室内空气净化系统(共44页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 编 号：_审定成绩：_ 毕 业 设 计 （论 文）设计（论文）题目: 室内空气净化系统设计 单 位（系别）： 自动化系学 生 姓 名： 陈鑫专 业： 电气工程及其自动化班 级： 学 号： 指 导 教 师： 张姣答辩组负责人： 潘显兵填表时间： 2016 年 5 月重庆邮电大学移通学院教务处制专心-专注-专业重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书设计(论文)题目 室内空气净化系统设计 学生姓名 陈鑫 系别 自动化 专业 电气工程及其自动化 班级 指导教师 张姣 职称 讲师 联系电话 教师单位 重庆邮电大学移通学院 下任务日期_2015_年_12_月_29 日主 要

2、 研 究 内 容 、 方 法 和 要 求1. 选用单片机作为主控制器；2. 完成部分模块的设计如温度检测模块、湿度检测模块、温湿度显示模块、电源模块、驱动电路模块、键盘输入模块和报警模块、控制模块；3. 实现系统的软件设计；4. 用PROTEL软件完成系统的原理图设计；5. 应用仿真软件Protus实现模拟。 进 度 计 划第1周第3周：查阅资料，完成英文翻译及整体方案设计；第4周第6周：完成系统硬件的设计；第7周第9周：完成系统软件的设计；第10周第12周：撰写论文、修改论文，完成答辩 主 要 参 考 文 献1 邓永光.基于单片机的室内智能通风控制系统研究D.南昌：南昌大学，2008.2 孙

3、勇.生物安全实验室空调净化控制系统的研究和应用D.西安：西安电子科技大学，2009.3 冯磊.医院多功能情报监控系统的研究D.上海：上海交通大学，2008.4 肖德玲.基于Internet的远程室内空气品质检测与评价D.西安：西安工程科技学院，2004.指导教师签字： 年 月 日教研室主任签字： 年 月 日备注：此任务书由指导教师填写，并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。摘 要在我们生活的大多数场所，为了节省能源，其建筑都是密封的。即使在安装空调系统的前提下，通常的新风量约占空调总风量的15左右，其余的85都是室内的回风，因此室内的大部分空气都在往返循环使用，所以室内常积有许多诸如病毒、霉毒

4、、细菌、真菌、烟尘、异味、化学物以及转换后的甲醛、笨、氨等污染，使室内空气质量更加恶化，污染更加严重。在卫生部组织开展的全国公共场所中央空调通风系统卫生状况监督检查结果也表明，合格率仅为6.2。人们在这样的环境下生活工作，严重危害健康和生命。本文主要对家用空气净化器进行分析设计，根据空气净化器的内部结构和各部件的工作原理，以及消费者需求进行设计。设计了一种基于C8051F020 单片机的智能室内空气净化系统，该系统主要包括气体传感器阵列数据采集模块、电机和紫外灯驱动控制模块、紫外灯灯管信号反馈模块、TFT 液晶触摸显示模块、红外遥控和蜂鸣器发声装置等，实现了空气净化过程的智能控制，提供了TFT

5、 液晶触摸显示的友好操作界面。【关键词】 单片机 数据采集 空气净化系统 ABSTRACTIn most places of our life，in order to save energy，the building was sealed. Even under the premise of installing air conditioning system，usually Xinfengliang accounted for about 15 per cent of the total air volume of air conditioning, the remaining 85% ar

6、e of indoor air，so most of the indoor air are in cyclic use，so the indoor constant product there are many， such as virus， mildew， bacteria，fungi、 smoke、smell，chemicals and turn after the decoration of formaldehyde，benzene，ammonia and other pollution， indoor air quality worse， the pollution is more s

7、erious。 The results also showed that the qualified rate was only 6.2%， the health status of the central air conditioning and ventilation system in the national public places organized by the Ministry of health. People living and working in this environment，seriously endanger the health and life。 Dua

8、l wavelength hydrogen plasma purification technology，can in does not change the existing ventilation and personnel work as usual dynamic condition，rapid sterilization，disinfection，and at the same time， improve the ambient air of oxygen。This article mainly carries on the analysis design to the househ

9、old air purifier，according to the air purifiers internal structure and the work principle of each component，as well as the consumer demand to carry on the design。Design a based on C8051F020 MCU intelligent indoor air purification system。The system mainly includes gas sensor array data acquisition mo

