基于單片機(jī)的車載智能殺菌器系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

陳壽坤,鄭清蘭

(閩南理工學(xué)院 實(shí)踐教學(xué)中心，福建 石獅 362700)

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基于單片機(jī)的車載智能殺菌器系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

陳壽坤,鄭清蘭

(閩南理工學(xué)院 實(shí)踐教學(xué)中心，福建 石獅 362700)

設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)便、小巧的車載智能殺菌器。該設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。硬件電路包括智能充電模塊、智能殺菌模塊及復(fù)位電路等，采用Atmel公司的89C51單片機(jī)作為主控元件，從汽車的點(diǎn)煙口提供12 V的電源供系統(tǒng)使用。軟件部分由主程序、各控制子程序組成。以單片機(jī)為核心的智能消毒殺菌系統(tǒng)，由單片機(jī)控制臭氧發(fā)生的自動(dòng)開啟與關(guān)閉， 實(shí)現(xiàn)車載內(nèi)智能消毒、除味、殺菌等功能，能將車內(nèi)難聞的味道、有害氣體、細(xì)菌等消滅，使車內(nèi)的空氣變好。

單片機(jī)；智能除味；智能充電模塊；殺菌氣體模塊

社會(huì)的進(jìn)步，國家經(jīng)濟(jì)的上升帶動(dòng)人們生活質(zhì)量的不斷提高，擁有小型汽車的人逐漸增多，車內(nèi)的各種裝飾也不斷推陳出新、花樣越來越多。汽車坐墊、腳墊等用的皮革、膠水材料也越來越多，所產(chǎn)生的甲醛、甲笨等有毒氣體可以說是無處不在。人們?cè)谙硎芎儡嚿畹耐瑫r(shí)，也同樣受環(huán)境的污染，身體健康嚴(yán)重受到威脅，特別是有小孩的家庭，房間、車內(nèi)要定期進(jìn)行清理、殺菌、消毒。目前市場(chǎng)上銷售的車內(nèi)凈味產(chǎn)品，價(jià)格偏高，功能不夠齊全，并且很少有帶殺菌的功能。假如能用較低的成本生產(chǎn)出帶有殺菌和消毒功能的產(chǎn)品，那未來的市場(chǎng)需求將會(huì)很大。因上，設(shè)計(jì)了主要以89C51單片機(jī)為核心，具有實(shí)現(xiàn)上述的除味、殺菌、消毒等功能的車載智能殺菌器[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊大致分為單片機(jī)系統(tǒng)核心模塊、提供電路工作的充電模塊、用來產(chǎn)生臭氧的殺菌模塊、報(bào)警電路模塊及單片機(jī)最小電路復(fù)位電路。

充電模塊電路：大部分汽車的蓄電池都是直流12 V(或直流24 V),而該系統(tǒng)的單片機(jī)所需的電源為5 V，所以通過充電模塊電路將直流12 V作為電路的輸入端，再經(jīng)集成穩(wěn)壓電源7805輸出5 V 的電源供單片機(jī)使用。并且此電路具有自動(dòng)充電功能，保證系統(tǒng)各電路的工作不間斷。

單片機(jī)系統(tǒng)核心模塊：89C51具有多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，加上該系統(tǒng)不需要與外部通訊，也不需要擴(kuò)展多余的存儲(chǔ)器，因此選擇89C51單片機(jī)作為主要部件。

殺菌模塊電路：此電路的作用是殺菌、除異味及清除車內(nèi)有毒的甲醇?xì)怏w，主要利用紫外線的方法產(chǎn)生臭氧，然后通過51單片機(jī)進(jìn)行控制。

另外還有報(bào)警電路和復(fù)位電路，報(bào)警電路主要用于當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)的提示，而復(fù)位電路是用來使單片機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)的電路。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框

2 系統(tǒng)各部分硬件電路

2.1 控制系統(tǒng)的電源部分

車載智能除味、消毒、殺菌器主要應(yīng)用于汽車、家庭新居等環(huán)境，主要由兩種供電系統(tǒng):一種是應(yīng)用于汽車上，那么電源由汽車自己提供，從點(diǎn)煙接口提供12 V電壓供系統(tǒng)使用；另一種是家庭居住，直接從市電220 V提供，但這個(gè)供電系統(tǒng)要經(jīng)過變壓、整流等處理才能提供電壓12 V給系統(tǒng)使用。該設(shè)計(jì)主要以汽車上的應(yīng)用為例[2-3]。

