indoor air purifier which based on microcontroller PIC16F1947 and Android control. The air purifier uses ion decomposition purification and its no-fan design not only reduces the consumption of consumables and the possibility of bacterial growth, but also enjoy little noise in running. Experiments show that the purifier can effectively purify indoor air, and the efficiency improve at least by 100%.

Android; air purifier; ion decomposition; no-fan

2016- 12- 22

趙榮欣(1991-),男,碩士研究生。研究方向：信號(hào)與信息處理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.038

TP273

A

1007-7820(2017)06-135-04