10、dule， motor and UV lamp drive control module，UV lamp lamp signal feedback module，TFT LCD touch display module，infrared remote control and a buzzer sound device，realize the air purification process of intelligent control，provide the TFT LCD touch display friendly operation interface。【Key words】Single

11、chip Data acquisition Air purification system 目 录前 言空气净化器的含义是指能够将大气中的各种杂质和污染物吸附、分解和消除的一种空气洁净机。其中可分解和消除的空气包括PM2.5、毛发、异味、粉尘、花粉、甲醛之类的装修污染在内的过敏原和粉尘等都是空气中必须需要去除的污染物。而空气净化器正好可以有效地消除了这样的污染，改善空气质量的产品之一，它主要使用的地方有室内，家庭，商业，工业和车辆内部等。根据国家相关标准规定，广义上对于空气净化器定义是“从空气中分离并且消除一种或多种污染空气的设备。对空气中的污染物有一定消除能力的装置。”由于经济的快速发展的同

12、时，不可避免的也带来的环境的污染，随着人民生活水平的提高，人们也对环境和生活环境质量逐渐开始关注，近几年来，在空气中已经出现的一些问题，比如雾霾、酸雨等问题的出现，空气净化器这一新型产品也由此开始流行起来，并且这已成为一种流行的环保方式。但是现有空气净化器的市场比较单一，目前太机械化的缺点，虚有其表的功能是市场普遍存在的现象。因此，通过对现有现象的基础上进行分析，我们必须在现有空气净化器系统的基础上对其再进行设计和创新将空气更好的滤清，其目的就是设计出相对容易使用的产品。本文主要对室内空气净化器进行分析设计，根据人民的需求针对内部的结构和各部件的工作原理，以及消费者对产品的需求进行设计和改造。

13、其中包括对其的系统总体结构及工作原理、系统硬件设计、软件设计等诸多问题的研究。第一章 系统概述第一节 空气净化器的研究意义一、空气质量隐患在我国，近年来我国室内空气污染状况惊人，室内空气污染对人体健康造成的威胁触目惊心，污染净化与健康的“隐形杀手”,也成为全世界各国共同关注的问题。美国专家检测发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机物，其中致癌物质就有20多种，致病病毒200多种。危害较大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。中国消费者协会公布过一项调查结果：抽样检测的新装修的住房中有七成含有有毒气体。在这样的新居中，人们往往出现、头晕、过敏性疲劳和眼、鼻、喉刺痛等不适感，世界卫生组

14、织(WHO)将此现象称为“病态建筑物综合征”。2002年8月初，中国消费者协会公布了一项调查结果：北京对30户装修后的室内环境污染物进行检测，发现甲醛浓度超标达73%，杭州对53户装修后的室内环境污染物进行检测，发现甲醛浓度超标达79%，最高的超标达30倍以上。近几年来，随着我国城镇居民的生活水平的提高，人们对自身的居住环境要求越来越高，不断改善着住房条件，从单一的增加居住面积到对住房的豪华装修。目前，我国城镇居民每年有1500亿元花费在居室装修上，据不完全统计，上海市，仅仅家庭装修市场每年产值可达200-250亿元，而且以每年10-15%的速度递增。据报道，找个室内装饰工程的市场需求量到20

15、05年以超过6000亿元，它所带动的装饰材料和家电等超过4000亿元。由室内装饰装修材料引起的室内环境污染也日益严重。另据统计，我国由于室内空气污染造成的损失，如果按支付意愿价值估计，约为106亿美元。在工业，经济，开发高度发展的同时，我们的室内环境也日益的被严重污染。二、空气净化器的作用空气净化器主要是用来净化室内空气的小型家电产品。使用空气净化器净化室内空气是国际公认的改善室内空气质量的方法。性能优良的空气净化器可有效地去除空气中的有害气体，吸附空气中的悬浮颗粒，特别是各种细菌和病毒，一般是以悬浮颗粒作为生存载体，所以也同时被清除，空气净化器对于改善室内空气质量，维护人们身体健康大为有益。

