基于單片機的電梯空氣凈化控制系統(tǒng)設計*

吳建平

（四川信息職業(yè)技術學院，四川 廣元 628040）

隨著城市化的不斷發(fā)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(huán)境對人們的出行有著重要的影響。因此，在電梯轎廂內(nèi)安裝空氣凈化系統(tǒng)，為人們提供一個安全、健康、舒適的乘員環(huán)境十分重要。

1 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)總體結構

該電梯空氣凈化系統(tǒng)控制器選用51系列單片機作為控制器，F(xiàn)lash程序存儲器字節(jié)4 kb，RAM數(shù)據(jù)存儲器字節(jié)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(tǒng)需對影響其轎廂環(huán)境的空氣質(zhì)量因素進行凈化處理，電梯空氣凈化系統(tǒng)的總體功能流程如圖1所示。系統(tǒng)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(nèi)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)值，并判斷空氣質(zhì)量等級及是否執(zhí)行蜂鳴器報警。同時，等級指示燈按照當前空氣污染物的數(shù)據(jù)值顯示綠、黃、紅相對應的優(yōu)、良、差三種空氣質(zhì)量等級狀態(tài)，負離子發(fā)生器、紫外燈、循環(huán)風機在不同的空氣質(zhì)量等級下執(zhí)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(tǒng)凈化總體功能流程圖

要實現(xiàn)圖1所示的凈化過程，電梯空氣凈化系統(tǒng)需具備按鍵啟停、按鍵設定、空氣質(zhì)量檢測、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)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(xiàn)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(tǒng)總體控制結構如圖2所示。

圖2 電梯空氣凈化系統(tǒng)總體控制結構圖

由圖2可知，電梯空氣凈化系統(tǒng)由電源電路、單片機控制器件、濾芯層為主要部分構成系統(tǒng)的總體結構，電源電路接入外部電壓，經(jīng)變壓器的作用，在內(nèi)部電源芯片的電壓轉(zhuǎn)化下，為紫外燈、負離子發(fā)生器、風機驅(qū)動電機三個執(zhí)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(huán)風機的作用下，可加快轎廂換氣，實現(xiàn)轎廂內(nèi)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(shù)據(jù)信號、執(zhí)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?？刂婆c空氣污染物的報警數(shù)據(jù)限定值設置，LED可實時顯示當前空氣質(zhì)量等級及污染物的檢測數(shù)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(zhí)行裝置由電機、負離子、紫外燈三部分組成，控制電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風機在不同空氣質(zhì)量等級下的變速、負離子發(fā)生器與紫外燈管的開閉，這三部分主要用于轎廂內(nèi)空氣的凈化[4]。單片機控制報警裝置執(zhí)行空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)超過一定限值后，報警器會發(fā)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(tǒng)的總體控制結構。

2 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)硬件設計

電梯空氣凈化控制系統(tǒng)主要由傳感器模塊、空氣凈化執(zhí)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(zhí)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(jīng)變壓器降壓得到110 V的電壓后，為紫外燈、負離子發(fā)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(jīng)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(tǒng)硬件組成如圖3所示。

圖3 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)硬件組成結構圖

由圖3可知，該電梯空氣凈化控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)包含了單片機、傳感器、按鍵、LED顯示屏、紫外燈、負離子發(fā)生器、循環(huán)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(tǒng)的空氣質(zhì)量檢測單元，可實時進行空氣質(zhì)量監(jiān)測；紫外燈、負離子發(fā)生器、循環(huán)風機等三部分構成了空氣凈化執(zhí)行裝置，空氣質(zhì)量檢測單元和空氣凈化執(zhí)行裝置這兩大部分構成了系統(tǒng)的核心器件[7]?？諝鈨艋刂葡到y(tǒng)的控制電路包括燈管驅(qū)動電路、負離子驅(qū)動電路、循環(huán)風機驅(qū)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(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而采集數(shù)據(jù)。單片機根據(jù)采集的數(shù)字信號在一定的邏輯運算下進行數(shù)據(jù)運行處理，燈管驅(qū)動電路、負離子驅(qū)動電路、電機驅(qū)動電路根據(jù)空氣質(zhì)量等級執(zhí)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(guī)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(tǒng)[8]。

電梯空氣凈化系統(tǒng)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(jīng)過兩次變壓及LM7805電源芯片的降壓轉(zhuǎn)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(fā)生器、驅(qū)動電機三個執(zhí)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(tǒng)電源電路結構圖

3 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)軟件設計

電梯空氣凈化控制系統(tǒng)軟件設計時，可根據(jù)模塊化方式分析系統(tǒng)的各功能模塊程序，其功能模塊程序包括傳感器數(shù)據(jù)采集程序、風機控制程序、紫外燈管驅(qū)動程序、負離子驅(qū)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(tǒng)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(tǒng)總體模塊程序結構圖

由圖5電梯空氣凈化系統(tǒng)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(tǒng)空氣凈化的主要執(zhí)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)超過一定限值后，電梯空氣凈化系統(tǒng)才能通過單片機控制紫外燈管、負離子發(fā)生器、循環(huán)風機三種驅(qū)動裝置執(zhí)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(jù)數(shù)據(jù)信號做出對應的變化。

電梯空氣凈化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主程序控制流程如圖6所示。該系統(tǒng)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(shù)值，若數(shù)據(jù)判斷超過設定的污染數(shù)值，執(zhí)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(nèi)的空氣質(zhì)量均需進行實時檢測，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，執(zhí)行裝置可馬上啟動運行，凈化轎廂內(nèi)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(huán)境[10]。

圖6 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)主程序流程圖

由圖6電梯空氣凈化系統(tǒng)控制主流程圖可知，該系統(tǒng)啟動初始化后，系統(tǒng)即形成了一個閉環(huán)的監(jiān)測與污染物的處理流程，實現(xiàn)了智能化控制，實時監(jiān)測進風口與轎廂內(nèi)的空氣指數(shù)，空氣指數(shù)超過設定值后，執(zhí)行裝置則開始凈化處理，實現(xiàn)了智能化監(jiān)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(tǒng)設計，采用單片機作為控制器，該系統(tǒng)包括電源模塊、傳感器模塊，LED顯示模板、負離子發(fā)生器、紫外燈、循環(huán)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(huán)等空氣凈化技術，可實現(xiàn)實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理，自動凈化轎頂進風口與轎廂內(nèi)的空氣，實現(xiàn)了智能化的控制過程。同時，根據(jù)電梯轎廂箱體式空氣凈化系統(tǒng)的功能定義，搭建了電梯空氣凈化控制系統(tǒng)的總體框架設計，對電梯空氣凈化系統(tǒng)的研發(fā)有一定的參考作用。