智能空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊帆

摘要：伴隨著人類日新月異的發(fā)展，空氣污染也隨之到來(lái)，一步步侵襲我們的生活，因此環(huán)境問(wèn)題就成為了全球不可忽視的大問(wèn)題，不管是室內(nèi)還是室外，都需要我們?nèi)蛉嗣颀R心協(xié)力來(lái)共同在治理，而且如何快速度、高效率的解決環(huán)境污染就變成了問(wèn)題的關(guān)鍵。近幾年，市面上出現(xiàn)了各種款式的空氣凈化器，但大多都功能單一，效果不理想。由于人民對(duì)自身生活質(zhì)量的追求和自身健康的重視，一個(gè)好的空氣凈化器也幾乎變成了家里的必備產(chǎn)品?，F(xiàn)階段社會(huì)調(diào)查表明，空氣凈化器的智能化技術(shù)是一大研究熱點(diǎn)，它比傳統(tǒng)的空氣凈化器有不可比擬的有點(diǎn)。例如遠(yuǎn)程操控技術(shù)、空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、超過(guò)危險(xiǎn)值報(bào)警等智能技術(shù)，可以大大簡(jiǎn)略并優(yōu)化操作。

本文通過(guò)對(duì)空氣凈化器的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的研究，通過(guò)搜索網(wǎng)站相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)、實(shí)地訪問(wèn)調(diào)查等方式，搜集到了一些相關(guān)的設(shè)計(jì)資料，從而設(shè)計(jì)了一款智能空氣凈化器。此凈化器選用了單片機(jī)作為核心，通過(guò)各種類型的傳感器等來(lái)數(shù)據(jù)，用液晶顯示屏來(lái)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)鐘芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能等。最后系統(tǒng)的對(duì)其進(jìn)行最后的測(cè)試和總結(jié)，結(jié)果表明該智能化空氣凈化器運(yùn)行穩(wěn)定，有很理想的空氣凈化效果，可以用于家庭、公共場(chǎng)所等多種場(chǎng)合。再結(jié)合我們?nèi)祟愖陨?，?shí)現(xiàn)更好的環(huán)境治理。

關(guān)鍵詞：智能;閾值;空氣凈化

1 緒?論

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得人們的生活水平不斷提升，但是當(dāng)前社會(huì)整體的環(huán)境形勢(shì)卻不斷惡化，特別是可以直接影響我們身體健康的空氣污染，已經(jīng)成為了各個(gè)國(guó)家難以根治的大問(wèn)題?？諝鈬?yán)重污染的原因有很多種，我們?nèi)粘Ｉ钜膊豢杀苊獾膸?lái)污染，比如生活爐灶與取暖爐：大部分的爐灶都需要消耗大量煤炭，產(chǎn)生污染氣體，污染程度足夠和工業(yè)污染相媲美。

據(jù)調(diào)查，當(dāng)前的空氣污染控制和治理過(guò)程中主要是通過(guò)三種方式來(lái)展開(kāi)：第一是在整個(gè)空氣污染的源頭上進(jìn)行控制;第二是加強(qiáng)密閉環(huán)境內(nèi)的通風(fēng)，改善空氣質(zhì)量;第三是通過(guò)一定的空氣凈化手段改善空氣質(zhì)量。源頭控制是工廠或大計(jì)劃使用的方式，所以所需經(jīng)濟(jì)成本太大且難實(shí)行。通風(fēng)的效果甚微，只能輕微的改善空氣狀況，。所以說(shuō)就只?？諝鈨艋@種方法可以高效又經(jīng)濟(jì)的對(duì)空氣污染問(wèn)題進(jìn)行治理。在人類的精心研究下空氣凈化器騰空問(wèn)世，其效能也備受人們關(guān)注，隨著時(shí)代的發(fā)展，空氣凈化器的智能化也成為全球各國(guó)的一項(xiàng)重要的研究課題。

2 總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)當(dāng)前的空氣凈化器進(jìn)行分析和比較就可以發(fā)現(xiàn)，在凈化器設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，基本上分為兩種不同的形式：第一種是主動(dòng)式的空氣凈化器，第二種則是被動(dòng)式的空氣凈化器。兩種空氣凈化器之間存在著較大的差別，主動(dòng)式的空氣凈化器能夠向外界空氣環(huán)境中發(fā)送出一定量的凈化因子，使得外界空氣被凈化因子所凈化，被動(dòng)式空氣凈化器主要是將環(huán)境中的空氣吸入到機(jī)器內(nèi)部，通過(guò)內(nèi)部的濾網(wǎng)以及其他設(shè)施進(jìn)行有效的過(guò)濾。從而實(shí)現(xiàn)凈化空氣的目的，在兩種凈化器工作過(guò)程中，被動(dòng)凈化器可以吸附空氣中的顆粒物以及其他污染物，但是體積較小的污染物卻可以穿過(guò)那些過(guò)濾網(wǎng)，例如PM2.5等，效果甚微。而主動(dòng)凈化則可以有效的對(duì)十分微小的污染物進(jìn)行凈化，從而擁有更好的凈化效果。所以說(shuō)從凈化效果來(lái)比較，主動(dòng)凈化更勝一籌。