16、空气净化器可以给人们带来纯净的空气，为人们的健康保驾护航，很多特殊人群尤为适合。例如孕妇、儿童、老人、呼吸道疾病患者，办公室一族，以及长期开车、处于人多且室内污染较大的人群。纯净的空气有助于人体的生长发育，愉悦心情，提高工作效率。例如孕妇在空气污染严重的室内会感到身体不适，出现头晕，出汗，口干舌燥，胸闷欲吐等症状，对胎儿的发育产生不良的影响。患上心脏疾病的可能性是呼吸清新空气的孕妇所生孩子的3倍。而办公室一族由于工作状态大都在办公室里，每天对着电脑，少有机会运动并到室外呼吸新鲜的空气，在恒温密闭空气质量不好的环境中，容易导致头晕，胸闷，乏力，情绪起伏大等不适症状，影响工作效率，引发各种疾病，严

17、重者还可致癌。因此选择一款合适的空气净化器，对人们的生活品质是事半功倍。根据美国环保署的研究，人们在室内空间接触到空气污染物的平均程度是室外空间的2.5倍，严重时甚至可高达100倍；而国内调查表明，城市居民每天在室内的时间长达21.53小时，占全天时间的90%。因此，人体健康与室内空气净化程度关系密切，“健康呼吸”已成为迫切的需要，设计出一台能够高效便捷净化室内空气质量的净化器显得尤其重要。第二节 空气净化发展史空气净化器起源于消防用途，1823年，约翰和查尔斯迪恩发明了一种新型烟雾防护装置，可使消防队员在灭火时避免烟雾侵袭。1854年，一个名叫约翰斯滕豪斯的人在前辈发明的基础上又取得新进展：

18、通过数次尝试，他了解到向空气过滤器中加入木炭可从空气中过滤出有害和有毒气体。二战期间，美国政府开始进行放射性物质研究，他们需要研制出一种方式过滤出所有有害颗粒，以保持空气清洁，使科学家可以呼吸，于是HEPA过滤器应运而生。在20世纪50、60年代，过滤器一度非常流行，很受防空洞设计和建设人员欢迎。进入20世纪80年代，空气净化的重点已经转向空气净化方式，如家庭空气净化器。过去的过滤器在去除空气中的恶臭、有毒化学品和有毒气体方面非常好，但不能去除霉菌孢子、病毒或细菌，而新的家庭和写字间用空气净化器，不仅能清洁空气中的有毒气体，还能净化空气，去除空气中的细菌、病毒、灰尘、花粉、霉菌孢子等。现在，空

19、气净化器已经有了多种不同的设计制作方式，并且每一次技术的变革都为人们室内空气品质的改善带来显著效果。而这一切目的只有一个：希望能净化室内空气来提高人们的生活质量。目前市场上空气净化器大都主要构成有：机箱外壳、过滤段、风道设计、电机、电源、液晶显示屏等。决定寿命的是电机，决定净化效能的是过滤段，决定是否安静的是风道设计、机箱外壳、过滤段、电机。第三节 空气净化器的研究现况一、亚都空气净化器调研亚都空气净化器是以活性炭过滤网、HEPA过滤网为技术特点的空气净化器。其风格各异，整体来看，今年的产品趋于简约风格，并添加了一些人机互动的形式功能。其高端产品特点：材料趋势以实木和金属为主；造型采用有机形态

20、；操作以界面显示操作为主；给人的感受是造型独特；整体特点：独特的材质和高性能。 图1.1 亚都装修卫士净化器其中端产品的特点：材料趋势以ABS和哑光喷漆为主；造型趋于简约；操作以实体按键加小显示为主；给人的感受常规合理；整体特点：可以人机互动。其低端产品特点：材料趋势以ABS加图案为主；造型采用硬朗的线条；操作以实体按键、无界面为主；给人的感受是常规合理；整体特点：有一定的针对性主题和性价比。 适用场所:新装修的房子。相信很多刚装修的房子的朋友都知道，房间装修好以后，不能立即住进去，因为里面甲醛污染非常严重。大多情况下都是放置一个月才住进去。其实这个时候可以用亚都空气净化器（见图1.1），非常

21、有用。办公室或公共场所。这些地方因为人流大，抽烟等空气污染非常严重，也比较适合安装空气净化器。二、美的空气净化器调研美的空气净化器的整体造型简约，体量轻薄，性价比较高，以中低端产品为主，高端产品重视操作的便捷性，滤网的更换别致。其高端产品特点：材料趋势以钢化玻璃加图案为主（见图1.2）；造型简约有层次感；操作以界面显示操作为主；给人的感受专业感强；整体特点：独特的材质和高性能。其中端产品的特点：材料趋势以ABS加金属漆为主；造型简约有层次感；主要采用实体按钮或无显示操作；给人的感受是超薄；整体特点：超薄。图1.2 美的空气净化器其低端产品特点：材料趋势以ABS加高亮喷漆为主；造型简约加密集通风

