淺談基于單片機(jī)的便攜式車載空氣凈化器論文
自2013 年全國性的霧霾天氣后，霧霾問題引起極大關(guān)注。本文研究的便攜式車載空氣凈化器主要針對要求潔凈空氣應(yīng)對PM2.5 的人群。該裝置實(shí)用性強(qiáng)、可隨車攜帶、直流蓄電池供電。選用51 系列單片機(jī)和低功耗、靈敏度高的氣味傳感器和灰塵傳感器組成空氣污染監(jiān)測控制系統(tǒng)。當(dāng)任一空氣污染度超標(biāo)時(shí),可進(jìn)行警報(bào)提示、液晶顯示來提醒人們啟動(dòng)微型軸流式引風(fēng)機(jī)， 負(fù)離子空氣凈化部分提供潔凈的空氣。
和現(xiàn)有的車載空氣凈化器系統(tǒng)相比，本文涉及的系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：(1)灰塵顆粒和氣體的共同探測功能提高了對空氣污染檢測的全面性;(2)人機(jī)交互功能性強(qiáng)，可自主選擇自動(dòng)和半自動(dòng)操作模式。
1 系統(tǒng)工作原理
1.1 凈化探測參數(shù)
該系統(tǒng)選擇粉塵顆粒和氣體濃度作為凈化探測的兩個(gè)重要參數(shù)。因此，需要運(yùn)用灰塵和氣味探測器來組成雙功能驅(qū)動(dòng)凈化的系統(tǒng)。雙功能探測使得凈化更全面，既能探測出PM2.5 顆粒引起的灰塵污染也能探測如甲醛、苯蒸汽等有害氣體空氣污染。從而使探測參數(shù)更全面、準(zhǔn)確。
1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
自動(dòng)凈化功能的單片機(jī)系統(tǒng)原理劃分的信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理模塊兩部分。
1.2.1 信號(hào)采集模塊
信號(hào)采集模塊是由灰塵探測器和氣味探測器組成。GP2Y1010AU0F是一個(gè)采用光學(xué)原理的灰塵傳感器。主要由紅外線發(fā)光二極管和一個(gè)光電管成對角布置而成。它通過檢測空氣中的塵埃的反射光形成脈沖模擬輸出區(qū)分車內(nèi)的煙塵規(guī)格。當(dāng)檢測的灰塵顆粒>PM2.5 時(shí)，輸出電壓V1.
氣味傳感器MQ135 所使用的氣敏材料是在潔凈空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣污染氣體濃度的增加而增大。用簡單電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號(hào)V2。MQ135 傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它有害的檢測也很理想。
1.2.2 信號(hào)處理模塊
信號(hào)處理模塊分為A/D 轉(zhuǎn)換器和CPU8051 控制器兩個(gè)功能模塊。
經(jīng)過前置放大器放大之后，灰塵信號(hào)和氣味信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換。LM393 轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給CPU.CPU將該信號(hào)和程序中設(shè)置的數(shù)值比較后才決定打開繼電器。這些繼電器控制著啟動(dòng)凈化警報(bào)和凈化操作等級控制裝置。在用戶想要換氣但是凈化系統(tǒng)還未開啟的情況下，用戶也可使用按鍵控制凈化系統(tǒng)。警報(bào)有兩參數(shù)設(shè)置(灰塵顆粒和氣體濃度) 系統(tǒng)分別默認(rèn)為PM2.5 值和100ppm。只要其一達(dá)到預(yù)警值，即警報(bào)啟動(dòng)。顯示屏顯示“您的空氣需要被凈化”字樣，實(shí)現(xiàn)智能的人機(jī)交互。
1.3 過濾網(wǎng)負(fù)離子功能
美國環(huán)保署EPA 實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)對于空氣凈化(除塵)而言：
1)濾網(wǎng)攔截對越大的粒子效果越好。
2)負(fù)氧離子中和沉降對越小的粒子效果越好。
本系統(tǒng)采用具有負(fù)離子功能的過濾網(wǎng)，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，除塵效果非常好。
負(fù)離子是利用所謂的電暈放電方法來產(chǎn)生帶電分子， 也就是離子。負(fù)離子與空氣中的細(xì)菌、灰塵、煙霧等帶正電的微粒相結(jié)合，并聚成球降落而消除PM2.5 危害。
