AT89C51單片機(jī)的智能空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春 130012)

引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，工廠內(nèi)化石燃料燃燒和汽車廢氣的排放使空氣質(zhì)量不容樂觀。而在我國北方的冬季體現(xiàn)最為明顯，這一地區(qū)人口經(jīng)濟(jì)密度大，排放大量的PM2.5，冬季風(fēng)速較低，容易形成穩(wěn)定的近地層大氣，在多種因素的作用下，易產(chǎn)生霧霾。嚴(yán)重的霧霾可以直接影響室內(nèi)的空氣狀況，加上日常生活中室內(nèi)可能產(chǎn)生的油煙、香煙、裝飾材料揮發(fā)物等其他污染，使得針對(duì)室內(nèi)空氣的除塵凈化顯得尤為重要。

負(fù)離子除塵是一種比較成熟的技術(shù)，電離空氣產(chǎn)生的負(fù)離子能與空氣中的粉塵微粒相結(jié)合，從而自然沉降，不僅能凈化空氣，還可以殺菌消毒。而HEPA濾網(wǎng)為代表的新型濾材的應(yīng)用也越來越普遍，HEPA濾網(wǎng)為多層折疊結(jié)構(gòu)，如果將其完全展開，其面積能增加十幾倍甚至幾十倍，由于過濾網(wǎng)的性能與其表面積成正比，HEPA濾網(wǎng)的性能十分出眾，是國際上公認(rèn)的最高效過濾材料，適用于PM2.5粉塵顆粒的過濾凈化。目前室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域多采用單一除塵技術(shù)，且自動(dòng)化程度不高，本設(shè)計(jì)旨在結(jié)合兩種不同的除塵凈化技術(shù)，并利用嵌入式芯片與相關(guān)電路提高空氣凈化系統(tǒng)的自動(dòng)化程度與智能水平，使系統(tǒng)達(dá)到更好的除塵凈化效果，能根據(jù)不同空氣狀況自主調(diào)節(jié)工作，用戶使用時(shí)更加方便省心。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求與主要模塊

本系統(tǒng)適用于空氣凈化器，主要針對(duì)PM2.5進(jìn)行過濾與凈化，對(duì)空氣中其他有害物質(zhì)也有一定凈化作用。同時(shí)包含高濃度報(bào)警、人機(jī)交互、濾網(wǎng)狀況監(jiān)測(cè)等附屬功能?？傮w設(shè)計(jì)要求能實(shí)時(shí)、高效檢測(cè)并凈化室內(nèi)低、中度PM2.5污染，在10 min內(nèi)將室內(nèi)PM2.5值從100～200降低至50以下。同時(shí)在室內(nèi)較高PM2.5污染(300以上)時(shí)發(fā)出警報(bào)，在20 min內(nèi)降低至正常范圍。除塵裝置分為三檔，用戶可以自由設(shè)定警報(bào)值，以調(diào)節(jié)不同檔位工作范圍?？紤]到HEPA濾網(wǎng)在使用一段時(shí)間后需要進(jìn)行更換，要求具有HEPA濾網(wǎng)監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)過濾網(wǎng)使用過度時(shí)，警示燈發(fā)出警告，提示用戶更換過濾網(wǎng)。

本系統(tǒng)的主要模塊如圖1所示，以單片機(jī)及附屬控制電路為核心，分為PM2.5傳感器模塊、灰度傳感器兩個(gè)輸入模塊、高濃度警報(bào)燈、更換濾網(wǎng)警報(bào)燈、風(fēng)機(jī)調(diào)速裝置、負(fù)離子裝置四個(gè)輸出模塊。用戶操作界面與液晶顯示屏構(gòu)成的交互模塊、HEPA濾網(wǎng)及風(fēng)機(jī)等機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成的機(jī)械模塊，以及核心的單片機(jī)控制電路。

