萬國平，聶惠芬，萬志強(qiáng)，王輝華

WAN Guo-ping1,NIE Hui-fen1,WAN Zhi-qiang2,WANG Hui-hua2

（1. 南昌理工學(xué)院 計算機(jī)工程系，南昌 330013；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

當(dāng)前，世界空氣污染狀況不容樂觀，而對于人類生活密切的室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞，一直是對人類健康造成影響的重要因素，隨著社會和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的各種裝飾材料應(yīng)用于家居生活中，同時，也正是這些應(yīng)用新的科學(xué)技術(shù)合成的裝飾材料，不斷揮發(fā)出各種對人體健康有害的氣體物質(zhì)，如甲醛、二氧化硫等[1]，為了去除這些有害的氣體物質(zhì)，對室內(nèi)的空氣進(jìn)行凈化就顯得尤為必要，本文所要介紹的就是一款以ATMEGA16單片機(jī)為控制芯片的小型的、主要應(yīng)用于室內(nèi)的空氣凈化器控制系統(tǒng)，該空氣凈化器控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟(jì)實惠。

1 系統(tǒng)功能需求分析[1]

空氣凈化器應(yīng)用十分廣泛，本文所研制的是一種以Atmega16單片機(jī)為核心處理器的小型室內(nèi)使用的空氣凈化器，系統(tǒng)功能需求分析如圖1所示。

圖1 空氣凈化器系統(tǒng)功能需求分析

該空氣凈化器主要是依靠紫外燈管發(fā)出適當(dāng)波長的紫外線，利用紫外線能破壞微生物細(xì)胞中的DNA（脫氧核糖核酸）或 RNA（核糖核酸）的分子結(jié)構(gòu)，造成生長性細(xì)胞死亡或再生性細(xì)胞死亡這一原理[2]，達(dá)到凈化室內(nèi)空氣的目的。

當(dāng)給凈化器接通電源工作后，系統(tǒng)即按照程序設(shè)定的紫外燈管使用壽命開始計時，中間如有停電、關(guān)機(jī)等操作，系統(tǒng)自動把先前計時數(shù)據(jù)保存在EEPROM中，以便在下次凈化器正常工作后，在之前計時數(shù)據(jù)上繼續(xù)計時，當(dāng)計時的數(shù)據(jù)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的紫外燈管的壽命時，LED報警燈開始報警提示，這時應(yīng)予更換紫外燈管，更換燈管后，按下相應(yīng)按鍵，這時先前保存在EEPROM中的數(shù)據(jù)清零，空氣凈化器在通電正常工作后，計時器重新計時。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

由對空氣凈化器控制系統(tǒng)的功能需求分析，主要從硬件和軟件兩個方面介紹空氣凈化器控制系統(tǒng)的總體設(shè)計。

2.1 硬件總體設(shè)計

按照實現(xiàn)空氣凈化器的功能需求可知，系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由Atmega16單片機(jī)、LED燈、電感線圈、按鍵、紫外燈管、蜂鳴器、溫度傳感器以及其他電子元器件組成。空氣凈化器硬件設(shè)計如圖2所示。

由硬件設(shè)計圖可知，空氣凈化器是以Atmega16單片機(jī)為核心，并在此基礎(chǔ)上來實現(xiàn)凈化器的功能需求的。

圖2 空氣凈化器硬件設(shè)計

Atmega16單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微處理器，得益于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，Atmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，作為AVR系列的高檔產(chǎn)品，Atmega16內(nèi)核具有豐富的指令集和多達(dá)32個通用工作寄存器，從而可以十分明顯地緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。Atmega16具有一個SPI串行端口、一個與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容的JTAG接口，方便程序的下載、仿真、調(diào)試和運(yùn)行[3]，因此，選擇該型號的單片機(jī)作為系統(tǒng)核心處理器，完全滿足本控制系統(tǒng)的功能需求。

2.2 軟件總體設(shè)計

空氣凈化器的硬件系統(tǒng)確定好后，就需要對實現(xiàn)功能要求的軟件程序進(jìn)行設(shè)計，空氣凈化器系統(tǒng)的程序總體機(jī)構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)程序總體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)程序總體結(jié)構(gòu)圖可知，系統(tǒng)的主程序主要由初始化程序、按鍵程序、定時報警程序、信號反饋處理程序、中斷處理程序、紫外燈驅(qū)動程序、蜂鳴器控制程序、電源控制程序和EEPROM讀寫程序組成，各個子程序經(jīng)過單片機(jī)的運(yùn)算處理，實現(xiàn)系統(tǒng)凈化空氣的功能[4]，控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序主流程圖

空氣凈化器通電開機(jī)后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化程序操作，分配各端口地址，給各個參數(shù)賦予初始值，讀取紫外燈管的工作狀態(tài)檢測信號[5]，判斷定時器中的計時是否到時，如到時，則蜂鳴器響，提示更換燈管，更換好后，按鍵復(fù)位操作，定時器重新開始計時，如沒到時，則系統(tǒng)繼續(xù)正常工作，直到定時到時。