22、隔栅；操作以界面显示操作为主；给人的感受是使用；整体特点：材质和高性能。三、远大空气净化器调研远大空气净化器（见图1.3）全线产品风格统一均为金属包裹密集网孔，表面光亮，汽车涂料。高中低端产品主要以性能和产品比例作为差异化，高端瘦高，中低端矮胖，均为小界面显示。表面材料趋势:金属外壳加汽车漆；造型：简洁几何加密集网孔；操作：实体按键加小显示；感受：专业感设备感强；特点：专业加色彩DIY。图1.3 远大空气进化器 第四节 章节安排本文一共分为五章，分别介绍了空气净化器的系统概述、系统总体方案设计、系统的硬件设计和软件设计、系统仿真五个章节对空气净化器做了全面的介绍分析。详细的介绍了空气净化系统的

23、组成与设计和系统的内部硬件构造和软件程序，最后的系统仿真让我们深刻理解空气净化系统的理论，理论联系实际、强化动手能力、训练创新思维。第二章 系统总体方案设计第一节 系统设计目标通过对现代人生活环境及方式的研究，从而发现一些问题，由于现代人在工作和生活方式的改变，越来越注重环境质量，而随着这种观念的深入，空气净化器的开发、设计、研究、使用必将成为现代人所关注的问题之一。而现今国内市场上的产品造型过于单一，大多缺乏新意，产品之间相似度高，无法将形式与功能统一并且相融合，而且材料浪费，二度污染的现象普遍存在。所以一款高效、节能、智能的空气净化器才是消费者最终需求。因此，针对市场上这一普遍现象，本课题

24、希望通过研讨国内外优秀的设计并通过调研分析，在现有空气净化器系统的基础上再设计与创新，设计出便于使用的，功能相对完善一款产品。为丰富国内市场，为赶上外国先进水平尽一份力。第二节 现代空气净化器弊端面对当下雾霾重污染及装修污染物肆虐的环境，为了呼吸健康，越来越多的人选择通过购买空气净化器来“搞好自己家的空气环境”。但空气净化器市场品类繁多的，存在很大的弊端。通过调查发现，目前空气净化器技术主要分为两种，一种是我们比较熟悉的传统过滤网型产品，需要定期更换滤网。另外一种是最新的逐渐受热捧的无耗材产品。传统滤网型空气净化器技术应用的比较广泛，研发成本低，占据大部分的市场份额。但传统空气净化器在净化时，

25、会把不能分解污染物吸附在过滤网上，长时间堆积饱和会再次释放回到空气中，造成二次污染危害健康。还有，传统过滤网型产品存在后续维护成本高、不能分解甲醛、不能净化超细微颗粒物等弊端，而且产品滤网寿命结束后，无法回收，只能作为垃圾处理，滤网普遍由PP熔喷纤维或者玻璃纤维构成，掩埋后很难降解，容易对环境形成了二次污染。所以一款绿色、节能、智能、清新持久的净化器才是消费者的最终需求。综合上述因素空气清新器的设计对于现代人生活方式和工作环境尤为重要。因此，在本次设计中将使用环境问题作为设计的重要因素，将环境与形态设计更好的融合。第三节 本系统功能定位空气净化器采用负离子过滤技术（负离子空气净化器：是一种利用

26、自身产生的负离子对空气进行净化、除尘、除味、灭菌的环境优化电器，其与传统的空气净化机的不同之处是以负离子作为作用因子，主动出击捕捉空气中的有害物质，而传统的空气净化机是风机抽风，利用滤网过滤粉尘来净化空气，称为被动吸附过滤式的净化原理，需要定期更换滤网，而负离子空气净化器则无需耗材）。自动识别空气质量并启动净化，让您的环境不知不觉中得到净化。触控指示灯可控制其启动与关闭节能环保。人机界面简单易懂，把操作做到最简化，避免误操作。第四节 系统总体框图设计的智能空气净化系统可对室内空气中的粉尘、甲醛、CO2等有毒有害气体信息实时采集，利用过滤膜过滤室内空气中的颗粒状污染物，利用紫外线的照射破坏致病体