圖1 系統(tǒng)主要模塊示意圖

2 控制系統(tǒng)的硬件

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)選用ZPH-01粉塵傳感器作為PM2.5傳感器。該型傳感器采用粒子計(jì)數(shù)原理，可靈敏檢測(cè)直徑1 μm以上灰塵顆粒物，靈敏度極高、長期穩(wěn)定性優(yōu)異、出廠前已標(biāo)定校準(zhǔn)、內(nèi)置加熱器可實(shí)現(xiàn)空氣的自動(dòng)吸入。外形緊湊、重量輕、易安裝、保養(yǎng)簡單，適用于空氣凈化系統(tǒng)。其原理如圖2所示。低端的加熱裝置可以通過氣體對(duì)流自動(dòng)吸入空氣，LED模塊發(fā)出光線，經(jīng)粉塵反射后通過透鏡被PT(紅外接收管)接收，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵顆粒的計(jì)數(shù)。實(shí)測(cè)表明，該型傳感器在靜置和空氣流動(dòng)不太劇烈的地方可以良好工作，晃動(dòng)及強(qiáng)烈的氣流會(huì)引起輸出異常上升，因此，該傳感器被牢牢固定在空氣凈化系統(tǒng)的外殼上，處于遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的位置。

圖2 粉塵傳感器工作原理圖

該型傳感器具有UART數(shù)字串行輸出與PWM信號(hào)輸出兩種輸出模式，本設(shè)計(jì)中令該型傳感器處于串行輸出狀態(tài)，與單片機(jī)串口相連。當(dāng)采用串行輸出時(shí)，該型傳感器的輸出格式如圖3所示，低脈沖率的數(shù)值為該型傳感器輸出的有效數(shù)據(jù)。低脈沖率與灰塵顆粒物濃度間存在固定的函數(shù)關(guān)系。

圖3 采用串行輸出時(shí)的數(shù)據(jù)格式

灰度傳感器用于監(jiān)測(cè)HEPA濾網(wǎng)的工作狀況。HEPA濾網(wǎng)工作較長時(shí)間后，其吸附的粉塵微粒粘著在表面上，積累到一定程度后會(huì)影響對(duì)粉塵的吸收效果，同時(shí)濾網(wǎng)上也吸附了較多的細(xì)菌，此時(shí)必須進(jìn)行更換，否則將影響除塵效果甚至危害健康。

圖4 灰度傳感器用于檢測(cè)濾網(wǎng)的原理

空氣中的粉塵微粒會(huì)吸附很多雜質(zhì)，多數(shù)微粒是有色微粒，粘著在濾網(wǎng)表面時(shí)，會(huì)使濾網(wǎng)呈現(xiàn)灰色、黑灰色、棕色、棕黃色等較深的顏色。此時(shí)通過監(jiān)測(cè)濾網(wǎng)的灰度便可以從側(cè)面監(jiān)測(cè)濾網(wǎng)的工作狀況，決定是否更換濾網(wǎng)。灰度檢測(cè)模塊原理如圖4所示，白色的突起是紅外發(fā)射裝置，黑色的突起是紅外吸收裝置，中間用斜紋線所示的擋板分隔開。

工作時(shí)，從白色的突起發(fā)射紅外線，經(jīng)檢測(cè)面反射后由黑色突起接收。如果檢測(cè)面的灰度比較大，由光學(xué)知識(shí)可得， 其對(duì)光線的吸收能力也較強(qiáng)，故經(jīng)過反射后，其接收到的光線會(huì)比較少。通過接收光線的值即可獲得被測(cè)物的灰度值。

灰度傳感器的輸出為模擬輸出，范圍為0～5 V，當(dāng)被測(cè)物為純白色，表面反射良好的理想物體時(shí)輸出是5 V，而被測(cè)物為可吸收全部光線的理想黑體時(shí)輸出為0 V。在固定檢測(cè)距離時(shí)，灰度越大，輸出電壓越低。作為與單片機(jī)相連的輸入模塊，需要經(jīng)過一個(gè)電壓比較器，通過比較灰度傳感器輸出電壓與預(yù)設(shè)電壓(根據(jù)濾網(wǎng)更換臨界電壓測(cè)得的輸出電壓)相比較，以電壓比較器的輸出作為輸入接入控制電路。

以圖5為例，核心是一個(gè)LM339比較器，其反相輸入端是可供設(shè)置的一個(gè)電壓，其正相輸入端是代表上述傳感器的輸出的電壓量，假設(shè)反向輸入端的電壓設(shè)置為4.18 V。當(dāng)正相輸入端的電壓小于4.18 V時(shí),比較器的輸出端電壓僅為0.19 V。對(duì)單片機(jī)來說，這個(gè)電壓視為低電平。當(dāng)正相輸入端的電壓≥4.18 V時(shí)，LM339的輸出端電壓為5 V，對(duì)單片機(jī)來說，這個(gè)電壓視為高電平。

