基于单片机的室内空气净化装置控制系统设计

2021-01-23 来源：客趣旅游网

2021年2月1日第44卷第3期

现代电子技术

ModernElectronicsTechniqueFeb.2021Vol.44No.3引用格式：贾丽斯，于成英.基于单片机的室内空气净化装置控制系统设计[J].现代电子技术，2021，44（3）：115⁃119.

DOI：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2021.03.025

115基于单片机的室内空气净化装置控制系统设计

贾丽斯1，于成英2

（1.广西大学行健文理学院电气工程系，广西南宁2.广西壮族自治区知识产权发展研究中心，广西南宁

摘

530005；530029）

要：针对基于STCI2LESA16系列单片机系统、Protel2004工具设计系统受到采样干扰数据影响，而导致净化效果

差的问题，提出基于AVR单片机的室内空气净化装置控制系统设计。采用AVR单片机系列的ATmega128单片机，设计系统总体结构。利用紫外光灯管驱动控制电路，采用LHi878热释红外传感器，经过外围元件和LM358两级放大电路放大信号后，将结果显示在VFD真空荧光显示器上。利用算术平均算法去除干扰数据，由此设计净化流程。通过实验对比结果可知，该系统净化效果好，能够满足一般家庭空气净化需求。

关键词：AVR单片机；室内空气净化；控制系统；算术平均算法；净化流程；净化效果中图分类号：TN876⁃34；TP273

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X（2021）03⁃0115⁃05

DesignofSCM⁃basedcontrolsystemforindoorairpurificationdevice

（1.DepartmentofElectricalEngineering，GuangxiUniversityXingjianCollegeofScienceandLiberalArts，Nanning530005，China；

2.IntellectualPropertyDevelopmentResearchCenterofGuangxiZhuangAutonomousRegion，Nanning530029，China）

JIALisi1，YUChengying2

Abstract：InviewofthefactthatthedesignsystembasedontheSTCI2LESA16seriessinglechipmicrocomputer（SCM）systemandtheProtel2004toolisaffectedbysamplinginterferencedata，whichresultinpoorpurificationeffect，adesignofindoorairpurificationdevicecontrolsystembasedonAVR（automaticvoltageregulator）SCMisproposed.TheATmega128SCMoftheAVRSCMseriesisadoptedforthedesignoftheoverallstructureofthesystem.ThecontrolcircuitoftheultravioletlampdriveandtheLHi878pyroelectricinfraredsensorareadopted.Thesignalsareamplifiedbytheperipheralcomponentsandmeanalgorithmisusedtoremovetheinterferencedataanddesignthepurificationprocessthereby.Itcanbeknownfromtheresultsoftheexperimentalcomparisonthatthesystemhasagoodpurificationeffectandcanmeetthegeneralneedsofhouseholdairpurification.

LM358two⁃stageamplifiercircuit，andthentheresultsaredisplayedonvacuumfluorescentdisplay（VFD）.Thearithmetic

Keywords：AVRSCM；indoorairpurification；controlsystem；arithmeticmeanalgorithm；purificationprocess；

purificationeffect

0引言

化器控制系统采用Protel2004tools设计，配置PCB电路板，尽管使用了多线程攻击技术，但是使用了难以控制的无驱动芯片[2]。利用STCI2LESA16系列单片机，设计了充分利用单片机内部硬件资源的控制系统。尽管系统增加了新功能，以便于进行时间切换操作，但是一旦受到高压静电场影响，控制就会失效[3]。针对这一问题，本文设计了基于AVR单片机的室内空气净化装置控制系统。以AVR单片机为核心，结合传感器的数据

国内现有的室内装修材料中，大部分都含有不同程度的有机溶剂、甲醛、苯等有机物质，其中甲醛和苯是已知的致癌物质，净化室内空气成为人们关注的热点问题[1]。为解决室内生活环境的污染问题，国内多家企业研制了室内空气净化器、新风系统等，可吸收、分解或转化多种空气污染物，有效提高空气清洁度。室内空气净

收稿日期：2020⁃05⁃12

修回日期：2020⁃06⁃02

基金项目：广西壮族自治区中青年教师基础能力提升项目：基于分布式传感系统的空气净化装置研究（2017KY1300）；广西大学行健文理学院

科研基金项目：一种电动自行车控制系统的研究与设计（Y2018ZKK01）

2021年第44卷

采集功能，实现检测系统硬件和软件设计，完成了整个设备的测试和运行，对于室内空气净化技术的研究具有重要意义。

传动控制电路部分设计了桥式整流、三端稳压芯片以获得直流电压；马达驱动控制电路的主要功能是完成对马达的启动、整流、调速、制动等控制，实现对电机及其电容的保护；通过驱动控制电路，实现对灯管通路控制和异常信息检测与反馈[9⁃10]。2.1