27、的DNA 结构达到消毒灭菌的作用。系统启动分为自动模式和手动模式两种，自动模式中对有害气体浓度净化标准有一般、良好、优质3种标准，手动模式中的3个电机分别运行在低速、中速、高速3种状态。一般标准对应启动的是低速运行的电机，依此类推。自动模式下用户选择净化标准后即可实现净化过程的自动控制，手动模式下用户选择启动某种转速的电机，但当净化完成后还需其他手动操作。在自动模式净化过程中，空气中有毒有害气体浓度低于或等于标准值时，停止电机，高于标准值时，自动启动电机，实现了标准值下室内空气净化过程的智能控制。在手动模式净化过程中，用户可根据液晶屏显示的空气质量数据选择启动某种转速的电机，但当净化完成时电机

28、仍会运转，需手动关闭或切换其他转速或模式。室内空气中粉尘或甲醛浓度持续6h超过某一设定值，液晶屏会显示“清洗膜”，提示用户清洗或更换过滤膜。CO2含量超过设定值时，液晶屏会显示“打开窗户”，提示用户开窗。同时主控芯片通过紫外灯灯管信号反馈电路传输的信号判别紫外灯是否正常工作。为了实现对空气净化过程中的智能化控制，应该提高系统的性能与可靠性，采用C8051F020 做为控制核心芯片，系统主要包括气体的传感器阵列数据采集模块、电机与紫外灯驱动控制模块、紫外灯灯管信号反馈模块、TFT液晶触摸显示模块、红外遥控和蜂鸣器发声装置等。气体的传感器阵列有DHT11温湿度传感器、 DSM501 粉尘传感器、

29、MG811型CO2传感器、 MQ138甲醛气体传感器。系统结构框图，如图2.1所示。图2.1 系统结构框图第三章 硬件设计第一节 单片机的选择本文设计了一种基于C8051F020单片机的智能室内空气净化系统。C8051F020 是基于高速8051微控制器内核、流水线指令的结构，速度可到达25Mindication /s，4352字节的数据RAM，64k字节可以在线编辑的flash 存储器，外部64字节的数据存储器接口。内部含有真正12bit100 ksample /s的八通道ADC，真正8字节500 ksample /s 的8 通道ADC，均可以带PGA 和模拟的多路开关，和2个12 bit

30、DAC。具有8byte 宽的端口I /O口，可以同时操作的硬件SMBus( I2CTM 的兼容) ，SPITM 以及两个UART 串口。可有5 个通用的16 bit 定时器，可编程的16 bit 定时器阵列，有5 个可捕捉模块。与旧版的51 系列单片机相比，在相同成本的情况下，可靠性和速度得到了很大提高。C8051F020单片机的引脚配置如图3.1所示：图3.1 C8051F020单片机引脚配置图第二节 单片机的引脚介绍C8051F020单片机内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

31、这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。其引脚图的功能概述如表3.1所示：表3.1 C8051F020单片机引脚功能概述引脚说明VCC数字电路的电源GND地端口A(PA7.PA0)端口A为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流端口B(PB7.PB0)端口B为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流端口C(PC7.PC0)端口C为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流端口D(P

32、D7.PD0)端口D为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流端口E(PE7.PE0)端口E为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流端口F(PF7.PF0)端口F为ADC的模拟输入引脚。如果不作为ADC的模拟输入，端口F可以作为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流端口G(PG4.PG0)端口G为5位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流RESET复位输入引脚。超

33、过最小门限时间的低电平将引起系统复位。低于此时间的脉冲不能保证可靠复位XTAL1反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入XTAL2反向振荡器放大器的输出AVCCAVCC为端口F以及ADC转换器的电源，需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也应该如此。使用ADC时应该通过一个低通滤波器与VCC连接AREFAREF为ADC的模拟基准输入引脚PENPEN是SPI串行下载的使能引脚。在上电复位时保持PEN为低电平将使器件进入SPI串行下载模式。在正常工作过程中PEN引脚没有其他功能 第三节 气体质量检测一、检测气体的选择在干洁的大气中，衡量气体的组成是微不足道的。但是在一定范围的大气中，出现了原来没有

