何正鈺，魏彗星

（南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇南京211800）

基于物聯(lián)網(wǎng)云傳輸?shù)闹悄芑諝鈨艋餮b置

何正鈺，魏彗星

（南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇南京211800）

以C8051F020單片機為控制核心，利用溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、夏普GP2Y1010AU0F PM2.5傳感器檢測到的信號來控制電機的工作狀態(tài)，再加入Wi-Fi模塊，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)遠程控制空氣凈化功能。設(shè)計空氣凈化器裝置硬件的各個模塊，分別是電源控制模塊、電機模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、Wi-Fi等模塊，并利用AD6繪制原理圖，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)運行與調(diào)試。

空氣凈化器；C8051F020單片機；傳感器；功能模塊

0 引言

隨著經(jīng)濟增長步伐的加快，人們生活水平的不斷改善，空氣質(zhì)量問題也逐漸受到了關(guān)注。室內(nèi)的空氣污染成為影響人們健康的首要因素[1]。空氣質(zhì)量的好壞直接影響著我們?nèi)藗兊慕】?，而目前的空氣質(zhì)量甚是讓我們擔(dān)憂。因此設(shè)計一款室內(nèi)空氣凈化裝置就顯得尤為重要，再者，目前物聯(lián)網(wǎng)成了主流發(fā)展趨勢，所以在此基礎(chǔ)上本文設(shè)計一款云傳輸?shù)目諝鈨艋餮b置。

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

本次設(shè)計出的空氣凈化器主要是用過濾網(wǎng)對空氣中的污染物進行過濾，并能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信功能。利用電機的轉(zhuǎn)速將空氣送入凈化器內(nèi)，經(jīng)過濾網(wǎng)將空氣中的顆粒物、類似甲醛的氣體等過濾，再由風(fēng)機送出到室內(nèi)，達到凈化空氣的目的，同時通過Wi-Fi進行移動終端通信。

根據(jù)設(shè)計思路，空氣凈化器是利用了風(fēng)機將空氣送入凈化器，經(jīng)過初過濾網(wǎng)，活性炭過濾網(wǎng)，HEPA高效空氣效過濾網(wǎng)等過濾網(wǎng)，層層過濾，最后由風(fēng)機將空氣送入室內(nèi)，達到凈化空氣的作用，同時使用WiFi模塊，通過手機App實現(xiàn)遠程控制。設(shè)計模塊如圖1所示：

圖1 空氣凈化器的設(shè)計模塊

由上圖可將空氣凈化器控制系統(tǒng)分為以下主要模塊進行詳細的設(shè)計：

電源模塊是整個系統(tǒng)的供電核心，產(chǎn)生5V、3.3v、2.85V直流電壓信號。傳感器模塊主要包括VOC傳感器、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器等。電機模塊選用的是單相異步交流電機，并且輸入電壓是220V交流電，由電容來驅(qū)動，同時單片機會根據(jù)傳感器或是按鍵送入的信號來控制電機的轉(zhuǎn)速。液晶顯示器是用來顯示凈化器處在工作狀態(tài)下的信息，包括了溫度、濕度、空氣質(zhì)量、PM2.5值、狀態(tài)等信息。按鍵功能的設(shè)計主要包括：電源按鍵、模式按鍵、選擇按鍵、復(fù)位按鍵。Wi-Fi通信模塊，實現(xiàn)了移動終端的遠程控制，通過App模塊實現(xiàn)了移動端（手機）和智能空氣凈化器的匹配，移動端可以將指令發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器將指令轉(zhuǎn)發(fā)至智能空氣凈化器，從而達到遠程控制的目的；同時還實現(xiàn)了和移動端（手機）實時互動的功能，手機端將指令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器再推送至對應(yīng)的智能空氣凈化器實現(xiàn)實時傳送功能。

控制系統(tǒng)的原理框圖

本文研究的空氣凈化器控制系統(tǒng)由日常使用的220V的交流電來供電，經(jīng)過一系列的處理，得到了5V、3.3V與2.85V的直流電源，并為電路進行供電。然后，C8051F020單片機將根據(jù)傳感器檢測到的信號或按鍵的產(chǎn)生的信號來控制電機的狀態(tài)。系統(tǒng)的總體原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體原理框圖

圖4 PM2.5傳感器原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制器選型

控制器核心選用C051F020單片機，其最小系統(tǒng)如圖3所示。

當(dāng)C8051F020單片機上電后時，復(fù)位端電壓相當(dāng)于低電平實現(xiàn)上電復(fù)位；當(dāng)斷電后形成放電回路，實現(xiàn)斷電復(fù)位。C8051F MCU的CIP-51內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比，指令執(zhí)行速度有很大的提高。標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機執(zhí)行一個單周期指令需要12個系統(tǒng)?時鐘周期，而C8051F MCU執(zhí)行一個單周期指令只需要一個系統(tǒng)時鐘周期。如果系統(tǒng)時鐘頻率為25MHz，執(zhí)行一個單周期指令所需時間為40ns。