圖5 灰度傳感器所需的比較電路

本設(shè)計(jì)選用的風(fēng)機(jī)為交流220 V風(fēng)機(jī)，采用串電阻調(diào)速的方法效果不好,且工作效率低，而應(yīng)用相關(guān)電力電子技術(shù)，通過PWM控制調(diào)節(jié)加在風(fēng)機(jī)兩端的電壓是比較好的調(diào)速方案。通過調(diào)節(jié)一個(gè)可變電阻，來控制方波的占空比，就可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的運(yùn)行。由于本設(shè)計(jì)僅要求實(shí)現(xiàn)三級(jí)調(diào)速，為了簡化電路，在設(shè)計(jì)中直接選取了三個(gè)預(yù)設(shè)好的無級(jí)調(diào)速開關(guān)，單片機(jī)僅負(fù)責(zé)輸出控制信號(hào)來選擇導(dǎo)通哪一個(gè)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。為了實(shí)現(xiàn)控制回路與風(fēng)機(jī)工作的較高電壓的回路間的電氣隔離，還需采用光耦合器，與無級(jí)調(diào)速開關(guān)一起構(gòu)成驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電路。

負(fù)離子發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)更加簡單，只需將單片機(jī)的輸出通過光耦合器控制負(fù)離子發(fā)生器的電源回路即可。

3 控制系統(tǒng)的軟件

系統(tǒng)上電后等待總開關(guān)打開，總開關(guān)打開后，在完成初始化后，PM2.5傳感器開始檢測(cè)空氣中的粉塵濃度，讀取該傳感器的輸出，經(jīng)過換算后得到濃度的數(shù)值，將該數(shù)值顯示在液晶屏上。由于PM2.5傳感器的串口輸出格式如圖3所示，在程序中需要對(duì)其進(jìn)行一定處理才能得到最終的濃度值。

pm_rateH=UART_Upload[3];

pm_rateL=UART_Upload[4];

pm_density=(UART_Upload[3]*100+UART_Upload[4])*1.014705;

如上述程序所示，UART[3]的串口數(shù)據(jù)為低脈沖率的整數(shù)部分，UART[4]的串口數(shù)據(jù)為低脈沖率的小數(shù)部分，例如在345μg/m3的情況下，zph01低脈沖率(輸出占空比)為34%。我們認(rèn)為在低脈沖率0～34%時(shí)對(duì)應(yīng)的濃度為0～345 μg/m3。低脈沖率與濃度間是線性關(guān)系。

這樣得到的pm_density大小是實(shí)際值的10倍，將最后的一位小數(shù)移動(dòng)到了個(gè)位上，這是為了在LCD液晶顯示時(shí)的方便。

LCD_Write_String(0,0,"PM2.5:");

LCD_Write_Char(6,0,table[pm_density/1000]);LCD_Write_Char(7,0,table[pm_density%1000/100]);

LCD_Write_Char(8,0,table[pm_density%100/10]);

LCD_Write_String(9,0,".");

LCD_Write_Char(10,0,table[pm_density%10]);

LCD_Write_String(11,0,"μg/m3");

LCD顯示的部分程序如上所示，假設(shè)pm_density為3 452，上述LCD程序運(yùn)行后，便可以在液晶顯示屏上得到PM2.5 345.2 μg/m3的字樣。相當(dāng)于又把pm_density縮小到十分之一，故顯示的便是濃度的真實(shí)值。

設(shè)計(jì)中要求濃度高于高濃度報(bào)警值時(shí)發(fā)出警報(bào)，且高濃度警報(bào)值可調(diào)，顯然需要將該值顯示在液晶屏上并配合相應(yīng)的按鍵來實(shí)現(xiàn)該功能。在程序中設(shè)該警報(bào)值變量為pm_URV，用if語句判斷pm_URV與pm_density間的大小關(guān)系，一旦pm_density大于所設(shè)置的pm_URV，將觸發(fā)警報(bào)，并自動(dòng)激發(fā)最高檔位的調(diào)速開關(guān)。

else if(pm_URV

led1=1; //led1代表電源指示燈，代表正常工作，當(dāng)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)會(huì)熄滅

led3=1; //led3代表更換濾網(wǎng)報(bào)警指示燈，檢測(cè)到濾網(wǎng)灰度過高時(shí)該燈會(huì)亮起

out1=0; //out1代表低檔位

out2=0; //out2代表中檔位

out3=1; //out3代表高檔位

if(beep==1) //led2代表高濃度警報(bào)燈，此時(shí)閃爍，并且蜂

//鳴器(alarm_buzz)發(fā)出滴滴報(bào)警聲。beep

//由定時(shí)器中斷產(chǎn)生，其值每隔10ms在0與

//1間來回波動(dòng)。

{led2=0;alarm_buzz=0;}

if(beep==0)