两种不同的传感器被用于这项研究，这两种传感器传感器模块

1系统总体结构设计

针对空气净化装置的功能要求，AVR系列单片机以

ATmega128高端单片机为核心控制芯片。ATmega128是一个8位低功耗CMOS微处理器，基于AVR的RISC结构[4]。ATmega128具有数据吞吐率高达1MIPS/MHz的高级指令集和单周期指令执行时间，可以减少系统功耗与处理速度之间的矛盾[5]。控制系统的总体结构如图1所示。

分别是热释电红外传感器采集信号的传感器和空气质量检测传感器[11]。该系统的红外传感器采用LHi878型热释电红外传感器，用于接收人体红外信号。采用放大电路结构对LHi878传感器进行改进。在收到动态红外线信号时，将传感器信号放大为4通道脉冲信号。脉冲信号经LM358二级放大电路和外围器件处理后输出到整形电路[12]。红外线脉冲信号经过滤波、信号放大后，仍有不规则脉冲信号存在，为了让MCU获得稳定的心理状态，数据必须成形。对无采样信号的程序处理，直接由ATmega128单片机进行查询处理。第二代PD2终端接收脉冲信号后，通过查询直接调整电机速度，保证电机的高速运行。

图1室内空气净化装置控制系统总体结构

2.2

该系统以VFD真空荧光显示器为显示器件，有别

VFD显示模块

空气净化控制系统分为传感器数据采集、液晶显示、电机控制、紫外灯控制、功能按钮等几个模块[6]。单片机ATmega128程序控制各个模块的工作与操作，并通过单片机实现各个模块之间的相互联系[7]。

于传统的1206或12864液晶点阵显示器，超频显示是由真空电子器件发展而来的显示技术，其构成包括阴极（发射电子）、栅极（电子速度控制）、玻璃基片（荧光物质）和红色包装的环绕设备[13]。显示器的原理就是把与荧光物质碰撞而产生的电子流发射到玻璃基板上，从而达到显示效果，正因为VFD具有刺眼的显示效果，所以给人一种亲和力强的视觉显示。VFD显示模块如图3所示。

2系统硬件结构设计

室内空气净化器控制系统主要分为主控板模块和

驱动控制模块两部分，通过交流电源提供110V的电压，主控制模块经改造整流器和滤波器后提供5V，9V直流电压[8]。根据传感器采集的信号，ATmega128单片机通过关键指令实现对电机和紫外灯的驱动控制。系统硬件结构框图如图2所示。

图3VFD显示模块

金属丝固定于支架上并镶嵌钨丝。当电灯丝的电压适当、电灯丝的温度超过500℃时，电子就会释放出

图2系统硬件结构框图

来，并且正、负压都能在栅极上产生，从而加快或减缓电

贾丽斯，等：基于单片机的室内空气净化装置控制系统设计117

子释放的速度。采用正电压加速电子移动，使它们与涂在基体阳极上的荧光材料发生碰撞，使其发光；反之，如果施加负压，电子释放的速率就会被阻止，并且不能被照亮。采用不同的荧光物质对VFD基片可获得不同的色彩效果，红色、绿色、蓝色等常见颜色因其发射的波长而有所不同，在电导保护膜表面形成完整的内部变频方案，它利用相同的潜在灯丝电压在内部形成一种网状的静电屏蔽功能，可防止外部干扰，并为实现内部变频安全无干扰提供理想的工作环境。2.3

采用继电器、稳压二极管、DallingtonULN2003以及主机电路

能的开关时间，但它只能接受关闭时间内电源开关的外部中断，高电压打开时才进行高压自检，若有3次故障将停止，否则机器将继续检查。在启动时，A/D管脚对反馈信号的检测一直在进行，而A/D转换的数据只有在进行高压自测时才会被调用。

共模电感构成控制电机主电路。通过12VDC继电器对主电机的工作和调速范围进行控制，从而通过ULN2003对继电器的工作状态进行控制。由AVR单片机通过MCUI/O口向ULN2003传送控制信号，达林顿管主要控制主电机三接口的运行状态，连接各个位置，显示主电机不同的速度和工作状态。

