基于Atmega16單片機的小型室內空氣凈化器的研制

萬國平，聶惠芬，萬志強，王輝華

WAN Guo-ping1,NIE Hui-fen1,WAN Zhi-qiang2,WANG Hui-hua2

（1. 南昌理工學院 計算機工程系，南昌 330013；2. 合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

0 引言

當前，世界空氣污染狀況不容樂觀，而對于人類生活密切的室內空氣質量的好壞，一直是對人類健康造成影響的重要因素，隨著社會和科學技術的迅速發(fā)展，越來越多的各種裝飾材料應用于家居生活中，同時，也正是這些應用新的科學技術合成的裝飾材料，不斷揮發(fā)出各種對人體健康有害的氣體物質，如甲醛、二氧化硫等[1]，為了去除這些有害的氣體物質，對室內的空氣進行凈化就顯得尤為必要，本文所要介紹的就是一款以ATMEGA16單片機為控制芯片的小型的、主要應用于室內的空氣凈化器控制系統(tǒng)，該空氣凈化器控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、環(huán)保節(jié)能、經濟實惠。

1 系統(tǒng)功能需求分析[1]

空氣凈化器應用十分廣泛，本文所研制的是一種以Atmega16單片機為核心處理器的小型室內使用的空氣凈化器，系統(tǒng)功能需求分析如圖1所示。

圖1 空氣凈化器系統(tǒng)功能需求分析

該空氣凈化器主要是依靠紫外燈管發(fā)出適當波長的紫外線，利用紫外線能破壞微生物細胞中的DNA（脫氧核糖核酸）或 RNA（核糖核酸）的分子結構，造成生長性細胞死亡或再生性細胞死亡這一原理[2]，達到凈化室內空氣的目的。

當給凈化器接通電源工作后，系統(tǒng)即按照程序設定的紫外燈管使用壽命開始計時，中間如有停電、關機等操作，系統(tǒng)自動把先前計時數(shù)據(jù)保存在EEPROM中，以便在下次凈化器正常工作后，在之前計時數(shù)據(jù)上繼續(xù)計時，當計時的數(shù)據(jù)達到系統(tǒng)設定的紫外燈管的壽命時，LED報警燈開始報警提示，這時應予更換紫外燈管，更換燈管后，按下相應按鍵，這時先前保存在EEPROM中的數(shù)據(jù)清零，空氣凈化器在通電正常工作后，計時器重新計時。

2 控制系統(tǒng)總體設計

由對空氣凈化器控制系統(tǒng)的功能需求分析，主要從硬件和軟件兩個方面介紹空氣凈化器控制系統(tǒng)的總體設計。

2.1 硬件總體設計

按照實現(xiàn)空氣凈化器的功能需求可知，系統(tǒng)硬件設備主要由Atmega16單片機、LED燈、電感線圈、按鍵、紫外燈管、蜂鳴器、溫度傳感器以及其他電子元器件組成?？諝鈨艋饔布O計如圖2所示。

由硬件設計圖可知，空氣凈化器是以Atmega16單片機為核心，并在此基礎上來實現(xiàn)凈化器的功能需求的。

圖2 空氣凈化器硬件設計

Atmega16單片機是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微處理器，得益于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，Atmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，作為AVR系列的高檔產品，Atmega16內核具有豐富的指令集和多達32個通用工作寄存器，從而可以十分明顯地緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。Atmega16具有一個SPI串行端口、一個與IEEE 1149.1標準兼容的JTAG接口，方便程序的下載、仿真、調試和運行[3]，因此，選擇該型號的單片機作為系統(tǒng)核心處理器，完全滿足本控制系統(tǒng)的功能需求。

2.2 軟件總體設計

空氣凈化器的硬件系統(tǒng)確定好后，就需要對實現(xiàn)功能要求的軟件程序進行設計，空氣凈化器系統(tǒng)的程序總體機構圖如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)程序總體結構圖

根據(jù)系統(tǒng)程序總體結構圖可知，系統(tǒng)的主程序主要由初始化程序、按鍵程序、定時報警程序、信號反饋處理程序、中斷處理程序、紫外燈驅動程序、蜂鳴器控制程序、電源控制程序和EEPROM讀寫程序組成，各個子程序經過單片機的運算處理，實現(xiàn)系統(tǒng)凈化空氣的功能[4]，控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序主流程圖

空氣凈化器通電開機后，系統(tǒng)首先進行初始化程序操作，分配各端口地址，給各個參數(shù)賦予初始值，讀取紫外燈管的工作狀態(tài)檢測信號[5]，判斷定時器中的計時是否到時，如到時，則蜂鳴器響，提示更換燈管，更換好后，按鍵復位操作，定時器重新開始計時，如沒到時，則系統(tǒng)繼續(xù)正常工作，直到定時到時。