34、的微量物质，其数量和持续时间，都有可能对人、动物、植物及物品、材料产生不利影响和危害。当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害的现象叫做大气污染。室外大气污染物主要包括：粉尘/可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳等；室内空气污染物主要包括：甲醛、氟利昂，厨房油烟一氧化碳、二氧化硫、丙烯醛、等、烟草燃烧的烟雾一氧化碳、尼古丁、醛类等以及放射性物质等。本文设计的空气净化器主要对大气污染物中的粉尘、甲醛、二氧化碳等主要大气污染物进行净化和排除。二、气体传感器的选择市面上所流通的空气净化器都是能够识别多种气体并且能够监测室内温湿度，所以在

35、设计的系统中我们应要设计出能够识别不同气体、气体的温度和湿度的监控系统传感器。环境中的温度和湿度也是影响传感器测量准确性的重要环境因素，所以设计的空气净化系统应采用DHT11数字温湿度传感器，DHT11数字温湿度传感器具有单线制串行接口与微处理器通讯和数据传输等特点。MG811型CO2气体传感器对CO2气体具有较好的灵敏度和选择性，受温度和湿度的突变影响小，具有良好的稳定性、重现性。所使用的传感器电极设置在固体电解质平衡的原理，与大气中的二氧化碳发生化学反应，使传感器的电极与参考电极间的电势差( EMF) 正好符合能特斯方程。由于传感器的输出电压信号的放大器是微弱的，所以必须经运行放大电路放大

36、3倍。MQ138甲醛传感器适合醛类、芳族、醇类和酮类等有机溶剂的测定，具有稳定性好、寿命长和较高灵敏度等特点。常应用于家庭和环境的有害气体的探测装置。在检测过程中，检测到的空气中的甲醛浓度越高，传感器电导率越高。使用这样的简单电路就可以将这种电导率的变化转换成与甲醛浓度相对应的电压输出信号。三、粉尘传感器的选择韩国SYHITECH专利研发的产品DSM501粉尘传感器，其内置的加热器可以自动吸入空气，采取粒子计数的原理，PWM脉宽调制输出，可以灵敏检测直径为1m 以上的粉尘粒子，并且小巧、质量轻，便于安装和使用。常常应用于空气调节器、空气清洗机、通风设备以及空气质量检测仪上。DSM501粉尘传感

37、器的电压是5V的供电，在控制脚和地面之间需要加一个100K的电位器，以调整输出脚的敏感度四、传感器硬件电路设计系统中气体传感器阵列的数据采集主要有数字信号和模拟信号两种。DSM501粉尘传感器和DHT11数字温湿度传感器输出的数字信号可以直接与C8051F020的数字I /O 口连接，MG811型CO2气体传感器和MQ138甲醛传感器的输出信号都是模拟量，需经过AD 转换才能应用于显示和控制。如何在这个系统中的C8051F020单片机的片内是一个12 位逐次逼近型ADC，该ADC 能够可编程转换速率，最大转换速率可达100 ksample /s，误差低至1LSB。系统中8通道的外部输入可编程可

38、设置为8个单端输入或者4对差分输入，可以通过设置可编程增益放大器实现0.5倍16倍的放大增益选择，具有数据相关窗口中断发生器，且内置温度传感器。在AD初始化中可以通过输写寄存器将AD设置成单端输入，增益为1，采样率为100 ksample /s，由定时器3 溢出启动转换，可使能内置温度传感器、片内的参考电压以及ADC中断。气体传感器阵列与C8051F020单片机的连接如图3.2所示。图3.2 气体传感器阵列与C8051F020 连接图第四节 继电器控制电路继电器用于控制电路的连接与断开，常用的型号有线圈电压为6V、12V、24V，综合考虑继电器功率和所选电源等因素，选用线圈电压为12V的继电器

39、。本文需要完成三路信号的控制，就需要设计三个继电器。继电器1控制电磁离合器l的启闭，继电器2控制电磁离合器2的启闭，继电器3控制等离子发生电路的启闭。C850F020单片机IOA6口的控制高低电平信号先经光电耦合器PS2501放大，将放大的信号再经过三极管3904进一步放大来驱动继电器工作，其电路原理如图3.3所示。图3.3 继电器控制原理图第五节 电机和紫外灯控制电路系统的发动机和紫外线的控制，是整个系统的重要组成部分。电机的风扇转动是在单片机的控制下进行的。使室内空气的空气净化系统形成循环，工作条件相适应的达到杀菌效果。该系统可分为控制端和控制终端，控制端的操作都是可通过红外控制终端来实现

