秦 君，邵清亮，郭美琳

(沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

目前，市面上出售的基本為空氣監(jiān)測儀或空氣凈化器，兩者功能兼具的少之又少。大部分監(jiān)測、凈化儀器不能實現(xiàn)智能控制，需人工控制?；谝陨蠁栴}，本文設計了一款室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與智能凈化裝置。利用傳感器和液晶顯示屏，用戶可以隨時了解室內(nèi)空氣污染程度。當空氣污染程度達到上限時，由單片機控制風扇轉(zhuǎn)動，使污染物通過一系列濾網(wǎng)后被吸附、降解，保證室內(nèi)空氣始終保持在潔凈狀態(tài)，以便為人們提供一個更加優(yōu)質(zhì)舒適的生活環(huán)境。凈化部分增加風壓測定裝置，以確定濾網(wǎng)疏通度是否合格。

1 系統(tǒng)總體設計

裝置以51單片機為控制核心，實現(xiàn)自動控制。通過傳感器檢測空氣溫濕度、粉塵含量、甲醛和苯等揮發(fā)性有機物濃度，從而確定室內(nèi)空氣質(zhì)量。51單片機先通過調(diào)用子程序讀取傳感器測得的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)作相應處理后，一方面將數(shù)據(jù)傳輸至顯示器，另一方面將數(shù)據(jù)和設定的空氣閾值進行對比，智能控制報警裝置和凈化裝置[1]。另外用戶還可以選擇手動模式，根據(jù)需要修改空氣閾值。系統(tǒng)總體構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Overall structure of the system

2 環(huán)境監(jiān)測部分硬件設計

環(huán)境監(jiān)測部分硬件由51單片機控制模塊、傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、報警器模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊等組成。用戶可及時掌握室內(nèi)多種污染物的濃度狀況，以便實時監(jiān)測和控制[2]。

2.1 溫濕度信息采集

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的最大優(yōu)勢在于溫度和濕度可以同時顯示。單線制的串行接口功耗低、靈敏度高、穩(wěn)定性好，有利于系統(tǒng)集成。其典型應用電路如圖2所示。

圖2 典型應用電路 Fig.2 Typical application circuit

設定主機每50 ms向傳感器發(fā)送一次開始信號，DHT11接收到信號后觸發(fā)一次溫濕度采集；采集完成后再將數(shù)據(jù)傳回單片機進行分析。另外，當DHT11處在非采集狀態(tài)時為低速運行模式，功耗極低。

2.2 顆粒物信息采集

灰塵傳感器DSM501具有以下特點。①可靈敏檢測直徑1 μm以上的粒子，包括吸煙所產(chǎn)生的煙霧、花粉和室內(nèi)灰塵等。②通過調(diào)節(jié)電阻值來檢測不同微粒大小的灰塵。③脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)輸出。④內(nèi)有氣流發(fā)生器，可以自行吸引外部大氣。⑤體積小、質(zhì)量輕、便于安裝[3-4]。

設定10 s為一周期，使I/O管腳每隔50 ms讀取一次管腳高低電平。當DSM501檢測到顆粒時，管腳為低電平，否則為高電平。輸出的PWM波形如圖3所示。

圖3 PWM波形 Fig.3 PWM waveform

從圖3可知，脈寬為低電平時間與周期時間之比。按照百分制輸送到LCD1602進行顯示。

(1)

2.3 MQ135氣體傳感器

MQ135氣體傳感器可檢測多種有害氣體且監(jiān)測效果理想，是一款適合多種應用的低成本傳感器。

MQ135氣體傳感器利用電導率較低的二氧化錫(SnO2)作為氣敏材料，它的電導率與空氣中污染氣體濃度成正比。利用這一特性，使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出電壓[5]。這里，選用ADC0804芯片讀取輸出電壓，讀寫芯片需要根據(jù)芯片的時序，先使寫信號下降，進行A/D轉(zhuǎn)換；后使讀信號下降再上升，即可讀取數(shù)據(jù)。

選用P1的8個I/O口讀取數(shù)據(jù)，傳回的數(shù)據(jù)是0～255的8位二進制數(shù)。由于芯片VCC接5 V電壓，所以換算公式為：

(2)

2.4 報警器模塊

報警器模塊由LED紅燈、綠燈和蜂鳴器組成。51單片機將傳感器傳輸來的信號轉(zhuǎn)化后，同設定好的空氣限值相比較。當超出限值時，單片機會點亮紅燈并啟動蜂鳴器報警。在自動模式下，單片機則會點亮紅燈并直接啟動凈化裝置。另外，當凈化系統(tǒng)需更換濾芯時，單片機會使紅燈閃爍。

2.5 LCD顯示模塊

通過1602液晶顯示器，用戶可以清楚了解到室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，同時也方便手動修改各項污染物的上限值。

2.6 按鍵控制模塊

按鍵控制模塊的主要目的是實現(xiàn)人機交互。用戶可以通過操作面板向單片機發(fā)送指令，如調(diào)節(jié)污染污染物濃度的上限值、控制系統(tǒng)運行等。