3 信號采集與處理

本文研制的空氣凈化器的一個重點是實現(xiàn)對紫外燈反饋的信號的檢測與處理，當紫外燈出現(xiàn)故障或壽命到期后，報警提示更換，從而實現(xiàn)對紫外燈工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。

3.1 信號檢測模塊

本文信號采集的一個重點即對紫外燈管工作狀態(tài)信號的采集，紫外燈管在長時間工作后，殺菌性能逐漸減弱，故障發(fā)生的概率也逐漸增大[6]，如何在紫外燈管故障發(fā)生時或壽命到期時，準確迅速地檢測判斷出來，是本文一個核心所在。

為解決這一問題，考慮在紫外燈管的工作電路上串聯(lián)一個電感線圈，通過電感線圈的電流產生反饋電壓送給雙電壓比較器LM393，由LM393對采集到的電壓進行比較判斷，輸出高/低電平給控制芯片Atmega16單片機，由單片機的內部程序完成信號的比較判斷，實現(xiàn)對紫外燈管的導通和斷開的狀態(tài)檢測和反饋，空氣凈化器的比較反饋電路如圖5所示。

紫外燈管的開/關直接由控制面板上的按鍵來控制鎮(zhèn)流器電源的通斷來實現(xiàn)，Atmega16單片機的PB2 和PB3端口作為紫外燈管狀態(tài)信號的檢測端口。

圖5 紫外燈管比較反饋電路

當空氣凈化器正常工作時，流經電子鎮(zhèn)流器中電流的一路經過電感， LM393的2或6腳檢測到大約2.45V的電壓，進行比較，另外一路的電壓大約為0.5V，同時，LM393的1或7腳輸出低電平給單片機的PB2 或PB3口，經單片機判斷后，發(fā)出紫光燈工作正常的信號。如果紫外燈管不工作，則電子鎮(zhèn)流器就沒有電流輸出，此時，LM393的2或6腳就檢測不到電壓，LM393的1或7腳便輸出高電平給單片機PB2 或PB3端口，單片機經判斷就會發(fā)出紫光燈工作不正常的信號且控制蜂鳴器發(fā)出報警信號。

3.2 定時模塊設計

紫外燈的殺菌強度會隨著使用時間的增加而逐漸衰減，一般應在其殺菌強度將至70%后，及時更換紫外燈管，這樣可以獲得最佳的凈化空氣的效果，紫外燈管從開始使用到更換完畢這一段使用時間即為使用壽命[7,8]，一般在紫外燈管的說明書上也會給出使用壽命，為了在燈管使用到期后及時有效地更換燈管，保證最佳的殺菌效果，這就需要定時功能，得益于Atmega16單片機內置有多個帶預分頻的，功能強大的8位和16位計數(shù)/定時器，可以非常方便地實現(xiàn)對紫外燈管工作時間的定時計數(shù)功能，同時為了提高定時計數(shù)的準確性，在硬件電路上加入了一個16MHz的晶振?？諝鈨艋鞯亩〞r流程圖如圖6所示。

4 結論

本文所研制的小型室內空氣凈化器控制系統(tǒng)，是基于Atmega16單片機為核心處理器來實現(xiàn)的，通過對空氣凈化器功能需求的分析，設計、開發(fā)出相應的硬件電路和軟件程序，最終實現(xiàn)了空氣凈化器的功能要求，達到了預定的設計目標。

圖6 空氣凈化器定時流程圖

本控制系統(tǒng)硬件電路采用Protel DXP軟件進行設計、開發(fā)，在研制過程中采用Proteus軟件進行電路的仿真；軟件方面采用C語言來編寫程序，開發(fā)環(huán)境為CodeVisionAVR軟件，硬件和軟件都完成后，下載程序進行整機的調試和運行，實驗的結果表明整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了預期的設計要求。

[1] 吳忠標,趙偉榮. 室內空氣污染及凈化技術[M]. 化學工業(yè)出版社,2005.

[2] 何德林. 空氣凈化技術手冊[M]. 電子工業(yè)出版社,1985.

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[4] 李果,董玉德. Design and research the Software of Air-purifier Control System based on ATmega128 microcontroller,2011 IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering(CSAE 2011).

[5] 任俊龍. 基于AVR單片機的空氣凈化器控制系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)[J]. 合肥： 合肥工業(yè)大學,2010.

[6] Yu Ying,Zhou Lei,Min Hao. Design and VLSI Implementation of An Asyn-chronous Low Power Microcontroller[J]. 20014th International Conference On ASIC 2001,(33)： 797-799.

[7] 劉歡. 基于AVR單片機的移相零電壓逆變電阻焊接電源的研究[D]. 杭州： 浙江大學,2008.

[8] 吳忠標,趙偉榮. 室內空氣污染及凈化技術[M]. 化學工業(yè)出版社,2005.