Design of Intelligent Indoor Air Purification System*

YAO Jia，ZHANG Zijia，2*，ZHU Li

(1.Department Of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210000，China)

Design of Intelligent Indoor Air Purification System*

YAO Jia1，ZHANG Zijia1，2*，ZHU Li1

(1.Department Of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210000，China)

The purification of indoor air can improve the air quality in our working and living environment．An intelligent indoor air purification system based on C8051F020 microcontroller was designed．The system includes data acquisition module，driver control module of motor and UV light，feedback signal detection module of UV lamp，TFT LCD touch display module，infrared remote module and the buzzer sounding module．An intelligent control of indoor air purification was implement，and a friendly interface TFT LCD touch display was provided．Experimental results show that the system is reliable，stable，and effective，which can be adapted to different applications．

C8051F020 microcontroller;indoor air purification system;intelligent control;friendly interface

隨著工業(yè)發(fā)展和現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，全球空氣污染日益嚴(yán)重，人們生活和工作的室內(nèi)空氣質(zhì)量也逐漸變差［1］。室內(nèi)空氣的污染不但嚴(yán)重影響了人們的日常生活而且危害了人類的身體健康，因此為保證身體的健康和良好的工作環(huán)境，出現(xiàn)了各種室內(nèi)空氣凈化器。目前，空氣凈化器主要包括機(jī)械過濾吸附式、靜電式、負(fù)離子式、紫外光式等［2］，它們大多操作繁瑣，并且成本較高?；贑8051F020單片機(jī)的智能室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)，以C8051F020單片機(jī)為控制核心，結(jié)合過濾膜和紫外光殺菌技術(shù)，通過對氣體傳感器陣列的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了對粉塵、甲醛、CO2濃度的實時監(jiān)測，在自動模式下通過對這些空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測實現(xiàn)凈化過程的自動控制，在手動模式下可自主選擇啟動某種轉(zhuǎn)速的電機(jī)，結(jié)合3．2 inch TFT液晶觸摸屏提供的友好人機(jī)交互界面，以及紅外遙控功能和蜂鳴器發(fā)聲裝置，實現(xiàn)了對空氣凈化過程的智能控制，在系統(tǒng)性能優(yōu)越性、成本、以及可靠性上做出了較大的改善。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計的智能空氣凈化系統(tǒng)可對室內(nèi)空氣中的粉塵、甲醛、CO2等有毒有害氣體信息實時采集，利用過濾膜過濾室內(nèi)空氣中的顆粒狀污染物，利用紫外線的照射破壞致病體的DNA結(jié)構(gòu)達(dá)到消毒滅菌的作用。系統(tǒng)啟動分為自動模式和手動模式兩種，自動模式中對有害氣體濃度凈化標(biāo)準(zhǔn)有一般、良好、優(yōu)質(zhì)3種標(biāo)準(zhǔn)，手動模式中的3個電機(jī)分別運行在低速、中速、高速3種狀態(tài)。一般標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)啟動的是低速運行的電機(jī)，依此類推。自動模式下用戶選擇凈化標(biāo)準(zhǔn)后即可實現(xiàn)凈化過程的自動控制，手動模式下用戶選擇啟動某種轉(zhuǎn)速的電機(jī)，但當(dāng)凈化完成后還需其他手動操作。在自動模式凈化過程中，空氣中有毒有害氣體濃度低于或等于標(biāo)準(zhǔn)值時，自動停止電機(jī)，高于標(biāo)準(zhǔn)值時，自動啟動電機(jī)，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)值下室內(nèi)空氣凈化過程的智能控制。在手動模式凈化過程中，用戶可根據(jù)液晶屏顯示的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)選擇啟動某種轉(zhuǎn)速的電機(jī)，但當(dāng)凈化完成時電機(jī)仍會運轉(zhuǎn)，需手動關(guān)閉或切換其他轉(zhuǎn)速或模式。室內(nèi)空氣中粉塵或甲醛濃度持續(xù)6 h超過某一設(shè)定值，液晶屏?xí)@示“清洗膜”，提示用戶清洗或更換過濾膜。CO2含量超過設(shè)定值時，液晶屏?xí)@示“打開窗戶”，提示用戶開窗。同時主控芯片通過紫外燈燈管信號反饋電路傳輸?shù)男盘柵袆e紫外燈是否正常工作。為實現(xiàn)對空氣凈化過程的智能控制，提高該系統(tǒng)的性能和可靠性，采用C8051F020為控制核心，主要包括氣體傳感器陣列數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)和紫外燈驅(qū)動控制模塊、紫外燈燈管信號反饋模塊、TFT液晶觸摸顯示模塊、紅外遙控和蜂鳴器發(fā)聲裝置等。氣體傳感器陣列包括DHT11溫濕度傳感器、DSM501粉塵傳感器、MG811型CO2氣體傳感器、MQ138甲醛傳感器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1微控制器選擇