40、的。根据系统的要求，设计提供了一个用来照射杀菌的紫外灯和3 个交流的单相异步电机。且三个电机分别对应着低速、中速、高速三种运行状态。在控制端手动模式下用户能够根据在空气净化系统显示下的空气质量数据触摸屏幕进行选择启动不同种运行状态的电机。可用24V的继电器与三极管构成的驱动控制电路分别能与主控芯片的P4.0 P4.3端口相连接，分别对低速、中速和高速3 种转速的电机与紫外灯实现控制。该系统还可用于气体传感器阵列和空气质量数据采集模块的数据处理过程的自动调节和控制，例如在自动模式的一般标准下，系统净化开始时主控芯片的P4.2和P4.3端口将输出高电平驱动低速的电机与紫外灯，处理过程中有毒有害气体

41、在大气中的浓度值是小于或等于的一般标准时，P4.2端口将输出低电平，会断开低速电机回路，低速电机将停止运行，危险和有害气体的浓度高于平均值将自动重新启动电机，一般，良好、优质的净化标准分别对应的启动电机的低速、中速和高速。在这样的自动模式下就很好的实现了室内空气净化过程的智能控制。系统的紫外灯和电机都是采用220V供电的标准，其标准性能稳定、控制便捷，控制电路如图3.4所示。图3.4 电机和紫外灯控制电路第六节 TFT液晶触摸显示大部分的室内空气净化器采用LCD12864作为输出显示器，其关键是采用传统的控制方式。本文设计的空气净化系统是采用集成ILI9320驱动的3.2inch TFT的液晶

42、触摸屏。TFT液晶屏有种颜色，分辨率达到240像素320像素，并且带有触摸功能，为系统方便的提供了友好的人机交互的界面。ILI9320的接口为37 引脚的FPC软排线，可以支持i80 /8-bit、i80 /16-bit、VSYNC 以及SPI 等多种通讯模式。系统是采用了i80 /16-bit模式，其与液晶屏直接连接，ADS7846是德州仪器生产的一款四线电阻触摸屏驱动专用驱动芯片，可以自动采样电压的X轴，Y轴的电压值，然后可以通过标准SPI协议发给MCU，操作便捷，精确度高。对于当释放和触摸在按下过程中存在的抖动问题，可以通过软件进行键消抖，触摸屏驱动电路如图3.5所示。图3.5 触摸屏驱

43、动电路第七节 电源转换电路本文设计系统中需要多路电源分别给各气体传感器、单片机及驱动继电器供电。其中5V电源用于给C02传感器MG811、单片机C8051F020和继电器供电，6V电源给有害气体传感器MQ138供电。本文首先采用9V充电器将220V交流电源转化为9V直流电源。再经正输出稳压器LM7805,LM7806分别获得5V和6V供电电源。具体电路设计如图3.6所示。图3.6 电源电路图第四章 软件设计第一节 总体结构设计 根据功能需求分析和系统设计的硬件，室内的空气过滤系统的要求，程序可分为以下几个部分：初始化程序、显示器控制子程序、传感器信号采集处理子程序、定时子程序、中断处理子程序、

44、触摸控制子程序、电机驱动控制子程序、紫外灯灯管检测子程序、红外信号处理子程序、蜂鸣器控制子程序，其总体结构的设计如图4.1所示：图4.1 控制系统软件总体设计方框图第二节 主程序流程图根据总体设计，各模块处理子程序依赖于主程序的调度，共同完成控制系统功能。主程序流程图如图4.2所示，系统上电后屏幕显示各种参数，模式选择后启动运行，模式间可互相切换。图4.2 控制系统主程序流程图第三节 各子程序一、红外遥控设计在本次的设计当中，当系统启动时，在一定范围内可以通过红外遥控器对该设备进行控制。并且遥控器也可以设定系统的预警值和开启或关闭风扇以及负离子空气净化装置。二、液晶屏显示设计设计采用的是LCD

45、1602液晶显示屏，单片机将检测并处理完成的传感器数据实时发送到液晶屏，然后显示屏通过一个直观的数据显示出来，使操作人员可以更直观的观测到所想检测的空气质量数据。图4.3 液晶屏显示流程图第五章 系统仿真第一节 proteus软件概述Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA 工具软件，可完成从原理图布图、PCB 设计、代码调试到单片机与外围电路的协同仿真，真正实现了从概念到产品的完整设计，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010 年又增加了Cortex和DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。Proteus软件主要具有以下特点： 具有强大的原理图绘制功能。 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路的系统仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