基于MSP430單片機(jī)的空調(diào)過濾網(wǎng)粉塵自動監(jiān)測系統(tǒng)

張加宏，曹 駿，管 靚，陳子煊

（1. 南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044;2. 南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044）

隨著全球氣候的不斷變化以及各種極端氣候的頻繁出現(xiàn)，空調(diào)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚募矣秒娖鳌Ｈ欢诮?jīng)常使用的空調(diào)內(nèi)部的過濾網(wǎng)上會聚集大量的灰塵、細(xì)菌和霉菌[1]，既不利于通風(fēng)而影響制熱或制冷效果，更不利于人體的健康。中國疾病控制中心資料顯示，空調(diào)如果污染嚴(yán)重會引發(fā)亞健康狀態(tài)和多種疾病。但這一問題并沒有引起人們的足夠重視，很多人無經(jīng)常清洗過濾網(wǎng)的習(xí)慣。國內(nèi)外也缺少能對空調(diào)內(nèi)部過濾網(wǎng)上攜帶了大量細(xì)菌和霉菌的粉塵進(jìn)行自動檢測并提示用戶及時(shí)清洗的新型空調(diào)或監(jiān)測系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的基于MSP430單片機(jī)的低功耗空調(diào)內(nèi)部粉塵自動監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測過濾網(wǎng)上粉塵的情況，并做到對其的智能化管理——可自行設(shè)置粉塵量值的閘值，有越界語音提示警報(bào)和強(qiáng)制關(guān)閉空調(diào)的功能，可用于掛機(jī)、柜機(jī)、窗機(jī)等各式空調(diào)，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理

圖1 系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of the system

如圖1所示，本系統(tǒng)由空調(diào)過濾網(wǎng)監(jiān)測模塊和中心接收處理模塊兩部分組成，均以低功耗MSP430F149單片機(jī)為主控。基于光電轉(zhuǎn)換原理[2]，監(jiān)測模塊利用HOA2498-003反射式紅外光電傳感器對空調(diào)過濾網(wǎng)上的粉塵進(jìn)行精確檢測，并將獲取的微弱電流信號通過精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號后，再傳送給低噪聲低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794。中心接收處理模塊通過觸摸液晶屏輸入設(shè)置閾值并顯示實(shí)時(shí)測量結(jié)果，當(dāng)檢測的電壓值（對應(yīng)于粉塵的量級）小于空調(diào)需要清洗的閾值時(shí)，控制繼電器開關(guān)一直閉合，空調(diào)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。一旦粉塵較多，電壓值將變得較大，超過閾值后，蜂鳴警和二極管聲光報(bào)警。若在一定時(shí)間內(nèi)，檢測的電壓值持續(xù)高于設(shè)置的空調(diào)需要清洗的閘值，則控制繼電器切斷供電，空調(diào)停止工作，達(dá)到強(qiáng)制用戶對空調(diào)過濾網(wǎng)上的粉塵進(jìn)行清洗的功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 MSP430簡介

主控芯片選用TI公司的MSP430F149單片機(jī)[3]。該芯片是一種16位系列單片機(jī)，在電池供電的低功耗應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。其工作電壓在1.8～3.6 V之間，正常工作時(shí)功耗可控制在200 μA左右，而低功耗時(shí)可實(shí)現(xiàn)2 μA甚至0.1μA。同時(shí)，該芯片在8 MHz晶體下運(yùn)算能力達(dá)到8 MIPS，喚醒時(shí)間也很短，只需6μs。選用這款單片機(jī)，不僅可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能，還可使單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，有效地減少系統(tǒng)功耗，節(jié)約電能，延長使用時(shí)間。