目前微處理器種類繁多，C8051F020基于高速8051微控制器內(nèi)核、流水線指令結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)25 Mindication/s，4 352 byte內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，64 kbyte可在線編程的flash存儲器，外部64 kbyte數(shù)據(jù)存儲器接口。內(nèi)含真正12 bit 100 ksample/s的8通道ADC，真正8 bit 500 ksample/s的8通道ADC，均帶PGA和模擬多路開關(guān)，以及2個12 bit DAC。具有8 byte寬的端口I/O，可同時使用的硬件SMBus (I2CTM兼容)，SPITM以及兩個UART串口。具有5個通用16 bit定時器，可編程的16 bit定時器陣列，有5個捕捉模塊［3］。與以前的51系列單片機(jī)相比，在同等成本的情況下，可靠性和速度有了很大提高。

2．2氣體傳感器陣列

所設(shè)計的空氣凈化系統(tǒng)需要能識別多種氣體并且要監(jiān)測室內(nèi)溫濕度，因此系統(tǒng)中需要多種氣體傳感器［4－6］。

DSM501粉塵傳感器是韓國SYHITECH專利產(chǎn)品，內(nèi)置加熱器可自動吸入空氣，采用粒子計數(shù)原理，PWM脈寬調(diào)制輸出，可靈敏檢測直徑1 μm以上的粒子，且尺寸小質(zhì)量輕，易于安裝使用。多應(yīng)用于空氣清洗機(jī)、空氣調(diào)節(jié)器、空氣質(zhì)量檢測儀以及通風(fēng)設(shè)備上。DSM501粉塵傳感器采用5 V供電，在控制腳和地之間加100K的電位器，調(diào)整輸出腳1的敏感度。

MG811型CO2氣體傳感器對CO2有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響小，具有良好的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性。該傳感器采用固體電解質(zhì)電池原理，置于CO2氣氛中時，電極會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，傳感器敏感電極與參考電極間的電勢差(EMF)符合能特斯方程。由于傳感器輸出的電壓信號比較微弱，需經(jīng)運放放大電路放大3倍。

MQ138甲醛傳感器適宜醇類、醛類、芳族和酮類等有機(jī)溶劑的探測，具有壽命長、穩(wěn)定性好和較高的靈敏度等特點。應(yīng)用于家庭、環(huán)境的有害氣體探測裝置。在檢測過程中，空氣中甲醛濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就越高。使用簡單的電路即可將這種電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與甲醛濃度對應(yīng)的電壓輸出信號。

環(huán)境溫濕度也是影響傳感器測量的重要環(huán)境因素，所設(shè)計的空氣凈化系統(tǒng)采用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，具有單線制串行接口與微處理器通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