汽車在行駛時(shí)，汽車12 V輸出端口給鋰電池充電，當(dāng)電池充完電后，電路自動(dòng)斷開充電過程，由電池供電。電池電量不足時(shí)，開啟報(bào)警功能。汽車行駛時(shí)，電路自動(dòng)接通充電過程，減少對(duì)汽車電池的依賴，以免影響汽車電池的使用壽命，達(dá)到智能充電，智能電源管理的目的，具體充電管理系統(tǒng)如圖2所示。

充電方式采用恒壓限流法，此方法分為恒流和恒壓兩個(gè)階段。在恒流時(shí)相電壓會(huì)稍微大一點(diǎn)，由系統(tǒng)提供電流值，發(fā)恒流的方式給電池充電。當(dāng)電池充電的電壓與給定電壓的轉(zhuǎn)化值一致時(shí)，就進(jìn)入恒壓階段。要根據(jù)電壓大小充電，恒壓轉(zhuǎn)化值會(huì)影響充入電量的多少，在電池有充足的電量時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制定時(shí)開啟/停止消毒器 ；如果充電出現(xiàn)充電故障系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)報(bào)警功能。

在充電過程中通常會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一是因?yàn)槌潆娏坎蛔銓?dǎo)致電池的容量不能得到充分的利用，這樣一來工作時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)造成電池容量的流失；一是根據(jù)第一種情況要求將恒壓轉(zhuǎn)換值設(shè)置得高一些，但如果恒壓值太高，容易造成充電后期過充的現(xiàn)象，這樣也會(huì)致使電池容量的流失。為此在充電設(shè)計(jì)時(shí)要注意平衡兩種情況。

圖2 充電管理系統(tǒng)

2.2 自動(dòng)/手動(dòng)控制方式

控制臭氧發(fā)生器的工作有自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式：自動(dòng)控制是系統(tǒng)按一定的時(shí)間周期啟動(dòng)，按規(guī)定的時(shí)間10分鐘工作一次，達(dá)到自動(dòng)開啟、自動(dòng)關(guān)閉的作用；手動(dòng)控制是由用戶手動(dòng)開啟，長(zhǎng)時(shí)間沒有關(guān)閉，會(huì)啟用自動(dòng)關(guān)閉的流程。使用者可以根據(jù)習(xí)慣選擇自動(dòng)或手動(dòng)的工作方式，使自己能方便使用。

2.3 臭氧氣體產(chǎn)生

臭氧發(fā)生器電路如圖3所示，是使用特定頻率的高壓電場(chǎng)，使氧氣分子在電場(chǎng)內(nèi)和電場(chǎng)外發(fā)生一系列的電化學(xué)反應(yīng)3O2=2O3,因而產(chǎn)生出所需的臭氧。該設(shè)計(jì)使用具有中頻和高壓電特點(diǎn)的臭氧發(fā)生器，此臭氧發(fā)生器具有比工頻或高頻發(fā)生器體積小的優(yōu)勢(shì)，而且功耗較低、臭氧產(chǎn)生量也較多等。主要是具有很強(qiáng)氧化性，能長(zhǎng)時(shí)間有效的分解車內(nèi)產(chǎn)生的有毒氣體(如苯、甲醛、煙味、二甲苯臭味等異味)，起到消除有毒氣體，同時(shí)又能凈化車內(nèi)的空氣[4]。臭氧發(fā)生器所產(chǎn)生的臭氧氣體，具有很強(qiáng)氧化性，并有殺菌的作用，殺菌效果比氯氣、紫外線更有優(yōu)勢(shì)。由于氯氣是有毒氣體，而且有較強(qiáng)的腐蝕性，不適合用在車內(nèi)；而如果用紫外線殺菌，不能有背陰面，不能有死角，否則紫外線照不到，降低了殺菌效果，不能達(dá)到消滅、清除有害氣體的目的。而用臭氧殺菌，不受環(huán)境、空間的影響，對(duì)整個(gè)車內(nèi)空間都有效果，不存在死角，能消滅90%以上，不會(huì)殘留有毒氣體。所以，一般人們也把臭氧發(fā)生器稱為“負(fù)氧離子發(fā)生器”[5,7]。

圖3 臭氧發(fā)生器電路

2.4 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)可采用PIC系列、STM32、AT89C51等，這是市面比較經(jīng)常用的，工作電壓在3.3 V或5 V[7]。單片機(jī)主要完成的任務(wù)：

(1)實(shí)現(xiàn)臭氧發(fā)生器能自動(dòng)開啟，自動(dòng)關(guān)閉。

(2)當(dāng)12 V電池充滿電后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷充電過程。

(3)實(shí)現(xiàn)電池欠壓時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警功能并自動(dòng)給電池充電。