{led2=1;alarm_buzz=1;}

}

為了使pm_URV可調(diào)，設(shè)置key_add與key_minus兩個(gè)按鍵狀態(tài)變量，檢測(cè)按鍵狀態(tài)是否發(fā)生變化，當(dāng)按鍵狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將按鍵狀態(tài)變化通過add=key_add或minus=key_minus讀取到add與minus兩個(gè)控制pm_URV增減的變量(按下時(shí)產(chǎn)生0信號(hào)開始讀取，則松開后彈起的1信號(hào)便送入了add與minus)。

if(add==1){ //add信號(hào)為1時(shí)

pm_URV++;

// pm_URV一直增加，適用于按住不放的情況，可以快速

//上升pm_URV

if(pm_URV>=10000)

//當(dāng)pm_URV值過大時(shí)，能自動(dòng)返回0，誤操作時(shí)用戶可以

//盡快恢復(fù)

{pm_URV=0;}

SectorErase(0x2000);

byte_write(0x2000,pm_URV/256);

byte_write(0x2001,pm_URV%256);

//pm_URV的值寫入eeprom中，這樣關(guān)機(jī)后pm_URV的值能保留下來，再次開機(jī)無需重新設(shè)置

}

4 機(jī)械模塊及總體封裝

本設(shè)計(jì)的機(jī)械模塊以兩個(gè)風(fēng)機(jī)為核心。其中進(jìn)氣口風(fēng)機(jī)為10寸交流220AC風(fēng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，能產(chǎn)生比較強(qiáng)的風(fēng)力，吸收空氣進(jìn)入除塵裝置內(nèi)部。軟件與硬件中的調(diào)速功能針對(duì)進(jìn)氣口風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)速，使其能以三種不同的風(fēng)力工作。而出氣口風(fēng)機(jī)選用功率較小的直流風(fēng)機(jī)，使其一直在額定功率工作。進(jìn)氣口風(fēng)機(jī)(經(jīng)HEPA濾網(wǎng))與出氣口風(fēng)機(jī)間以L型管道相連以增強(qiáng)對(duì)流。

HEPA濾網(wǎng)具有一定的厚度和硬度，將HEPA濾網(wǎng)置于進(jìn)氣口風(fēng)機(jī)后卡槽固定，進(jìn)氣口風(fēng)扇吸收的空氣便能以較高的速度通過HEPA濾網(wǎng)，粉塵將附著在濾網(wǎng)上。濾網(wǎng)后方L管道內(nèi)1 cm處固定灰度傳感器(需要比較堅(jiān)固的塑料支架，此處在風(fēng)機(jī)開啟時(shí)具有一定強(qiáng)度的風(fēng)力)。負(fù)離子發(fā)生器放置在靠近出氣口風(fēng)機(jī)的L型管道內(nèi)部，注意負(fù)離子發(fā)生器也應(yīng)牢固固定，其發(fā)生端可能在工作時(shí)產(chǎn)生靜電，注意使其不能接觸到管道內(nèi)壁。

圖8 開啟風(fēng)機(jī)時(shí)PM2.5濃度的變化

PM2.5傳感器放置于裝置正面板，但與正面的進(jìn)氣口風(fēng)機(jī)保持一定距離，防止氣流干擾，傳感器在關(guān)機(jī)時(shí)可密封在防塵罩內(nèi)，防止浮沉污染PM2.5傳感器內(nèi)的透鏡。PM2.5傳感器下方放置操作界面與LCD顯示屏，在裝置正面的亞克力上預(yù)留小孔，供傳感器和操作界面，LCD顯示屏等的線路通過與裝置內(nèi)部的控制模塊相連接。

處理模塊和繼電器放置于一片電路板上，固定在裝置內(nèi)部，與L型管道保持一定距離。裝置后面板側(cè)下方預(yù)留三角形孔，給裝置供電的交流電線從此通過連接到外部220 V電源。同時(shí)，在裝置內(nèi)部靠近這一區(qū)域處放置變壓整流器，將外來的220 V交流電經(jīng)過變壓和整流后得到5 V直流電給控制模塊和傳感器等供電。在L型管道外圍包繞一圈隔音棉，將L型管道與裝置內(nèi)部的間隙填充，以降低裝置運(yùn)行時(shí)的噪音。