氣體傳感器陣列的數(shù)據(jù)采集［7－9］主要分為數(shù)字信號和模擬信號兩種。DSM501粉塵傳感器以及DHT11數(shù)字溫濕度傳感器輸出數(shù)字信號可直接連接C8051F020的數(shù)字I/O口，MG811型CO2氣體傳感器以及MQ138甲醛傳感器的輸出信號是模擬量，需經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換才能用于顯示和控制。本系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)片內(nèi)的一個12位逐次逼近型ADC，該ADC具有可編程轉(zhuǎn)換速率，最大可達(dá)100 ksample/s，誤差低至±1LSB。8通道的外部輸入可編程設(shè)置為8個單端輸入或4對差分輸入，可通過設(shè)置可編程增益放大器實現(xiàn)0．5倍～16倍的放大增益選擇，具有數(shù)據(jù)相關(guān)窗口中斷發(fā)生器，且內(nèi)置溫度傳感器。在AD初始化中通過寫寄存器將AD設(shè)置為單端輸入，增益為1，采樣率為100 ksample/s，由定時器3溢出啟動轉(zhuǎn)換，使能內(nèi)置溫度傳感器、片內(nèi)參考電壓以及ADC中斷。氣體傳感器陣列與C8051F020單片機(jī)的連接如圖2所示。

圖2　氣體傳感器陣列與C8051F020連接圖

2．3電機(jī)和紫外燈控制電路

電機(jī)和紫外燈的控制是整個系統(tǒng)至關(guān)重要的部分，電機(jī)將在單片機(jī)的控制下帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，使室內(nèi)空氣形成循環(huán)，調(diào)整空氣凈化系統(tǒng)的工作狀態(tài)與殺菌效果。該系統(tǒng)可分為控制端和控制終端，控制端的操作均可通過紅外控制終端實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)的需求，所設(shè)計的空氣凈化系統(tǒng)采用1個照射殺菌的紫外燈和3個交流單相異步電機(jī)［10］，且3個電機(jī)分別對應(yīng)低速、中速、高速3種運行狀態(tài)。在控制端手動模式下用戶可以根據(jù)空氣凈化系統(tǒng)顯示的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)觸摸屏幕來選擇啟動哪種運行狀態(tài)的電機(jī)。利用24 V繼電器和三極管構(gòu)成的驅(qū)動控制電路分別與主控芯片的P4．0～P4．3端口相連，分別對高速、中速、低速3種轉(zhuǎn)速的電機(jī)和紫外燈實現(xiàn)控制。系統(tǒng)還可以采用氣體傳感器陣列數(shù)據(jù)采集模塊采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)和控制凈化過程，例如在自動模式一般標(biāo)準(zhǔn)下，凈化開始時主控芯片的P4．2和P4．3端口輸出高電平驅(qū)動低速的電機(jī)和紫外燈，凈化過程中空氣中有毒有害氣體濃度低于或等于一般標(biāo)準(zhǔn)值時，P4．2端口輸出低電平，斷開低速電機(jī)回路，低速電機(jī)停止運行，有毒有害氣體濃度高于一般標(biāo)準(zhǔn)值時，再自動啟動低速電機(jī)。良好、優(yōu)質(zhì)凈化標(biāo)準(zhǔn)分別對應(yīng)啟動中速和高速電機(jī)，自動模式下就實現(xiàn)了室內(nèi)空氣凈化過程的智能控制。紫外燈和電機(jī)均采用220 V供電，性能穩(wěn)定、控制簡單，控制電路如圖3所示。

圖3　電機(jī)和紫外燈控制電路

2．4燈管信號反饋電路

所設(shè)計的空氣凈化系統(tǒng)為了確?？諝鈨艋^程中紫外燈能正常工作，設(shè)計了燈管信號反饋電路。燈管信號反饋電路的作用是將紫外燈管當(dāng)前的狀態(tài)信號檢測、輸出給C8051F020的P7．5端口，如圖4所示，接線端LAMP_IN為燈管的狀態(tài)檢測引腳，選擇LM393構(gòu)成的比較器電路作為紫外燈燈管反饋信號的檢測電路，C8051F020的P7．5端口對接線端LAMP_IN的狀態(tài)進(jìn)行檢測，若紫外燈正常工作接線端LAMP_IN檢測到高電平，反之則檢測到低電平。