2.2 基于HOA2498光電傳感器的粉塵檢測模塊

鑒于系統(tǒng)目標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)采用反射式紅外光電傳感器[4]HOA2498-003。該傳感器具有以下優(yōu)勢：1)采用的聚焦方式，聚焦的玻璃透鏡能實(shí)現(xiàn)最大響應(yīng)。2)工作溫度范圍寬，不用擔(dān)心空調(diào)溫度過高或過低。3)采用金屬封裝元件，耐用性舊。4)安裝簡單，節(jié)省空間，不受被檢物的形狀、顏色和材質(zhì)影響。

圖2 紅外光電傳感器測量電路圖Fig. 2 Measurement circuit of Infrared photoelectric sensor

粉塵檢測模塊測量電路如圖2所示，HOA2498光電傳感器通過ADI公司生產(chǎn)的AD7794與MSP430單片機(jī)相連，HOA2498自帶一個(gè)紅外發(fā)射二極管和一個(gè)光接收復(fù)合管。本系統(tǒng)通過P2.0利用MSP430單片機(jī)發(fā)出脈沖電壓來驅(qū)動發(fā)射管間隔發(fā)光，經(jīng)過過濾網(wǎng)上面的灰塵反射后被復(fù)合管接收轉(zhuǎn)換為電流信號，再經(jīng)過精密電阻R4轉(zhuǎn)換成電壓信號送給AD7794進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將發(fā)光前后的轉(zhuǎn)換的數(shù)值均送給單片機(jī)做差分處理，可以消除環(huán)境背景光的影響。值得注意的是，24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794的噪聲只有40 nV，功耗電流僅400μA，特別適合要求低功耗和高精度測量的應(yīng)用[5]。同時(shí)AD7794片上還有低噪聲的儀用放大器，這意味著幅度比較小的信號可以直接輸入到AD7794。利用上述測量電路可以精確地檢測過濾網(wǎng)上的灰塵的附著量以及變化情況。

2.3 中心接收處理模塊

觸摸屏液晶輸入和顯示模塊：本設(shè)計(jì)采用帶觸摸屏的串行接口中文圖形點(diǎn)陣TFT液晶顯示模塊RTSI056B03。在實(shí)時(shí)顯示測量的電壓值和表征粉塵量級參數(shù)的同時(shí)，利用該LCD觸摸屏，用戶可以自行設(shè)置空調(diào)需要清洗時(shí)的閾值。

聲光報(bào)警模塊：本系統(tǒng)報(bào)警采用蜂鳴器鳴叫和二極管發(fā)光實(shí)現(xiàn)。如果粉塵的量級超過了之前規(guī)定的閾值。蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)通過單片機(jī)驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，讓人們及時(shí)清理灰塵。

開關(guān)控制模塊：電源通過繼電器常開一端接入空調(diào)系統(tǒng)，正常情況下，電源供電，空調(diào)工作。如圖3所示，當(dāng)聲光報(bào)警發(fā)生，而且單片機(jī)檢測的A/D電壓值持續(xù)高于閘值10分鐘后，單片機(jī)給繼電器送入低電平，使繼電器跳轉(zhuǎn)，常開一端斷開，電源斷開，停止給空調(diào)系統(tǒng)供電，空調(diào)不工作。

圖3 繼電器開關(guān)控制電路Fig. 3 Control circuit of relay switch

時(shí)鐘模塊：使用時(shí)鐘模塊記錄時(shí)間，以方便用戶能較為準(zhǔn)確的把握清理粉塵的頻率。本設(shè)計(jì)采用DS1302時(shí)鐘芯片，可以選擇對年、月、日、星期、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)。

RS232串口模塊：采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)TTL邏輯電平和RS232電平之間的相互轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換之后，串行信號TXD、RXD與串口連接在一起，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

