張加宏，曹 駿，管 靚，陳子煊

（1. 南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044;2. 南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044）

隨著全球氣候的不斷變化以及各種極端氣候的頻繁出現(xiàn)，空調(diào)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚募矣秒娖?。然而在?jīng)常使用的空調(diào)內(nèi)部的過濾網(wǎng)上會聚集大量的灰塵、細菌和霉菌[1]，既不利于通風(fēng)而影響制熱或制冷效果，更不利于人體的健康。中國疾病控制中心資料顯示，空調(diào)如果污染嚴重會引發(fā)亞健康狀態(tài)和多種疾病。但這一問題并沒有引起人們的足夠重視，很多人無經(jīng)常清洗過濾網(wǎng)的習(xí)慣。國內(nèi)外也缺少能對空調(diào)內(nèi)部過濾網(wǎng)上攜帶了大量細菌和霉菌的粉塵進行自動檢測并提示用戶及時清洗的新型空調(diào)或監(jiān)測系統(tǒng)。本文設(shè)計的基于MSP430單片機的低功耗空調(diào)內(nèi)部粉塵自動監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時有效地監(jiān)測過濾網(wǎng)上粉塵的情況，并做到對其的智能化管理——可自行設(shè)置粉塵量值的閘值，有越界語音提示警報和強制關(guān)閉空調(diào)的功能，可用于掛機、柜機、窗機等各式空調(diào)，具有很強的實用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計和工作原理

圖1 系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of the system

如圖1所示，本系統(tǒng)由空調(diào)過濾網(wǎng)監(jiān)測模塊和中心接收處理模塊兩部分組成，均以低功耗MSP430F149單片機為主控?；诠怆娹D(zhuǎn)換原理[2]，監(jiān)測模塊利用HOA2498-003反射式紅外光電傳感器對空調(diào)過濾網(wǎng)上的粉塵進行精確檢測，并將獲取的微弱電流信號通過精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號后，再傳送給低噪聲低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794。中心接收處理模塊通過觸摸液晶屏輸入設(shè)置閾值并顯示實時測量結(jié)果，當檢測的電壓值（對應(yīng)于粉塵的量級）小于空調(diào)需要清洗的閾值時，控制繼電器開關(guān)一直閉合，空調(diào)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。一旦粉塵較多，電壓值將變得較大，超過閾值后，蜂鳴警和二極管聲光報警。若在一定時間內(nèi)，檢測的電壓值持續(xù)高于設(shè)置的空調(diào)需要清洗的閘值，則控制繼電器切斷供電，空調(diào)停止工作，達到強制用戶對空調(diào)過濾網(wǎng)上的粉塵進行清洗的功能。

2 硬件設(shè)計

2.1 MSP430簡介

主控芯片選用TI公司的MSP430F149單片機[3]。該芯片是一種16位系列單片機，在電池供電的低功耗應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢。其工作電壓在1.8～3.6 V之間，正常工作時功耗可控制在200 μA左右，而低功耗時可實現(xiàn)2 μA甚至0.1μA。同時，該芯片在8 MHz晶體下運算能力達到8 MIPS，喚醒時間也很短，只需6μs。選用這款單片機，不僅可以實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能，還可使單片機進入低功耗模式，有效地減少系統(tǒng)功耗，節(jié)約電能，延長使用時間。

2.2 基于HOA2498光電傳感器的粉塵檢測模塊

鑒于系統(tǒng)目標功能的實現(xiàn)，本系統(tǒng)采用反射式紅外光電傳感器[4]HOA2498-003。該傳感器具有以下優(yōu)勢：1)采用的聚焦方式，聚焦的玻璃透鏡能實現(xiàn)最大響應(yīng)。2)工作溫度范圍寬，不用擔心空調(diào)溫度過高或過低。3)采用金屬封裝元件，耐用性舊。4)安裝簡單，節(jié)省空間，不受被檢物的形狀、顏色和材質(zhì)影響。

