淺談基于單片機的便攜式車(chē)載空氣凈化器論文
自2013 年全國性的霧霾天氣后，霧霾問(wèn)題引起極大關(guān)注。本文研究的便攜式車(chē)載空氣凈化器主要針對要求潔凈空氣應對PM2.5 的人群。該裝置實(shí)用性強、可隨車(chē)攜帶、直流蓄電池供電。選用51 系列單片機和低功耗、靈敏度高的氣味傳感器和灰塵傳感器組成空氣污染監測控制系統。當任一空氣污染度超標時(shí),可進(jìn)行警報提示、液晶顯示來(lái)提醒人們啟動(dòng)微型軸流式引風(fēng)機， 負離子空氣凈化部分提供潔凈的空氣。
和現有的車(chē)載空氣凈化器系統相比，本文涉及的系統具有以下的特點(diǎn)：(1)灰塵顆粒和氣體的共同探測功能提高了對空氣污染檢測的全面性;(2)人機交互功能性強，可自主選擇自動(dòng)和半自動(dòng)操作模式。
1 系統工作原理
1.1 凈化探測參數
該系統選擇粉塵顆粒和氣體濃度作為凈化探測的兩個(gè)重要參數。因此，需要運用灰塵和氣味探測器來(lái)組成雙功能驅動(dòng)凈化的系統。雙功能探測使得凈化更全面，既能探測出PM2.5 顆粒引起的灰塵污染也能探測如甲醛、苯蒸汽等有害氣體空氣污染。從而使探測參數更全面、準確。
1.2 系統方案設計
自動(dòng)凈化功能的單片機系統原理劃分的信號采集模塊和信號處理模塊兩部分。
1.2.1 信號采集模塊
信號采集模塊是由灰塵探測器和氣味探測器組成。GP2Y1010AU0F是一個(gè)采用光學(xué)原理的灰塵傳感器。主要由紅外線(xiàn)發(fā)光二極管和一個(gè)光電管成對角布置而成。它通過(guò)檢測空氣中的塵埃的反射光形成脈沖模擬輸出區分車(chē)內的煙塵規格。當檢測的灰塵顆粒>PM2.5 時(shí)，輸出電壓V1.
氣味傳感器MQ135 所使用的氣敏材料是在潔凈空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，傳感器的電導率隨空氣污染氣體濃度的增加而增大。用簡(jiǎn)單電路將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號V2。MQ135 傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它有害的檢測也很理想。
1.2.2 信號處理模塊
信號處理模塊分為A/D 轉換器和CPU8051 控制器兩個(gè)功能模塊。
經(jīng)過(guò)前置放大器放大之后，灰塵信號和氣味信號轉換結果進(jìn)入A/D 轉換。LM393 轉換器將模擬信號轉換成數字信號發(fā)送給CPU.CPU將該信號和程序中設置的數值比較后才決定打開(kāi)繼電器。這些繼電器控制著(zhù)啟動(dòng)凈化警報和凈化操作等級控制裝置。在用戶(hù)想要換氣但是凈化系統還未開(kāi)啟的情況下，用戶(hù)也可使用按鍵控制凈化系統。警報有兩參數設置(灰塵顆粒和氣體濃度) 系統分別默認為PM2.5 值和100ppm。只要其一達到預警值，即警報啟動(dòng)。顯示屏顯示“您的空氣需要被凈化”字樣，實(shí)現智能的人機交互。
1.3 過(guò)濾網(wǎng)負離子功能
美國環(huán)保署EPA 實(shí)驗室研究發(fā)現對于空氣凈化(除塵)而言：
1)濾網(wǎng)攔截對越大的粒子效果越好。
2)負氧離子中和沉降對越小的粒子效果越好。
本系統采用具有負離子功能的過(guò)濾網(wǎng)，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，除塵效果非常好。
負離子是利用所謂的電暈放電方法來(lái)產(chǎn)生帶電分子， 也就是離子。負離子與空氣中的細菌、灰塵、煙霧等帶正電的微粒相結合，并聚成球降落而消除PM2.5 危害。
2 控制電路設計
控制電路主要由STC89C51 單片機、A/D 轉換器LM393、LCD 顯示、引風(fēng)機除塵以及其他電路組成,以下介紹了3 個(gè)模塊的電路設計。
2.1 LM393 轉換電路設計
模數轉換電路的作用就是將模擬量轉換成數字量，以便于單片機進(jìn)行處理。A/D 轉換芯片選用LM393，它比集成運放的開(kāi)環(huán)增益低，失調電壓大，共模抑制比小;但其響應速度快，傳輸延遲時(shí)間短，而且不需外加限幅電路就可直接驅動(dòng)。
P1 為STC89C51 的`控制引腳VCC(電源正輸入(+5V))、DOUT(TTL電平信號輸出口)、AOUT(模擬信號輸出口)、GND(電源負輸入)的直插接口， 用跳線(xiàn)與CPU 的控制口相連配合程序即可對輸入的信號進(jìn)行數模轉換。
2.2 顯示接口電路設計
當下顯示器主要運用LED 和LCD。兩種顯示都是低功耗且配置靈活，容易連接到微控制器。本設計運用12864 液晶顯示模塊，電源供電電壓為5V，可按需選擇串行或并行方式.�？刂埔_通過(guò)跳線(xiàn)與單片機控制口相連配合程序即可實(shí)現圖像或漢字的顯示。12864 液晶電路其中，外接電位器10KΩ 主要用來(lái)調節液晶的對比度。
2.3 鍵盤(pán)接口電路設計
本系統按鍵較少，因此采用鍵盤(pán)與接口直接相連的方式，以接口的高低電平控制鍵盤(pán)的開(kāi)和關(guān)。
(1)自動(dòng)半自動(dòng)控制:默認狀態(tài)下，凈化系統處于自動(dòng)控制狀態(tài)，環(huán)境達到一定條件就可以觸發(fā)凈化器工作。此按鈕可按用戶(hù)需要，自主選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式。
(2)風(fēng)速控制:風(fēng)速控制設計成一個(gè)按鍵，根據按鍵的次數分低速、中速、高速三個(gè)風(fēng)速檔位以及一個(gè)關(guān)機狀態(tài)。
(3)顯示控制:默認狀態(tài)下顯示屏顯示當前空氣質(zhì)量情況及系統工作狀態(tài)，也可使用此按鍵對近一個(gè)星期的空氣凈化歷史情況進(jìn)行查詢(xún)。
3 軟件系統設計
系統的軟件設計使用C 語(yǔ)言編程。軟件的模塊化設計，有利于修改和調試。程序分4 部分：主程序、計時(shí)中斷服務(wù)子程序、調速子程序、顯示子程序。主程序首先對數據寄存器和外圍電路進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入查詢(xún)狀態(tài)，當按鍵有輸入或參數達到設定值時(shí)便調用相應的子程序。液晶顯示，指示當前工作狀態(tài)。
系統每工作15 分鐘，便產(chǎn)生一次中斷，進(jìn)行計時(shí)存儲處理后，返回主程序�？諝鈨艋涗洏酥緸�1 代表未記錄的凈化歷史數據，為0 表示數據已記錄。
風(fēng)速調整子程序，根據按鍵次數的不同及空氣質(zhì)量情況，系統將機器調整為低、中、高風(fēng)速和關(guān)機狀態(tài)，如未按鍵且處于開(kāi)機狀態(tài)5 分鐘即進(jìn)入自動(dòng)調速。
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