3 信號采集與處理

本文研制的空氣凈化器的一個重點(diǎn)是實現(xiàn)對紫外燈反饋的信號的檢測與處理，當(dāng)紫外燈出現(xiàn)故障或壽命到期后，報警提示更換，從而實現(xiàn)對紫外燈工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。

3.1 信號檢測模塊

本文信號采集的一個重點(diǎn)即對紫外燈管工作狀態(tài)信號的采集，紫外燈管在長時間工作后，殺菌性能逐漸減弱，故障發(fā)生的概率也逐漸增大[6]，如何在紫外燈管故障發(fā)生時或壽命到期時，準(zhǔn)確迅速地檢測判斷出來，是本文一個核心所在。

為解決這一問題，考慮在紫外燈管的工作電路上串聯(lián)一個電感線圈，通過電感線圈的電流產(chǎn)生反饋電壓送給雙電壓比較器LM393，由LM393對采集到的電壓進(jìn)行比較判斷，輸出高/低電平給控制芯片Atmega16單片機(jī)，由單片機(jī)的內(nèi)部程序完成信號的比較判斷，實現(xiàn)對紫外燈管的導(dǎo)通和斷開的狀態(tài)檢測和反饋，空氣凈化器的比較反饋電路如圖5所示。

紫外燈管的開/關(guān)直接由控制面板上的按鍵來控制鎮(zhèn)流器電源的通斷來實現(xiàn)，Atmega16單片機(jī)的PB2 和PB3端口作為紫外燈管狀態(tài)信號的檢測端口。

圖5 紫外燈管比較反饋電路

當(dāng)空氣凈化器正常工作時，流經(jīng)電子鎮(zhèn)流器中電流的一路經(jīng)過電感， LM393的2或6腳檢測到大約2.45V的電壓，進(jìn)行比較，另外一路的電壓大約為0.5V，同時，LM393的1或7腳輸出低電平給單片機(jī)的PB2 或PB3口，經(jīng)單片機(jī)判斷后，發(fā)出紫光燈工作正常的信號。如果紫外燈管不工作，則電子鎮(zhèn)流器就沒有電流輸出，此時，LM393的2或6腳就檢測不到電壓，LM393的1或7腳便輸出高電平給單片機(jī)PB2 或PB3端口，單片機(jī)經(jīng)判斷就會發(fā)出紫光燈工作不正常的信號且控制蜂鳴器發(fā)出報警信號。

3.2 定時模塊設(shè)計

紫外燈的殺菌強(qiáng)度會隨著使用時間的增加而逐漸衰減，一般應(yīng)在其殺菌強(qiáng)度將至70%后，及時更換紫外燈管，這樣可以獲得最佳的凈化空氣的效果，紫外燈管從開始使用到更換完畢這一段使用時間即為使用壽命[7,8]，一般在紫外燈管的說明書上也會給出使用壽命，為了在燈管使用到期后及時有效地更換燈管，保證最佳的殺菌效果，這就需要定時功能，得益于Atmega16單片機(jī)內(nèi)置有多個帶預(yù)分頻的，功能強(qiáng)大的8位和16位計數(shù)/定時器，可以非常方便地實現(xiàn)對紫外燈管工作時間的定時計數(shù)功能，同時為了提高定時計數(shù)的準(zhǔn)確性，在硬件電路上加入了一個16MHz的晶振。空氣凈化器的定時流程圖如圖6所示。

4 結(jié)論

本文所研制的小型室內(nèi)空氣凈化器控制系統(tǒng)，是基于Atmega16單片機(jī)為核心處理器來實現(xiàn)的，通過對空氣凈化器功能需求的分析，設(shè)計、開發(fā)出相應(yīng)的硬件電路和軟件程序，最終實現(xiàn)了空氣凈化器的功能要求，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)。

圖6 空氣凈化器定時流程圖

本控制系統(tǒng)硬件電路采用Protel DXP軟件進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)，在研制過程中采用Proteus軟件進(jìn)行電路的仿真；軟件方面采用C語言來編寫程序，開發(fā)環(huán)境為CodeVisionAVR軟件，硬件和軟件都完成后，下載程序進(jìn)行整機(jī)的調(diào)試和運(yùn)行，實驗的結(jié)果表明整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。

[1] 吳忠標(biāo),趙偉榮. 室內(nèi)空氣污染及凈化技術(shù)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2] 何德林. 空氣凈化技術(shù)手冊[M]. 電子工業(yè)出版社,1985.

[3] 馬潮. 高檔8位單片機(jī)ATmega128原理與開發(fā)應(yīng)用指南[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[4] 李果,董玉德. Design and research the Software of Air-purifier Control System based on ATmega128 microcontroller,2011 IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering(CSAE 2011).

[5] 任俊龍. 基于AVR單片機(jī)的空氣凈化器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 合肥： 合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[6] Yu Ying,Zhou Lei,Min Hao. Design and VLSI Implementation of An Asyn-chronous Low Power Microcontroller[J]. 20014th International Conference On ASIC 2001,(33)： 797-799.

[7] 劉歡. 基于AVR單片機(jī)的移相零電壓逆變電阻焊接電源的研究[D]. 杭州： 浙江大學(xué),2008.

[8] 吳忠標(biāo),趙偉榮. 室內(nèi)空氣污染及凈化技術(shù)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社,2005.