圖2 紅外光電傳感器測量電路圖Fig. 2 Measurement circuit of Infrared photoelectric sensor

粉塵檢測模塊測量電路如圖2所示，HOA2498光電傳感器通過ADI公司生產(chǎn)的AD7794與MSP430單片機相連，HOA2498自帶一個紅外發(fā)射二極管和一個光接收復(fù)合管。本系統(tǒng)通過P2.0利用MSP430單片機發(fā)出脈沖電壓來驅(qū)動發(fā)射管間隔發(fā)光，經(jīng)過過濾網(wǎng)上面的灰塵反射后被復(fù)合管接收轉(zhuǎn)換為電流信號，再經(jīng)過精密電阻R4轉(zhuǎn)換成電壓信號送給AD7794進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將發(fā)光前后的轉(zhuǎn)換的數(shù)值均送給單片機做差分處理，可以消除環(huán)境背景光的影響。值得注意的是，24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794的噪聲只有40 nV，功耗電流僅400μA，特別適合要求低功耗和高精度測量的應(yīng)用[5]。同時AD7794片上還有低噪聲的儀用放大器，這意味著幅度比較小的信號可以直接輸入到AD7794。利用上述測量電路可以精確地檢測過濾網(wǎng)上的灰塵的附著量以及變化情況。

2.3 中心接收處理模塊

觸摸屏液晶輸入和顯示模塊：本設(shè)計采用帶觸摸屏的串行接口中文圖形點陣TFT液晶顯示模塊RTSI056B03。在實時顯示測量的電壓值和表征粉塵量級參數(shù)的同時，利用該LCD觸摸屏，用戶可以自行設(shè)置空調(diào)需要清洗時的閾值。

聲光報警模塊：本系統(tǒng)報警采用蜂鳴器鳴叫和二極管發(fā)光實現(xiàn)。如果粉塵的量級超過了之前規(guī)定的閾值。蜂鳴器發(fā)出警報，同時通過單片機驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光報警，讓人們及時清理灰塵。

開關(guān)控制模塊：電源通過繼電器常開一端接入空調(diào)系統(tǒng)，正常情況下，電源供電，空調(diào)工作。如圖3所示，當聲光報警發(fā)生，而且單片機檢測的A/D電壓值持續(xù)高于閘值10分鐘后，單片機給繼電器送入低電平，使繼電器跳轉(zhuǎn)，常開一端斷開，電源斷開，停止給空調(diào)系統(tǒng)供電，空調(diào)不工作。

圖3 繼電器開關(guān)控制電路Fig. 3 Control circuit of relay switch

時鐘模塊：使用時鐘模塊記錄時間，以方便用戶能較為準確的把握清理粉塵的頻率。本設(shè)計采用DS1302時鐘芯片，可以選擇對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時。

RS232串口模塊：采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實現(xiàn)TTL邏輯電平和RS232電平之間的相互轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換之后，串行信號TXD、RXD與串口連接在一起，實現(xiàn)單片機與PC機之間的通信。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件流程

主流程如圖4所示，當空調(diào)開機后，單片機被喚醒，過濾網(wǎng)粉塵監(jiān)測系統(tǒng)初始化，此時可通過觸摸屏設(shè)置閾值。然后AD7794每隔一定時間對HOA光電傳感器傳感器測量的過濾網(wǎng)粉塵數(shù)據(jù)采樣一次。中心接收模塊接收采集數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，液晶屏顯示粉塵量級，并判斷采集數(shù)據(jù)是否超過設(shè)閾值，若超過，驅(qū)動蜂鳴警和二極管進行聲光報警。計數(shù)定時，等待10分鐘，用戶如果沒有采取措施，則控制繼電器跳轉(zhuǎn)，切斷電源，強制關(guān)閉空調(diào)。

3.2 智能化低功耗設(shè)計

圖4 空調(diào)過濾網(wǎng)粉塵監(jiān)測系統(tǒng)主流程圖Fig. 4 Main flow of air filter dust monitoring system

由于粉塵的積累需要一定的時間，因此沒有必要時刻對空調(diào)過濾網(wǎng)進行粉塵測試。本系統(tǒng)中，為了節(jié)約電能，除了必要的設(shè)備初始化以外，其余程序（觸摸屏觸發(fā)、定時器、A/D轉(zhuǎn)換）均在中斷中完成。當空調(diào)開機時，MSP430單片機被喚醒啟動監(jiān)測系統(tǒng)進行粉塵檢測，其余大部分時間單片機處于LPM1低功耗模式中，只有中斷被觸發(fā)時，才被喚醒，這一設(shè)計方案大大降低了系統(tǒng)功耗[6]。當空調(diào)關(guān)閉后，單片機進入待機狀態(tài)，就進一步降低了系統(tǒng)的功耗。