2.2 氣體傳感器選型

日本夏普公司灰塵傳感器GP2Y1010AU0F，體積小巧，靈敏度高，而且內(nèi)置氣流發(fā)生器，可以自行吸入外部空氣。安裝保養(yǎng)方便，使用壽命長，精度高，穩(wěn)定性好。內(nèi)部原理圖如圖4所示：

圖4中引腳1為V-LED，引腳2LED，引腳3為LED-GND，引腳4為VCC，引腳5為VO，引腳6為SGND。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。體積小、功耗低，較遠的信號傳輸距離，這使其成為各類應(yīng)用甚至最為嚴格的應(yīng)用場合的最佳選則。

圖3 單片機最小系統(tǒng)

空氣質(zhì)量傳感器選用MF-AQM-TVOC系列空氣質(zhì)量檢測模塊，該模塊帶零點標(biāo)定、自帶溫濕度補償，體積小、數(shù)字信號輸出、多級別信號輸出，可定制開發(fā)設(shè)計。單片機傳感器接口電路如圖5所示。

圖5所示為VOC傳感器、溫濕度傳感器和PM2.5傳感器的接口電路。圖中VCC、VDD為所接供電電源，OUT為輸出信號，GND為接地線。

2.3 電機控制電路

電機控制原理如圖6所示。

圖6中通過三極管實現(xiàn)了電機的低檔、中檔和高檔調(diào)速，分別對應(yīng)為LOW、MED和HIGH。

2.4 去液晶顯示

根據(jù)設(shè)計需求，當(dāng)設(shè)備通電時，在顯示器上會顯示空氣凈化器正在工作時的狀態(tài)，主要有工作模式、溫濕度、PM值、空氣質(zhì)量等信息?？諝鈨艋鞯娘@示模塊選用型號為TM128128A4KFWGWC36-1液晶顯示器。TM128128A4KFWGWC36-1液晶顯示器共29個引腳，液晶模塊由外部提供+2.85V電源；第15腳實現(xiàn)的是顯示器的復(fù)位；第2和3引腳分別接在LED+和LED-LCD上即背光的正負極，并提供+2.85V電壓；讀/寫控制信號R/W，分別接到C8051F020單片機的P47和P46引腳；D0-D7表示顯示器的數(shù)據(jù)引腳，接在了C8051F020的P70-P77輸入/輸出接口上。顯示器模塊的控制電路如圖7所示。

圖7 液晶顯示器模塊的控制電路

2.5 仿真設(shè)計

本空氣凈化器控制系統(tǒng)的單片機仿真電路則是采用C8051JTAG方式。其電路原理如圖8所示：

圖8 JTAG程序仿真電路原理圖

3 控制系統(tǒng)的軟件模塊化設(shè)計

為了滿足工作的要求，在所設(shè)計的硬件電路的基礎(chǔ)上對控制的軟件進行設(shè)計，整個軟件程序分為傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電機控制模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊以及Wi-Fi通信模塊。通過對各模塊調(diào)試。系統(tǒng)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)了空氣質(zhì)量的檢測，并能進行無線通信。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計方框圖如圖9所示：

圖5 單片機傳感器接口電路

圖6 電機控制原理圖

圖9 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計方框圖

4 結(jié)語

本文研究的空氣凈化器是以C8051F020單片機為核心進行硬件模塊設(shè)計以及根據(jù)設(shè)計要求提出的軟件總體設(shè)計方案，從總體結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計到控制原理的設(shè)計，再到各模塊電路設(shè)計，最終完成了硬件設(shè)計。

[1]董亮，李春林，朱磊.基于單片機的便攜式空氣凈化器[J].微計算機信息，2009-10-15.

[2]董玉德，徐偉，金運掌等.柜式空氣凈化器硬件電路設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2013-11-15.

[3]邱麥平.空氣凈化器結(jié)構(gòu)及工作原理[J].現(xiàn)代家電，2014-07-25.

[4]劉朝軍，伍靜靜，胡文飛等.空氣凈化器中的過濾分離技術(shù)[J].家電科技雜志，2013-08-01.

[5]李鵬.亞都空氣凈化器劍指PM2.5[J].家電科技雜志，2012-02-01.

Intelligent Air Purifier Device Based on Internet of Things

HE Zheng-yu，WEI Hui-xing

（School of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing University of Technology，Nanjng 211800）

Takes the C8051F020 single-chip microcomputer as the control core,uses temperature and humidity sensors,air quality sensor,Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5 sensor to detect the signal to control the working state of the motor,then adds the Wi-Fi module,in order to achieve remote control of air purification function.Designs the modules of the air purifier device hardware,namely the power control mod?ule,the motor module,the data acquisition module,the liquid crystal display module,the key module and the Wi-Fi module,and draws the schematic diagram with AD6,with debugging.

何正鈺（1993-），男，甘肅慶陽人，本科，研究方向為自動化

張印強，13813365825

2017-03-21

2017-05-02

1007-1423（2017）15-0072-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.15.019

魏彗星（1993-），男，湖北咸寧人，本科，研究方向為自動化

Air Purifier;C8051F020 Single Chip;Sensor;Function Module