淺談基于單片機的便攜式車載空氣凈化器論文
自2013 年全國性的霧霾天氣后，霧霾問題引起極大關注。本文研究的便攜式車載空氣凈化器主要針對要求潔凈空氣應對PM2.5 的人群。該裝置實用性強、可隨車攜帶、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,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， 負離子空氣凈化部分提供潔凈的空氣。
和現有的車載空氣凈化器系統相比，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污染檢測的全面性;(2)人機交互功能性強，可自主選擇自動和半自動操作模式。
1 系統工作原理
1.1 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重要參數。因此，需要運用灰塵和氣味探測器來組成雙功能驅動凈化的系統。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是一個采用光學原理的灰塵傳感器。主要由紅外線發光二極管和一個光電管成對角布置而成。它通過檢測空氣中的塵埃的反射光形成脈沖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。當傳感器所處環境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣污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 控制器兩個功能模塊。
經過前置放大器放大之后，灰塵信號和氣味信號轉換結果進入A/D 轉換。LM393 轉換器將模擬信號轉換成數字信號發送給CPU.CPU將該信號和程序中設置的數值比較后才決定打開繼電器。這些繼電器控制著啟動凈化警報和凈化操作等級控制裝置。在用戶想要換氣但是凈化系統還未開啟的情況下，用戶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。顯示屏顯示“您的空氣需要被凈化”字樣，實現智能的人機交互。
1.3 過濾網負離子功能
美國環保署EPA 實驗室研究發現對于空氣凈化(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。
本系統采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，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、引風機除塵以及其他電路組成,以下介紹了3 個模塊的電路設計。
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，以便于單片機進行處理。A/D 轉換芯片選用LM393，它比集成運放的開環增益低，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， 用跳線與CPU 的控制口相連配合程序即可對輸入的信號進行數模轉換。
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.。控制引腳通過跳線與單片機控制口相連配合程序即可實現圖像或漢字的顯示。12864 液晶電路其中，外接電位器10KΩ 主要用來調節液晶的對比度。
2.3 鍵盤接口電路設計
本系統按鍵較少，因此采用鍵盤與接口直接相連的方式，以接口的高低電平控制鍵盤的開和關。
(1)自動半自動控制:默認狀態下，凈化系統處于自動控制狀態，環境達到一定條件就可以觸發凈化器工作。此按鈕可按用戶需要，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:默認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凈化歷史情況進行查詢。
3 軟件系統設計
系統的軟件設計使用C 語言編程。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、計時中斷服務子程序、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行初始化，隨后進入查詢狀態，當按鍵有輸入或參數達到設定值時便調用相應的子程序。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，進行計時存儲處理后，返回主程序。空氣凈化記錄標志為1 代表未記錄的凈化歷史數據，為0 表示數據已記錄。
風速調整子程序，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，如未按鍵且處于開機狀態5 分鐘即進入自動調速。
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