(4)判斷整套系統(tǒng)供電的使用情況，如果出現(xiàn)異常，就立即啟動(dòng)報(bào)警功能，斷開電路。

2.5 系統(tǒng)總體電路原理圖

總體電路原理圖如圖4所示，單片機(jī)及各部分電路所需的電源汽車點(diǎn)煙口提供12 V的電源經(jīng)7805穩(wěn)壓電源電路轉(zhuǎn)化為穩(wěn)壓的直流5 V電源。臭氧發(fā)生器由RF630場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)，接入單片機(jī)的P1.0口進(jìn)行控制。報(bào)警電路接入單片機(jī)的P3.7口，通過單片機(jī)的中斷程序進(jìn)行控制，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程如圖5所示。根據(jù)當(dāng)前值來判定用哪一種充電方式，當(dāng)電壓大于13.8 V時(shí)，充電器采用恒流充電方式，同時(shí)單片機(jī)會(huì)控制定時(shí)開啟消毒器工作；當(dāng)電壓小于13.8 V時(shí)，充電器采用恒流充電，單片機(jī)會(huì)控制停止除味、消毒，殺菌器工作[8]。

圖5 控制流程

圖4 總體電路原理

為了防止積累誤差影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般采用下面兩種方法：

1)對(duì)原有積累的誤差清零，當(dāng)誤差為±1時(shí)，只實(shí)行積分運(yùn)算，減小調(diào)整的速度，以免產(chǎn)生振蕩。

2)當(dāng)蓄電池在充電的時(shí)候，電池內(nèi)部發(fā)生大規(guī)格的化學(xué)反應(yīng)，因此電池會(huì)產(chǎn)生出大量的熱量。溫度上升會(huì)影響充電功能、會(huì)影響電池壽命，所以，充電電壓需要根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)整，以-4 mV/℃ 的補(bǔ)償系數(shù)來調(diào)整。因此，加入了溫度補(bǔ)償功能。

4 結(jié) 語

該設(shè)計(jì)中的智能車載殺菌器用單片機(jī)作為主控芯片，硬件電路整體成本低，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。整個(gè)車載智能除味、消毒、殺菌，系統(tǒng)具有臭氧殺菌效果佳，有效殺滅各種病菌，達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)(除味、消毒，殺菌)。智能殺菌器具有體積小、攜帶方便、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種汽車內(nèi)[9]。

[1]李慧敏，王建偉.淺析汽車車內(nèi)除味及消毒[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2013(5)：201-203.

[2]劉允峰，韓建群.基于飛思卡爾S12單片機(jī)的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，36(4)：359-362.

[3]王春芳，張玲麗.消毒衣柜的PIC單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2008(6)：31-35.

[4]張愛華.救護(hù)車消毒前后監(jiān)測(cè)及管理對(duì)策[J].中華醫(yī)院感染學(xué)雜志，2010(6)：54-57.

[5]彭武厚.臭氧發(fā)生器的工作原理和電路圖[EB/OL].http://expert.sgst.cn/questionDetail.do?id=14413,2009-06-22/2017-02-02.

[6]邵長(zhǎng)敏，錢萬紅.臭氧殺菌技術(shù)[J].山東農(nóng)機(jī)化，2003(4)：127-130.

[7]陳忠孝.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].西安：西北大學(xué)出版社,2011.

[8]高衛(wèi)東.51單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[9]鄺小磊.單片機(jī)應(yīng)用綜述[J].電子工程師,2001(8):25-28.

(責(zé)任編輯魏靜敏校對(duì)張凱)

ResearchandDesignofIntelligentVehicleBasedonSingleChipMicrocomputer

CHEN Shou-kun,ZHENG Qing-lan

(Practical Teaching Center,Minnan University of Science and Technology,Shishi 362700,Fujian Province)

In this paper,a small and convenient intelligent vehicle-mounted sterilizer was designed.This design mainly includes the hardware circuit and the software system.The hardware circuit includes intelligent charging module,intelligent sterilization module and reset circuit which utilizes ATMEL 89C51 microcontroller as the main control component and is supplied by 12V power source from the mouth of the car cigarette lighter.The software system is composed of the main program and various subroutines.With the single chip microcomputer as the core of the intelligent disinfection sterilization system,the automatic opening and closing of the ozone generation is controlled by the single chip microcomputer to realize the functions of intelligent disinfection,odor,sterilization and so on.

Single chip microcomputer; Intelligent taste removal; Intelligent charging module; Sterilization gas module

2017-04-05

陳壽坤(1978-)，男，福建泉州人，實(shí)驗(yàn)師。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.015

TP273.5

： A

： 1673-1603(2017)03-0278-05