主流程如圖4所示，當(dāng)空調(diào)開機(jī)后，單片機(jī)被喚醒，過濾網(wǎng)粉塵監(jiān)測系統(tǒng)初始化，此時(shí)可通過觸摸屏設(shè)置閾值。然后AD7794每隔一定時(shí)間對HOA光電傳感器傳感器測量的過濾網(wǎng)粉塵數(shù)據(jù)采樣一次。中心接收模塊接收采集數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，液晶屏顯示粉塵量級，并判斷采集數(shù)據(jù)是否超過設(shè)閾值，若超過，驅(qū)動蜂鳴警和二極管進(jìn)行聲光報(bào)警。計(jì)數(shù)定時(shí)，等待10分鐘，用戶如果沒有采取措施，則控制繼電器跳轉(zhuǎn)，切斷電源，強(qiáng)制關(guān)閉空調(diào)。

3.2 智能化低功耗設(shè)計(jì)

圖4 空調(diào)過濾網(wǎng)粉塵監(jiān)測系統(tǒng)主流程圖Fig. 4 Main flow of air filter dust monitoring system

由于粉塵的積累需要一定的時(shí)間，因此沒有必要時(shí)刻對空調(diào)過濾網(wǎng)進(jìn)行粉塵測試。本系統(tǒng)中，為了節(jié)約電能，除了必要的設(shè)備初始化以外，其余程序（觸摸屏觸發(fā)、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換）均在中斷中完成。當(dāng)空調(diào)開機(jī)時(shí)，MSP430單片機(jī)被喚醒啟動監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行粉塵檢測，其余大部分時(shí)間單片機(jī)處于LPM1低功耗模式中，只有中斷被觸發(fā)時(shí)，才被喚醒，這一設(shè)計(jì)方案大大降低了系統(tǒng)功耗[6]。當(dāng)空調(diào)關(guān)閉后，單片機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，就進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗。

4 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果

監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件調(diào)試成功之后，采用波浪型和平坦型兩種不同的過濾網(wǎng)測試樣品做試驗(yàn)，如圖5和圖6所示，空調(diào)過濾網(wǎng)是細(xì)密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，上面附著了不同濃度的粉塵。具體的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 附著不同濃度粉塵的波浪型過濾網(wǎng)測試樣品Fig. 5 Wavelike filter test samples attached to different dust concentrations

圖6 附著不同濃度粉塵的平坦型過濾網(wǎng)測試樣品Fig. 6 Flat-type filter test samples attached to different dust concentrations

從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于不同的測試樣品，反射光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓值也不同，所以可將空調(diào)過濾網(wǎng)上的粉塵的濃度和電壓值建立起對應(yīng)的分段關(guān)系，并加以定級，提示用戶需不需要清洗過濾網(wǎng)。結(jié)合圖5和圖6，不難發(fā)現(xiàn)粉塵濃度越大，測得的電壓差分值越大。如圖5（c）和圖6（b）所示，附著的粉塵濃度很大，可將它們對應(yīng)的電壓值設(shè)置為閾值。一旦測量的電壓值達(dá)到閾值，聲光報(bào)警10 min后，如果用戶不做處理，自動關(guān)閉空調(diào)，強(qiáng)制用戶對過濾網(wǎng)進(jìn)行清洗。

表1 不同測試條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental data under different test conditions

5 結(jié)束語

針對國內(nèi)外空調(diào)沒有能對其內(nèi)部過濾網(wǎng)粉塵自動檢測的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于MSP430單片機(jī)的低功耗高精度空調(diào)過濾網(wǎng)粉塵自動監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)在空調(diào)開機(jī)后被喚醒，可以實(shí)時(shí)顯示粉塵量級，并做到對其智能化管理——可自行設(shè)置粉塵量值的閘值，有越界語音提示警報(bào)和強(qiáng)制關(guān)閉空調(diào)的功能，從而使用戶全面、直觀地了解空調(diào)內(nèi)部過濾網(wǎng)的污染狀況，及時(shí)對過濾網(wǎng)做好清潔工作。經(jīng)過實(shí)際測試，該空調(diào)過濾網(wǎng)粉塵自動監(jiān)測系統(tǒng)功耗低，實(shí)用性強(qiáng)，具有很大的推廣價(jià)值。

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