毛 飛 曹 妮 范夢穎 陳付毅

（溫州醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程系，浙江 溫州325035）

0 引言

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(jiān)測控制系統(tǒng)。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(xiàn)有的車載空氣凈化器系統(tǒng)相比，本文涉及的系統(tǒng)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(tǒng)工作原理

1.1 凈化探測參數(shù)

該系統(tǒng)選擇粉塵顆粒和氣體濃度作為凈化探測的兩個重要參數(shù)。因此，需要運用灰塵和氣味探測器來組成雙功能驅(qū)動凈化的系統(tǒng)。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(shù)更全面、準確。

1.2 系統(tǒng)方案設計

圖1所示為具有自動凈化功能的單片機系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)劃分的信號采集模塊和信號處理模塊兩部分。

圖1 系統(tǒng)原理圖

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(fā)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(qū)分車內(nèi)的煙塵規(guī)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(huán)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器和CPU8051控制器兩個功能模塊，如圖2所示。

圖2 單片機控制電路原理圖

經(jīng)過前置放大器放大之后，灰塵信號和氣味信號轉(zhuǎn)換結(jié)果進入A/ D轉(zhuǎn)換。LM393轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給CPU.CPU將該信號和程序中設置的數(shù)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(tǒng)還未開啟的情況下，用戶也可使用按鍵控制凈化系統(tǒng)。警報有兩參數(shù)設置 （灰塵顆粒和氣體濃度）系統(tǒng)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(xiàn)智能的人機交互。

1.3 過濾網(wǎng)負離子功能

美國環(huán)保署EPA實驗室研究發(fā)現(xiàn)對于空氣凈化（除塵）而言：

1）濾網(wǎng)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(tǒng)采用具有負離子功能的過濾網(wǎng)，綜合了兩者的優(yōu)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(chǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路設計

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用就是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于單片機進行處理。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用LM393，它比集成運放的開環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比??；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(qū)動。LM393轉(zhuǎn)換電路如圖3所示

圖3 LM393（A/D）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

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(shù)模轉(zhuǎn)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.?？刂埔_通過跳線與單片機控制口相連配合程序即可實現(xiàn)圖像或漢字的顯示。12864液晶電路如圖4所示，其中，外接電位器10KΩ主要用來調(diào)節(jié)液晶的對比度。

2.3 鍵盤接口電路設計

本系統(tǒng)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。

圖4 12864液晶顯示電路

（1）自動半自動控制:默認狀態(tài)下，凈化系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)，環(huán)境達到一定條件就可以觸發(fā)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(jù)按鍵的次數(shù)分低速、中速、高速三個風速檔位以及一個關機狀態(tài)。

（3）顯示控制:默認狀態(tài)下顯示屏顯示當前空氣質(zhì)量情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)，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(tǒng)設計

系統(tǒng)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(diào)試。程序分4部分：主程序、計時中斷服務子程序、調(diào)速子程序、顯示子程序。主程序首先對數(shù)據(jù)寄存器和外圍電路進行初始化，隨后進入查詢狀態(tài)，當按鍵有輸入或參數(shù)達到設定值時便調(diào)用相應的子程序。液晶顯示，指示當前工作狀態(tài)。

計時中斷服務子程序設計框圖如圖5所示。系統(tǒng)每工作15分鐘，便產(chǎn)生一次中斷，進行計時存儲處理后，返回主程序?？諝鈨艋涗洏酥緸?代表未記錄的凈化歷史數(shù)據(jù)，為0表示數(shù)據(jù)已記錄。

風速調(diào)整子程序，根據(jù)按鍵次數(shù)的不同及空氣質(zhì)量情況，系統(tǒng)將機器調(diào)整為低、中、高風速和關機狀態(tài)，如未按鍵且處于開機狀態(tài)5分鐘即進入自動調(diào)速。

圖5 中斷服務子程序設計框圖

［1］2015-2020年中國車載空氣凈化器行業(yè)市場調(diào)查及前景預測報告[OL].中商情報網(wǎng)http://www.askci.com 2014/12/23.

［2］基于單片機的智能火警系統(tǒng)設計[J].微型機與應用,2013,12,32(23):27-28.

［3］基于單片機的便攜式空氣凈化器[J].單片機開發(fā)與應用,2009,25(10-2).