本文在進(jìn)行空氣凈化器設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，主要采用了以下原理：首先是環(huán)境中的空氣，可以經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)的過(guò)濾進(jìn)入到風(fēng)機(jī)內(nèi)部，然后其會(huì)在高壓電場(chǎng)的作用之下被電離，使得內(nèi)部的灰塵顆粒產(chǎn)生帶電性，然后吸附在集成極板之上;同時(shí)空氣凈化器內(nèi)部還有紫外線燈，能夠放射出紫外線進(jìn)行殺菌和消毒;在一系列的凈化完成之后，空氣凈化器可以通過(guò)內(nèi)部的傳感器進(jìn)行有效的質(zhì)量監(jiān)測(cè)，最后將監(jiān)測(cè)結(jié)果投射到顯示屏之上。該空氣凈化器能夠有效地對(duì)環(huán)境中的污染氣體進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和凈化，并且還能夠?qū)諝庵械奈廴境潭冗M(jìn)行有效的分析，在整個(gè)空氣凈化過(guò)程中，本文主要采用到負(fù)離子技術(shù)來(lái)進(jìn)行空氣凈化。

3 智能空氣凈化器的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要更好地保證其效率和可靠性，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)使得空氣凈化的成本更低，因此我們需要選擇可以符合空氣凈化裝置總體設(shè)計(jì)的微處理器。那么作為系統(tǒng)的控制模塊，我們不僅要想到它可以滿足的功能，也要使器件的價(jià)格控制到更平民化，在這種情況下設(shè)計(jì)的產(chǎn)品才能夠得到大部分人民的喜愛(ài)。AVR單片機(jī)價(jià)格更便宜，功能簡(jiǎn)單，高效、功能齊全等，所以作為本系統(tǒng)的微處理器。

本課題采用的是 AVR 的 ATmega328P 單片機(jī)，所以主要討論 ATmega328P的特性。它是一種高性能、低功耗的AVR 8位微控制器，具有先進(jìn)的RISC體系結(jié)構(gòu)，而且耐力高，也具有非易失性。

本文選用的是PCF8591 轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。而模擬信號(hào)主要包括熱電偶、壓力、溫度、還有電氣，在轉(zhuǎn)換工程中，我們需要把經(jīng)傳感器的輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)之后，才可以進(jìn)行下一步的A/D轉(zhuǎn)換，一旦采集數(shù)據(jù)的周期被觸發(fā)，那么所用到的通道的采樣電壓就會(huì)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)之中。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)將數(shù)據(jù)在顯示屏上進(jìn)行顯示，隨后進(jìn)行空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，若不達(dá)標(biāo)則進(jìn)去下一階段：空氣凈化，由凈化模塊進(jìn)行凈化，最后排出凈化過(guò)的空氣。若達(dá)標(biāo)，則回到主循環(huán)，再次運(yùn)行程序。在檢測(cè)過(guò)程中通過(guò)按鍵的形式來(lái)更改凈化方式和狀態(tài)。

系統(tǒng)通電后首先進(jìn)入初始化程序，完成串口、I/O口、定時(shí)器等的初始化工作。而ADC的初始化主要為空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集程序服務(wù)。

初始化的目的就是把所有用到的標(biāo)志位、變量回到你的初始值，以及引腳的分配，配置寄存器寫入需要的值。引腳功能的分配是一上來(lái)就設(shè)置好，如果經(jīng)常性的改可能會(huì)引發(fā)異常。

根據(jù)LCD12864液晶顯示模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，將單片機(jī)STC89C52的P0端口作為數(shù)據(jù)的輸入端口，將P0直接與LCD12864液晶顯示器模塊的數(shù)據(jù)輸入口相連接，將12864液晶顯示模塊進(jìn)行初始化，并將P0數(shù)據(jù)輸入到LCD12864液晶顯示模塊中。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)屬于弱電系統(tǒng)，而靜電集塵裝置工作時(shí)形成了一個(gè)高壓強(qiáng)電場(chǎng)，它們之間可能存在一定的干擾，因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮抗干擾性能。本系統(tǒng)主要考慮高壓電源與電網(wǎng)以及控制系統(tǒng)之間的干擾問(wèn)題。其中，高壓電源與電網(wǎng)的干擾問(wèn)題在上一章節(jié)已經(jīng)解決，本章節(jié)主要研究控制系統(tǒng)與高壓電源之間的干擾問(wèn)題。

單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)電源噪聲很敏感，電源的通斷、瞬時(shí)短路及電網(wǎng)串進(jìn)來(lái)的干擾脈沖都會(huì)造成單片機(jī)誤動(dòng)作，可以通過(guò)給電源加濾波電路和穩(wěn)壓器來(lái)減少干擾。

每個(gè)模塊電路所需電壓各不相同，比如繼電器需要 12V 電壓、電源的控制芯片 SG3525需要 15V 電壓，為了降低系統(tǒng)的干擾，所以每個(gè)電源的輸入端應(yīng)接入一個(gè)電容，容量為10～100uF 的電解電容，其起到降低低頻干擾的作用。

在空間環(huán)境中，空間高壓電場(chǎng)會(huì)對(duì)單片機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響，可采用鋁皮或鉭皮遮擋，對(duì)核心控制器進(jìn)行屏蔽加固。

測(cè)試完畢后且可正常運(yùn)行后，我們可以進(jìn)行真實(shí)的實(shí)地試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，并對(duì)其分析，具體可以分為凈化器安裝環(huán)境、凈化污染物種類、凈化完全度、凈化時(shí)間等，之后來(lái)計(jì)算出該空氣凈化器在各個(gè)環(huán)境下不同污染物的凈化效率，最后對(duì)比來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，達(dá)到進(jìn)一步完善該凈化器的目的。

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（作者單位：河北科技學(xué)院）