2 控制電路設(shè)計(jì)
控制電路主要由STC89C51 單片機(jī)、A/D 轉(zhuǎn)換器LM393、LCD 顯示、引風(fēng)機(jī)除塵以及其他電路組成,以下介紹了3 個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)。
2.1 LM393 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用就是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于單片機(jī)進(jìn)行處理。A/D 轉(zhuǎn)換芯片選用LM393，它比集成運(yùn)放的開環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比小;但其響應(yīng)速度快，傳輸延遲時(shí)間短，而且不需外加限幅電路就可直接驅(qū)動(dòng)。
P1 為STC89C51 的`控制引腳VCC(電源正輸入(+5V))、DOUT(TTL電平信號(hào)輸出口)、AOUT(模擬信號(hào)輸出口)、GND(電源負(fù)輸入)的直插接口， 用跳線與CPU 的控制口相連配合程序即可對輸入的信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
2.2 顯示接口電路設(shè)計(jì)
當(dāng)下顯示器主要運(yùn)用LED 和LCD。兩種顯示都是低功耗且配置靈活，容易連接到微控制器。本設(shè)計(jì)運(yùn)用12864 液晶顯示模塊，電源供電電壓為5V，可按需選擇串行或并行方式.。控制引腳通過跳線與單片機(jī)控制口相連配合程序即可實(shí)現(xiàn)圖像或漢字的顯示。12864 液晶電路其中，外接電位器10KΩ 主要用來調(diào)節(jié)液晶的對比度。
2.3 鍵盤接口電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)按鍵較少，因此采用鍵盤與接口直接相連的方式，以接口的高低電平控制鍵盤的開和關(guān)。
(1)自動(dòng)半自動(dòng)控制:默認(rèn)狀態(tài)下，凈化系統(tǒng)處于自動(dòng)控制狀態(tài)，環(huán)境達(dá)到一定條件就可以觸發(fā)凈化器工作。此按鈕可按用戶需要，自主選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式。
(2)風(fēng)速控制:風(fēng)速控制設(shè)計(jì)成一個(gè)按鍵，根據(jù)按鍵的次數(shù)分低速、中速、高速三個(gè)風(fēng)速檔位以及一個(gè)關(guān)機(jī)狀態(tài)。
(3)顯示控制:默認(rèn)狀態(tài)下顯示屏顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)，也可使用此按鍵對近一個(gè)星期的空氣凈化歷史情況進(jìn)行查詢。
3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用C 語言編程。軟件的模塊化設(shè)計(jì)，有利于修改和調(diào)試。程序分4 部分：主程序、計(jì)時(shí)中斷服務(wù)子程序、調(diào)速子程序、顯示子程序。主程序首先對數(shù)據(jù)寄存器和外圍電路進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入查詢狀態(tài)，當(dāng)按鍵有輸入或參數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)便調(diào)用相應(yīng)的子程序。液晶顯示，指示當(dāng)前工作狀態(tài)。
系統(tǒng)每工作15 分鐘，便產(chǎn)生一次中斷，進(jìn)行計(jì)時(shí)存儲(chǔ)處理后，返回主程序。空氣凈化記錄標(biāo)志為1 代表未記錄的凈化歷史數(shù)據(jù)，為0 表示數(shù)據(jù)已記錄。
風(fēng)速調(diào)整子程序，根據(jù)按鍵次數(shù)的不同及空氣質(zhì)量情況，系統(tǒng)將機(jī)器調(diào)整為低、中、高風(fēng)速和關(guān)機(jī)狀態(tài)，如未按鍵且處于開機(jī)狀態(tài)5 分鐘即進(jìn)入自動(dòng)調(diào)速。
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