淺談基於微控制器的行動式車載空氣清淨機論文

淺談基於微控制器的行動式車載空氣清淨機論文

　　自2013 年全國性的霧霾天氣後，霧霾問題引起極大關注。本文研究的行動式車載空氣清淨機主要針對要求潔淨空氣應對PM2.5 的人群。該裝置實用性強、可隨車攜帶、直流蓄電池供電。選用51 系列微控制器和低功耗、靈敏度高的氣味感測器和灰塵感測器組成空氣汙染監測控制系統。當任一空氣汙染度超標時,可進行警報提示、液晶顯示來提醒人們啟動微型軸流式引風機， 負離子空氣淨化部分提供潔淨的空氣。

　　和現有的車載空氣清淨機系統相比，本文涉及的系統具有以下的特點：(1)灰塵顆粒和氣體的共同探測功能提高了對空氣汙染檢測的全面性;(2)人機互動功能性強，可自主選擇自動和半自動操作模式。

　　1 系統工作原理

　　1.1 淨化探測引數

　　該系統選擇粉塵顆粒和氣體濃度作為淨化探測的兩個重要引數。因此，需要運用灰塵和氣味探測器來組成雙功能驅動淨化的系統。雙功能探測使得淨化更全面，既能探測出PM2.5 顆粒引起的灰塵汙染也能探測如甲醛、苯蒸汽等有害氣體空氣汙染。從而使探測引數更全面、準確。

　　1.2 系統方案設計

　　自動淨化功能的微控制器系統原理劃分的訊號採集模組和訊號處理模組兩部分。

　　1.2.1 訊號採集模組

　　訊號採集模組是由灰塵探測器和氣味探測器組成。GP2Y1010AU0F是一個採用光學原理的灰塵感測器。主要由紅外線發光二極體和一個光電管成對角佈置而成。它透過檢測空氣中的塵埃的反射光形成脈衝模擬輸出區分車內的煙塵規格。當檢測的灰塵顆粒>PM2.5 時，輸出電壓V1.

　　氣味感測器MQ135 所使用的氣敏材料是在潔淨空氣中電導率較低的二氧化錫。當感測器所處環境中存在汙染氣體時，感測器的電導率隨空氣汙染氣體濃度的增加而增大。用簡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訊號V2。MQ135 感測器對氨氣、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 訊號處理模組

　　訊號處理模組分為A/D 轉換器和CPU8051 控制器兩個功能模組。

　　經過前置放大器放大之後，灰塵訊號和氣味訊號轉換結果進入A/D 轉換。LM393 轉換器將模擬訊號轉換成數字訊號傳送給CPU.CPU將該訊號和程式中設定的數值比較後才決定開啟繼電器。這些繼電器控制著啟動淨化警報和淨化操作等級控制裝置。在使用者想要換氣但是淨化系統還未開啟的情況下，使用者也可使用按鍵控制淨化系統。警報有兩引數設定(灰塵顆粒和氣體濃度) 系統分別預設為PM2.5 值和100ppm。只要其一達到預警值，即警報啟動。顯示屏顯示“您的空氣需要被淨化”字樣，實現智慧的人機互動。

　　1.3 過濾網負離子功能

　　美國環保署EPA 實驗室研究發現對於空氣淨化(除塵)而言：

　　1)濾網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。

　　本系統採用具有負離子功能的過濾網，綜合了兩者的優點，除塵效果非常好。

　　負離子是利用所謂的電暈放電方法來產生帶電分子， 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，並聚成球降落而消除PM2.5 危害。

　　2 控制電路設計

　　控制電路主要由STC89C51 微控制器、A/D 轉換器LM393、LCD 顯示、引風機除塵以及其他電路組成,以下介紹了3 個模組的電路設計。

　　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，以便於微控制器進行處理。A/D 轉換晶片選用LM393，它比整合運放的開環增益低，失調電壓大，共模抑制比小;但其響應速度快，傳輸延遲時間短，而且不需外加限幅電路就可直接驅動。

　　P1 為STC89C51 的`控制引腳VCC(電源正輸入(+5V))、DOUT(TTL電平訊號輸出口)、AOUT(模擬訊號輸出口)、GND(電源負輸入)的直插介面， 用跳線與CPU 的控制口相連配合程式即可對輸入的訊號進行數模轉換。

　　2.2 顯示介面電路設計

　　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，容易連線到微控制器。本設計運用12864 液晶顯示模組，電源供電電壓為5V，可按需選擇序列或並行方式.。控制引腳透過跳線與微控制器控制口相連配合程式即可實現影象或漢字的顯示。12864 液晶電路其中，外接電位器10KΩ 主要用來調節液晶的對比度。

　　2.3 鍵盤介面電路設計

　　本系統按鍵較少，因此採用鍵盤與介面直接相連的方式，以介面的高低電平控制鍵盤的開和關。

　　(1)自動半自動控制:預設狀態下，淨化系統處於自動控制狀態，環境達到一定條件就可以觸發淨化器工作。此按鈕可按使用者需要，自主選擇自動或手動模式。

　　(2)風速控制:風速控制設計成一個按鍵，根據按鍵的次數分低速、中速、高速三個風速檔位以及一個關機狀態。

　　(3)顯示控制:預設狀態下顯示屏顯示當前空氣質量情況及系統工作狀態，也可使用此按鍵對近一個星期的空氣淨化歷史情況進行查詢。

　　3 軟體系統設計

　　系統的軟體設計使用C 語言程式設計。軟體的模組化設計，有利於修改和除錯。程式分4 部分：主程式、計時中斷服務子程式、調速子程式、顯示子程式。主程式首先對資料暫存器和外圍電路進行初始化，隨後進入查詢狀態，當按鍵有輸入或引數達到設定值時便呼叫相應的子程式。液晶顯示，指示當前工作狀態。

　　系統每工作15 分鐘，便產生一次中斷，進行計時儲存處理後，返回主程式。空氣淨化記錄標誌為1 代表未記錄的淨化歷史資料，為0 表示資料已記錄。

　　風速調整子程式，根據按鍵次數的不同及空氣質量情況，系統將機器調整為低、中、高風速和關機狀態，如未按鍵且處於開機狀態5 分鐘即進入自動調速。