3软件功能设计

在软件功能设计中，主要是对电机和车灯的驱动

控制，其他部分以单片机为主控制，它的各个部分在实际应用中是紧密相连的，各个功能模块对整个程序设计具有重要意义。空气净化装置控制系统只能通过ATmega128单片机程序运行。3.1

LHi878热释红外传感器电路开始工作时，数据处理

图4主流程设计

ATmega128单片机微控制器对应颗粒物污染浓度输出电压，经过数字转化后，供系统分析数据。当采样完成后，利用算术平均算法去除干扰数据，计算公式为：

1ai

n∑i=1

4实验

为了验证基于单片机的室内空气净化装置控制系统设计的合理性，进行实验验证分析。4.1

使用1台计算机，利用JTAG仿真下载器调试系统，实验参数设置

Z表示算术平均值；ai表示第i个采样值；n表示数式中：实验参数如表1所示。

表1实验参数

项目灯丝电压/V灯丝电流/mA阳极电压/V阳极电流/mA栅栏电压/V栅栏电流/mA脉冲宽度工作温度/℃存储温度/℃

-20-55最小值3.5最大值4.5推荐值3.5255025100708015

据量。由此完成数据处理。3.2

主流程设计如图4所示。

开机后，启动显示器及钟表模组，启动高压、风量、摇摆风、负离子功能。按键和遥控器可以控制开关的相应功能，遥控器可以改变系统的时序和系统的时序周期。若定时功能开启，则根据6个切换周期设置相应时间段的空气净化功能自动执行。举例来说，设定周期为7：00turnon—8：00turnoff，然后在7：00空气净化系统自动启动，8：00机器自动关闭，等待下一个设定时间，每天24h进行定时检测。尽管定时器可以控制所有功

主流程设计

150.5195.025.01002827

185

室内空气净化装置外部结构如图5所示。系统调试

现代电子技术

2021年第44卷

未能全部净化。使用基于AVR单片机系统净化时间最长为30s，且分离效率最高为100%，全部颗粒物能全部净化。

图5室内空气净化装置外部结构

由图5可知：该装置为立式结构，整个外壳躯体中进气口是室内空气进入装置内部进行净化和杀菌的主要通道；出风口是室内空气进入装置后排出气体的主要通道；显示界面设置在空调装置正中心，用于显示系统工作状态；按键主要用于操控系统，是人机接口之一。4.34.3.1

实验结果与分析

对于不同颗粒物需按照实际情况检测系统自动工自动模式检测

作模式，如表2所示。

表2不同颗粒物下系统自动工作模式检测

颗粒物指数

1级2级3级

模式

运行10min后，风机停止工作

风机以2档风速运行，延时5s后启动，

液晶显示屏显示工作情况

风机以3档风速运行，延时5s后启动，液晶显示屏显示工作情况

依据表1所示检测模式，分别采用基于STCI2LESA16系列单片机系统、Protel2004工具设计的系统和基于AVR单片机系统对这3个级别的净化效果进行对比分析，结果如图6所示。

由图6可知：使用基于STCI2LESA16系列单片机系统净化时间最长为60s，且分离效率最高为80%，全部颗粒物未能全部净化；Protel2004工具设计的系统净化时间最长为90s，且分离效率最高为78%，全部颗粒物

图6三种系统净化效果对比分析

4.3.2

在睡眠模式下，装置控制系统风机将以最小风速运

睡眠模式检测

行，高压除尘方式开始启动，直到关机为止。辅助功能

贾丽斯，等：基于单片机的室内空气净化装置控制系统设计119

开启后，按温度键控制加热器，查看不同系统下加热器运动波动曲线，如图7所示。

产生的磁场也能探测到红外线气体和按键，因此需要红外线探测文字，对系统进行修改和改进，用于进一步的调试和测试。

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5结语

以AVR单片机为核心的空气净化器控制系统对空气净化装置的具体要求进行分析，设计了控制系统的功能结构和总体结构框架，特别是AVR单片机的选型。在设计了硬件控制电路的基础上，对空气净化装置的功能进行编程。控制系统的研制由于时间和经验的原因，仍存在以下问题：

整个系统运行稳定，但在长时间运行中会出现一些不可预知的误码，造成一定的干扰。由于电动机运转时

作者简介：贾丽斯（1987—），女，壮族，广西贵港人，硕士，副教授，研究方向为非线性物理。

于成英（1986—），女，辽宁营口人，硕士，工程师，主要研究方向为知识产权。

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