基于單片機(jī)的車載空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔令猛，閆永澤，李 昊

（遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧鞍山，114000）

0 引言

隨著我國汽車家庭普及率的上升，汽車內(nèi)塵屑、揮發(fā)性有機(jī)物以及汽車空調(diào)運(yùn)行從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的大氣污染物對人體影響問題被重視起來。而且汽車內(nèi)相對封閉，會(huì)導(dǎo)致小區(qū)域內(nèi)廢氣量過高，供氧不足，容易引發(fā)駕駛員注意力不能集中、疲倦等現(xiàn)象。長期處于這種環(huán)境下，會(huì)對人體產(chǎn)生健康威脅?，F(xiàn)有的車載空氣凈化器多為濾網(wǎng)式家用凈化器演變而來，這種凈化器通常小巧，擺放于車內(nèi)。這種凈化器雖然能有效凈化細(xì)菌、灰塵等有害物質(zhì)，但因?yàn)轶w型小巧，所以產(chǎn)品功能少、凈化效率低[1]。

本設(shè)計(jì)以STC15W401AS單片機(jī)為核心，結(jié)合溫濕度傳感器、臭氧凈化器、靜電除塵器、負(fù)離子凈化器和加濕裝置，設(shè)計(jì)了車載空氣凈化器。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分采用模塊設(shè)計(jì)，采用繼電器控制各模塊的開啟與關(guān)閉。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 車載空氣凈化器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)采用STC15W401AS單片機(jī)，該單片機(jī)采用8051內(nèi)核，它具有2K字節(jié)的存儲(chǔ)空間，擁有兩個(gè)獨(dú)立的串口，擁有高速10位轉(zhuǎn)換器，8通道，高速、可靠[2]。該單片機(jī)屬于1T單片機(jī)，比傳統(tǒng)12T單片機(jī)快8到12倍。采用該處理器滿足低成本、速度快、可靠性好的要求。

1.1 電源轉(zhuǎn)化模塊

由于STC15W401AS單片機(jī)的額定工作電壓為3.3V，同時(shí)繼電器需要5V直流電供電。因此，電源轉(zhuǎn)化模塊采用了LM2576，將汽車直流12V電壓經(jīng)LM2576轉(zhuǎn)化為3.3V和5V直流電，經(jīng)過濾波后分別提供給單片機(jī)和繼電器使用，如圖2所示。

圖2 電源模塊圖

LM2576是常用的穩(wěn)壓芯片，其最大電流可達(dá)3A，完全能夠推動(dòng)繼電器工作。LM2576能制作出高可靠性的單片機(jī)電源[3]。因此通過采用3.3V和5V兩個(gè)型號的穩(wěn)壓芯片，滿足系統(tǒng)的供電需求。

1.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11是一款較常用溫濕度檢測模塊，DHT11在內(nèi)部集成了控制和校準(zhǔn)電路，外部不需要其他任何元件。與此同時(shí)，DHT11在精確的濕度校驗(yàn)室進(jìn)行過校準(zhǔn)，在使用中不需要進(jìn)行校準(zhǔn)工作，簡化了制作車載空氣凈化器的使用過程[4]。由此可見DHT11具有非常好的穩(wěn)定性和可靠性，非常適合此控制系統(tǒng)使用。

圖3 DHT11應(yīng)用電路

DHT11中的DATA腳作為串行總線與單片機(jī)通信，為了解決單片機(jī)引腳的驅(qū)動(dòng)能力不足的問題，采用4.7k上拉電阻作為補(bǔ)償，如圖3所示。

1.3 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

繼電器經(jīng)SN7404N與單片機(jī)的I/O輸出相連接，單片機(jī)輸出指令控制繼電器的開合進(jìn)而控制各個(gè)工作模塊的開啟與關(guān)閉。SN7404N的設(shè)置起著隔離作用，能夠有效保護(hù)單片機(jī)，防止芯片被意外燒毀。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)空氣的更新、凈化和除塵的效果，就要讓主程序?qū)崿F(xiàn)換氣、臭氧殺菌、負(fù)離子和靜電除塵循環(huán)工作。并且為了滿足車內(nèi)舒適感，需要滿足車內(nèi)人員的自由設(shè)置，比如送風(fēng)的風(fēng)速、濕度。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

空氣凈化器開機(jī)后，等待選擇自動(dòng)模式或手動(dòng)模式。若選擇自動(dòng)模式后，機(jī)器等待人工輸入?yún)?shù)，如風(fēng)速、濕度和溫度等要求。等待參數(shù)載入后，凈化器依據(jù)溫濕度傳感器DHT11采集的數(shù)據(jù)為依據(jù)完成加濕等工作。在進(jìn)行換氣工作時(shí)，通過臭氧殺菌模塊和靜電除塵模塊，保證進(jìn)入車內(nèi)空氣潔凈清新。之后在車內(nèi)空氣小循環(huán)的過程中，持續(xù)執(zhí)行除塵凈化的功能。完成整個(gè)工作狀態(tài)后，對參數(shù)進(jìn)行檢查對比，如果參數(shù)無更新代表著凈化器完成了一開始的預(yù)先設(shè)置，可以結(jié)束整個(gè)程序。參數(shù)若更新，將重新載入?yún)?shù)，繼續(xù)執(zhí)行換氣、凈化等功能。

如果選擇手動(dòng)模式，那么機(jī)器等待使用者的設(shè)定，如送風(fēng)的大小、加濕等的程度，直到使用者關(guān)閉，一直維持設(shè)定狀態(tài)。

3 總結(jié)

該車載空氣凈化器的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)基于STC15W401AS系列單片機(jī)，有著工作穩(wěn)定、成本低廉的優(yōu)勢。通過多模塊配合工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對車內(nèi)空氣的更新、凈化、除塵、殺菌和加濕功能，有著功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，能為車內(nèi)提供了一個(gè)良好的環(huán)境。另外，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)人性化，參數(shù)由使用者設(shè)定，風(fēng)速、溫濕度都可調(diào)。有著手動(dòng)和自動(dòng)模式可供選擇，供使用者自行調(diào)節(jié)。如果選用自動(dòng)模式，能夠自動(dòng)完成對車內(nèi)空氣及進(jìn)入車內(nèi)的空氣進(jìn)行凈化，不但能夠減少室外污染氣體、細(xì)菌等進(jìn)入車內(nèi)，還可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)自循環(huán)、車內(nèi)凈化。這是多數(shù)車載空氣凈化器所不擁有的功能。

該系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計(jì)，可以通過增加模塊實(shí)現(xiàn)更多功能。例如，增加獨(dú)立電源后可以在汽車熄火后繼續(xù)工作，通過換氣防止夏季汽車車內(nèi)氣溫過高引發(fā)的火災(zāi)問題等。