整個(gè)裝置的封裝如圖6、圖7所示。

圖6 裝置正面板示意圖

圖7 裝置側(cè)面剖視圖

5 除塵效果實(shí)驗(yàn)分析

在密閉室內(nèi)進(jìn)行PM2.5除塵實(shí)驗(yàn)，可近似認(rèn)為室內(nèi)的溫度和濕度在測(cè)試期間不變。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，開啟最高檔位工作以驗(yàn)證該裝置的最佳除塵凈化效果，使用裝置自帶的PM2.5傳感器監(jiān)測(cè)PM2.5濃度并繪制曲線。實(shí)驗(yàn)中使用香煙燃燒模擬PM2.5污染物的釋放，在PM2.5濃度比較穩(wěn)定(混合均勻)后，開啟風(fēng)機(jī)，測(cè)定PM2.5濃度隨時(shí)間的變化來反映裝置的除塵效果，同時(shí)設(shè)置不開啟風(fēng)機(jī)的對(duì)照組以測(cè)定PM2.5濃度的自然衰減，每隔30 s記錄一次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示(圖中所示時(shí)間軸的零點(diǎn)為PM2.5逐漸上升直至比較穩(wěn)定的那個(gè)時(shí)間點(diǎn))。

顯然，風(fēng)機(jī)+HEPA濾網(wǎng)的除塵模式效果明顯，在10 min內(nèi)已經(jīng)能將污染后280+的PM2.5濃度降至100以下，開啟14 min 30 s后濃度甚至降到了43.4，這個(gè)數(shù)字比測(cè)試房間污染前的PM2.5濃度87.7(初始濃度這么高是因?yàn)闇y(cè)試房間長時(shí)間不通風(fēng)，空氣較差)還要低很多(注:因使用的傳感器有些許遲滯，且煙霧的飄動(dòng)比較隨機(jī)，短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)出現(xiàn)水平和波動(dòng)都是很正常的)。雖然不開啟風(fēng)機(jī)時(shí)，一段時(shí)間后PM2.5濃度依會(huì)下降，但下降速度緩慢，在17 min時(shí)仍維持在接近180的濃度水平，房間內(nèi)仍有刺激性氣味。(注:兩次實(shí)驗(yàn)零點(diǎn)處的PM2.5濃度有些許不同是因?yàn)楹茈y在兩次實(shí)驗(yàn)中得到相同的PM2.5初始濃度，上述兩條曲線已是多次實(shí)驗(yàn)得到的平均值，已經(jīng)盡量減小了誤差)在裝置基本成型時(shí)，進(jìn)行了4種情況對(duì)比實(shí)驗(yàn)，就其除塵效果與前兩次相比進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果如圖10所示。

圖9 不開啟風(fēng)機(jī)時(shí)PM2.5濃度的變化

圖10 4種情況的對(duì)比圖

顯然，無論是風(fēng)機(jī)+HEPA濾網(wǎng)除塵還是負(fù)離子除塵，相較于無除塵裝置時(shí)效果均很明顯。負(fù)離子除塵在一開始效果非常好，甚至比風(fēng)扇除塵效率更高，但當(dāng)PM2.5濃度下降到150左右時(shí)，負(fù)離子除塵的效果就不是很理想，最終也未將PM2.5濃度降至100以下。結(jié)合負(fù)離子除塵的原理，可以這樣理解。負(fù)離子發(fā)生器附近的氧分子會(huì)逐漸被轉(zhuǎn)化為氧離子，氧離子與空氣中的微塵顆粒結(jié)合以沉降。但經(jīng)過一段時(shí)間的工作，負(fù)離子發(fā)生器附近的氧離子濃度已經(jīng)達(dá)到一個(gè)臨界值，很難再將氧分子繼續(xù)轉(zhuǎn)化為氧離子，所以其工作效果變得不理想。要解決這個(gè)問題，必須將轉(zhuǎn)化出的氧離子及時(shí)擴(kuò)散出去，因此本裝置選擇將負(fù)離子發(fā)生器放置于風(fēng)扇出氣口附近，及時(shí)將氧離子擴(kuò)散出去，使除塵效果更好。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將負(fù)離子除塵與風(fēng)機(jī)+HEPA過濾除塵兩種方式結(jié)合后，能取得比單一除塵方式更好的效果，本裝置已經(jīng)達(dá)到了對(duì)除塵效果的設(shè)計(jì)要求。

結(jié) 語

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