圖4　燈管信號反饋電路

圖5　ILI9320與液晶屏連接電路

2．5TFT液晶觸摸顯示

大多數(shù)室內(nèi)空氣凈化器都采用LCD12864作為輸出顯示器，并采用傳統(tǒng)的按鍵控制方式。本文所設(shè)計的空氣凈化系統(tǒng)采用集成ILI9320驅(qū)動的3．2 inch TFT液晶觸摸屏。TFT液晶屏顏色豐富，可達(dá)262 144色，分辨率為240像素×320像素，且?guī)в|摸功能，為系統(tǒng)提供了友好的人機(jī)交互界面。ILI9320［11］接口為37引腳的FPC軟排線，支持i80/ 8-bit、i80/16-bit、VSYNC以及SPI等通訊模式。系統(tǒng)采用了i80/16-bit模式，其與液晶屏連接方式如圖5所示。ADS7846是德州儀器生產(chǎn)的一款四線電阻觸摸屏驅(qū)動專用驅(qū)動芯片，可以自動采樣X軸、Y軸電壓值，然后通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI協(xié)議發(fā)送給MCU，操作簡單，精度高［12］。對于觸摸在按下和釋放過程中的抖動問題，可通過軟件進(jìn)行鍵消抖。觸摸屏驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6　觸摸屏驅(qū)動電路

3　軟件設(shè)計

3．1軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析與硬件模塊的設(shè)計，室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)對于軟件程序的需求可以分為以下幾個部分:初始化程序、顯示器控制子程序、傳感器信號采集處理子程序、定時子程序、中斷處理子程序、觸摸控制子程序、電機(jī)驅(qū)動控制子程序、紫外燈燈管檢測子程序、紅外信號處理子程序、蜂鳴器控制子程序，其總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計如圖7所示。

圖7　控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計方框圖

3．2控制系統(tǒng)主程序流程

根據(jù)總體設(shè)計，各模塊處理子程序依賴于主程序的調(diào)度，共同完成控制系統(tǒng)功能。主程序流程圖如圖8所示，系統(tǒng)上電后屏幕顯示各種參數(shù)，模式選擇后啟動運行，模式間可互相切換。

4　實驗結(jié)果顯示

傳感器陣列及控制驅(qū)動模塊連接實物圖如圖9所示。為了測試該系統(tǒng)，選定在一個體積為20 m3的辦公室內(nèi)進(jìn)行測試。選擇室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)在自動模式優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下，傳感器陣列采集當(dāng)前室內(nèi)空氣溫濕度以及甲醛甲苯濃度、空氣灰塵濃度、二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)換后顯示出凈化之前空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)如圖10所示。此時空氣質(zhì)量低于設(shè)定的優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)自動啟動紫外燈和高速電機(jī)，對空氣進(jìn)行凈化，并在屏幕上顯示當(dāng)前室內(nèi)空氣質(zhì)量實時數(shù)據(jù)，一段時間后，空氣質(zhì)量達(dá)到設(shè)定的優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，高速電機(jī)停止工作，顯示當(dāng)前室內(nèi)空氣質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，傳感器陣列采集當(dāng)前室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)顯示如圖11所示。凈化后，室內(nèi)空氣溫濕度基本不變，甲醛甲苯濃度、空氣灰塵濃度、二氧化碳濃度明顯減少，室內(nèi)空氣質(zhì)量得到顯著改善。