4 實際應(yīng)用結(jié)果

監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件調(diào)試成功之后，采用波浪型和平坦型兩種不同的過濾網(wǎng)測試樣品做試驗，如圖5和圖6所示，空調(diào)過濾網(wǎng)是細密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，上面附著了不同濃度的粉塵。具體的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 附著不同濃度粉塵的波浪型過濾網(wǎng)測試樣品Fig. 5 Wavelike filter test samples attached to different dust concentrations

圖6 附著不同濃度粉塵的平坦型過濾網(wǎng)測試樣品Fig. 6 Flat-type filter test samples attached to different dust concentrations

從表1的實驗結(jié)果可以看出，對于不同的測試樣品，反射光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓值也不同，所以可將空調(diào)過濾網(wǎng)上的粉塵的濃度和電壓值建立起對應(yīng)的分段關(guān)系，并加以定級，提示用戶需不需要清洗過濾網(wǎng)。結(jié)合圖5和圖6，不難發(fā)現(xiàn)粉塵濃度越大，測得的電壓差分值越大。如圖5（c）和圖6（b）所示，附著的粉塵濃度很大，可將它們對應(yīng)的電壓值設(shè)置為閾值。一旦測量的電壓值達到閾值，聲光報警10 min后，如果用戶不做處理，自動關(guān)閉空調(diào)，強制用戶對過濾網(wǎng)進行清洗。

表1 不同測試條件下的實驗數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental data under different test conditions

5 結(jié)束語

針對國內(nèi)外空調(diào)沒有能對其內(nèi)部過濾網(wǎng)粉塵自動檢測的缺點，設(shè)計并實現(xiàn)了基于MSP430單片機的低功耗高精度空調(diào)過濾網(wǎng)粉塵自動監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)在空調(diào)開機后被喚醒，可以實時顯示粉塵量級，并做到對其智能化管理——可自行設(shè)置粉塵量值的閘值，有越界語音提示警報和強制關(guān)閉空調(diào)的功能，從而使用戶全面、直觀地了解空調(diào)內(nèi)部過濾網(wǎng)的污染狀況，及時對過濾網(wǎng)做好清潔工作。經(jīng)過實際測試，該空調(diào)過濾網(wǎng)粉塵自動監(jiān)測系統(tǒng)功耗低，實用性強，具有很大的推廣價值。

[1] 王克霞, 郭偉, 湛孝東, 等. 空調(diào)隔塵網(wǎng)塵螨變應(yīng)原基因檢測[J].中國病原生物學(xué)雜志,2013,8(5):429-431,435.WANG Ke-xia,GUO Wei,ZHAN Xiao-dong,et al.Detection of genes encoding allergens from dust mites in air filters of air conditioning systems[J].Journal Pathogen Biology,2013,8(5):429-431,435.

[2] 焦敬品,張強.便攜式粉塵測試儀的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(4):29-32.JIAO Jing-pin, ZHANG Qiang. Research on a portable instrument for measuring dust concentration[J].Instrument Technique and Sensor,2009 (4):29-32.

[3] 冒曉莉,楊博,楊靜秋,等.基于MSP430單片機的節(jié)能型數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(5):138-140.MAO Xiao-li,YANG Bo,YANG Jing-qiu,et al.Energy-saving frequency modulation transmitter based on MSP430 MCU[J].Application of Electronic Technique,2013,39(5):138-140.

[4] 高月華. 基于紅外光電傳感器的智能車自動尋跡系統(tǒng)設(shè)計[J].半導(dǎo)體光電,2009,30(1):134-137.GAO Yue-hua. Design of autonomous tracing system in intelligent vehicle based on infrared photoelectric sensor [J].Semiconductor Optoelectronics,2009,30(1):134-137.

[5] 鄭小彪,姚振東.AD7794 在高精度低功耗測量裝置中的應(yīng)用[J].微計算機信息,2009,25(3-2):307-308.ZHENG Xiao-biao, YAO Zhen-dong. High Precision and Ultra-Low Power Consumption Industrial Measuring Employed AD7794[J]. Microcomputer Information,2009,25(3-2):307-308.

[6] 熊青, 戴啟軍, 宋亞楠. 基于MSP430F149單片機的低功耗電子血壓計設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2011,19(14):184-186.XIONG Qing, DAI Qi-jun, SONG Ya-nan. Design of low power electric sphygmomanometer based on MSP430F149[J]. Electronic Design Engineering,2011,19(14):184-186.