按鍵控制要實現(xiàn)開/關(guān)、自動/手動模式[6]、修改空氣閾值(手動模式下有效)和調(diào)節(jié)風速這4個功能。風速分為一、二、三檔；面板上配有設置鍵，用戶按下設置鍵后，通過控制上下左右鍵，選定某一位數(shù)值進行增或減，從而達到更改空氣閾值的目的。

3 空氣凈化部分設計

結(jié)合對現(xiàn)有空氣凈化技術(shù)的優(yōu)缺點分析，該過濾裝置主要采用物理凈化方式。凈化部分包括風扇、濾網(wǎng)、紫外燈、風壓傳感器等。紫外燈、風扇和壓力傳感器受控于51單片機監(jiān)測端。

3.1 濾層結(jié)構(gòu)及其功效

3.1.1 凈化濾網(wǎng)

前置濾網(wǎng)+HEPA濾網(wǎng)+活性碳纖維濾網(wǎng)三層嵌套，可有效去除室內(nèi)空氣中的煙塵、異味等。前置濾網(wǎng)和活性碳纖維濾網(wǎng)都能直接用水清洗后重復使用，大大降低了使用成本。

3.1.2 自催化氧化網(wǎng)+紫外燈

采用表面負載納米二氧化鈦(TiO2)的泡沫鎳濾網(wǎng),其超強的氧化功能可消滅濾網(wǎng)捕捉到的細菌。配合紫外燈還可以高效降解空氣中的甲醛、苯霉菌等有機化合物，并將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，避免二次污染。

3.2 風壓測定裝置

在空氣凈化系統(tǒng)中，濾網(wǎng)的重要性不言而喻。然而隨著使用時間的增加，濾網(wǎng)的通暢度也會降低。當空氣通過濾網(wǎng)之后，污染程度反而變得更加嚴重。

該裝置在氣箱的進出風口都安裝有風壓傳感器。當空氣通過傳感器時，壓力作用在傳感器膜片上引起電阻值發(fā)生變化。通過測試進出口風壓差的變化情況，判斷濾網(wǎng)疏通度。當風壓差超過一定值時，凈化系統(tǒng)關(guān)閉，同時紅色指示燈閃爍，提醒用戶清掃或更換濾芯。

3.3 加濕器

在出風口增加濕膜材料，水通過濕膜頂部的淋水器最終被濕膜材料所吸收。當空氣通過濕膜時，水分吸收空氣熱量而汽化，將空氣進行加濕[7]。

4 環(huán)境監(jiān)測軟件設計

以51單片機作為主控器，它是整個系統(tǒng)的核心。它不僅是所有模塊連接在一起的重要紐帶，而且決定了系統(tǒng)運行過程中的智能化。

環(huán)境監(jiān)測軟件采用了模塊化設計理念[8]，穩(wěn)定性更強，利于系統(tǒng)的調(diào)試及維護。系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖 Fig.4 Flowchart of the system

當單片機接收的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)超出標準設定值時，51單片機則會通知報警器報警并啟動風機，通過凈化裝置來達到凈化空氣的目的。用戶還可以手動調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速和凈化程度。

5 試驗測試

測試過程中，將污染源放置在傳感器附近，該檢測系統(tǒng)能夠迅速感知周圍空氣環(huán)境變化，及時在LCD顯示器上顯示各污染物濃度并發(fā)出警報信號。將該裝置放在約12 m2的房間內(nèi)，啟動凈化裝置且風扇設定為最大風速，凈化效率可達91%左右[9-10]。

6 結(jié)束語

本文設計了一款基于STC89C51單片機的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與凈化裝置。該裝置運用多種傳感器及凈化設備，可以在自動監(jiān)測情況下智能凈化，保證室內(nèi)空氣始終保持在良好狀態(tài)。其LCD液晶顯示實時更新，使室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況一目了然。報警器設置提醒用戶注意空氣問題，在很大程度上避免了用戶在不知情的情況下由于長期處于劣質(zhì)環(huán)境中而損害健康。該裝置不但解決了頑固的室內(nèi)空氣質(zhì)量問題，還擺脫了二次污染的困境，可以廣泛應用于普通家庭中。

參考文獻:

[1] 邱燦彭.基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測自適應調(diào)節(jié)系統(tǒng)設

計[J].電子制作，2017(4)：77-78.

[2] 郭雙茂,馮浩,周參.采用微控制器操作系統(tǒng)的便攜式儀器設計[J].自動化儀表,2016,37(1):93-95.

[3] 朱世豪,彭克勤,彭絡峰.基于arduino的室內(nèi)空氣檢測器[J].無線互聯(lián)科技,2015(1)：191-216.

[4] 代凌云,孫百慧,蘭艷慧，等.汽車內(nèi)的空氣質(zhì)量檢測與凈化系統(tǒng)設計[J].電子技術(shù),2016(9):48-50.

[5] 曲娜,張悅.空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設計[J].電腦編程技巧與維護,2016(10):9-10.

[6] 姚佳,張自嘉,朱莉.智能室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)設計[J].電子器件,2015(2):203-208.

[7] 馮小英,朱曉倩,鄭晨穎,等.濕膜加濕器的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].山東建筑,2016(7):131-132.

[8] 閆海霞.室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀[J].哈爾濱工業(yè)大學,2014(7):64-66.

[9] 何偉剛,李政林,章帆.一種小型室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測儀器的設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016(5):73-75.

[10]郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.