圖8　控制系統(tǒng)主程序流程圖

圖9　控制驅(qū)動主板連接實物圖

圖10　凈化前

圖11　凈化后

5　結(jié)束語

設(shè)計了一種基于C8051F020單片機(jī)控制原理的室內(nèi)空氣智能凈化系統(tǒng)。在傳統(tǒng)化學(xué)、物理和紫光燈殺菌凈化原理基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感器技術(shù)以及傳感器數(shù)據(jù)采集原理，利用C8051F020單片機(jī)控制原理，使用工作效率高的交流單相異步電機(jī)，集顯示、觸摸、遙控于一體，完成了室內(nèi)空氣智能凈化系統(tǒng)的設(shè)計。實驗表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、功能性強(qiáng)、操作簡單、凈化效率高并且節(jié)能環(huán)保，可廣泛用于醫(yī)院、賓館、學(xué)校等人員密集場所或?qū)諝赓|(zhì)量有特別要求地方。

［1］馬嫚，程鉛，陳慧，等．基于信息融合技術(shù)的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)［J］．電子器件，2013，36(4):554－558．

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

［3］CYGNAL．Mixed-Signal 64 kbyte ISP FLASH MCU Datasheet．

［4］Ma X T，Wang H Y，Wang L．Indoor Air Quality Detect and Control System Based on Gas Sensor Array［J］．Journal of Transducer Technology，2002，21(11):24－27．

［5］郜麗鵬，林云．基于凸優(yōu)化理論的多傳感器故障診斷技術(shù)［J］．電子測量與儀器學(xué)報，2009，23(8):39－43．

［6］周愛國，陳羽，周全，等．空氣質(zhì)量流量傳感器的流場分析及安裝位置優(yōu)化［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2011(10):7－9．

［7］宋鵬飛，王厚軍，曾浩．高速深存儲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與設(shè)計［J］．儀器儀表學(xué)報，2011，32(4):903－912．

［8］張沁川，王厚軍．動態(tài)采集過程的系統(tǒng)模型和評價方法研究［J］．儀器儀表學(xué)報，2012，33(1):42－48．

［9］李楠，王曉東，王濤，等．基于C8051F064單片機(jī)的高速數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)［J］．電子器件，2007，30(2):628－632．

［10］董玉德，黃開，金運掌，等．室內(nèi)柜式空氣凈化器嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計［J］．電子測量技術(shù)，2013，36(3):62－66．

［11］ILI Technology Corp．ILI9320 Datasheet［R］．

［12］廉小龍，夏路易，胡旭．基于LM3S1138的觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計［J］．機(jī)械工程與自動化，2012(4):17－19．

姚佳(1988－)，女，漢，江蘇揚州人，南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院在讀研究生，主要研究方向為智能儀器儀表、檢測技術(shù)與系統(tǒng)集成，yaojia1220 @126．com;

張自嘉(1964－)，男，漢族，河南南陽人，南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為現(xiàn)代傳感器、嵌入式檢測技術(shù)等，zhzijia@126．com。

EEACC:772010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．043111

智能室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計*

姚佳，張自嘉，2*，朱莉
(1.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044;2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210000)

對室內(nèi)空氣的凈化，可提高人們工作和生活環(huán)境的空氣質(zhì)量。設(shè)計了一種基于C8051F020單片機(jī)的智能室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括氣體傳感器陣列數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)和紫外燈驅(qū)動控制模塊、紫外燈燈管信號反饋模塊、TFT液晶觸摸顯示模塊、紅外遙控和蜂鳴器發(fā)聲裝置等，實現(xiàn)了空氣凈化過程的智能控制，提供了TFT液晶觸摸顯示的友好操作界面。實驗證明該系統(tǒng)具有可靠性高、性能穩(wěn)定、效果明顯等特點，可適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。

C8051F020單片機(jī);室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng);智能控制;友好操作界面

TP23

A文獻(xiàn)標(biāo)識碼:1005－9490(2015)01－0203－06

2014－01－16修改日期:2014－02－19

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(61172029，51206082，61302189)