一种基于AVR单片机的空气净化器控制系统

段仲麒

DUAN Zhong-qi

（常州大学 信息科学与工程学院 ，常州 213016）

0 引言

空气净化技术是近二十年来随着现代科学技术，现代工业的发展而逐步形成的一门综合性新技术。室内空气净化器是实现空气净化的最直接、便捷的仪器，随着室内空气污染性质的不断变化与污染程度的加大，室内空气净化器技术也得到了快速地发展。目前空气净化器产品有以下几种：机械过滤式净化器、机械过滤吸附式净化器、静电式净化器、负离子净化器和紫外光空气净化器等。紫外光空气净化器，是利用了紫外线的原理通过紫外线的照射，穿透微生物的细胞膜，破坏各种病菌，细菌，寄生虫以及其他致病体的DNA结构，毁坏其核酸分子键，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，从而达到消毒灭菌的作用。本文采用工业设计理论中AVR单片机的智能控制方式，并结合传感器的数据采集功能，设计出能够实现紫外光线菌与室内通风功能的新型空气净化器，对室内空气净化技术的研究具有重要的促进意义。

1 空气净化器设计

1.1 空气净化器总体设计

本控制系统是控制工作在单相额定电压110V家用和类似用途的空气净化器，净化器主要功能是对室内空气中的固态、气态污染物进行通风、过滤和消毒，通过紫外光灯管发射的紫外线进行杀菌。功能需求模块如图1所示。

图1 空气净化器控制系统功能需求模块图

传感器数据采集模块利用传感器对外部信号进行采集与处理功能的实现，分为运动传感器与化学传感器两个分支。运动传感器为LHi878热释红外传感器，用于检测移动的人体红外信号源；化学传感器为TGS气体传感器，用于检测甲烷和丙烷等可燃性气体、一氧化碳、硫化氢等有毒气体，以及酒精等各种气体浓度。电源电路模块是整个控制系统的供电核心，空气净化器的电源经外部变压器输入了110V的交流电压，电源电路首先将电压进行降压，转换为12V电源，然后经过桥式整流与直流变换得到12V的直流电源，为其它模块提供5V工作电压。

紫外光灯管的导通控制是利用ATmega 128单片机指令来实现的。其控制电路同样是通过单片机控制可控硅驱动光耦MOC3023来实现的，通过ATMEGA128单片机通过可控硅驱动光耦MOC3023，驱动Philips紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作并完成电路设计与程序的编写；红外遥控模块一般分为两个部分，红外发射器与接收电路，由于项目中委托企业已经设计出了红外发射器部分，并提供了每个按钮发射的红外波形与时序，在本文中只需设计出红外接收电路，与红外遥控程序即可。

1.2 传感器数据采集模块设计

本系统使用两个不同类型的传感器，用于采集外界信号，分别是热释电型红外传感器与空气质量检测传感器。

1.2.1 气体传感器数据采集模块设计

为了提高系统中传感器的使用寿命，节省控制系统的消耗，在本项目的设计中，我们采用的是间接加热方式，使用了55L104G场效应管，对于传感器的电路进行导通与切断的控制。55L104G管的导通控制是通过ATmega128的PB6引脚来实现的，由单片机程序控制，当55L104G管导通时，电路对TGS800传感器进行加热，传感器可正常工作来采集数据；而当单片机发出断开指令的时候，TGS800则不被加热，传感器处于等待状态。

单片机端口为ADC的模拟输入引脚，在这里被用作传感器采集信号的输出端口，根据TGS800传感器的特性知道，其输出端口的电压值将随着检测的空气质量不同而发生变化，单片机首先进行采样，并将根据电压的变化范围与幅度来判断当前空气质量。

1.2.2 红外传感器数据采集模块设计

LHi878热释红外传感器，用于检测移动的人体红外信号源，本空气净化器项目中设计的Lhi878传感器的数据采集模块所使用的放大电路结构。当捕捉到移动的红外源（如走动中的人体）时，传感器的信号放大电路输出通道4所采集的脉冲信号。该脉冲信号经由LM358和其外围元件所组成的两级放大电路放大后输出至整形电路。红外信号经过滤波和放大处理后仍为不规则的带尖峰的脉冲信号。要想单片机能得到可靠稳定的信号，还需要对DataOut1进行整形处理。

考虑到设计的便利与节约性，在程序的处理中，不再对信号进行采样，而是直接采用单片机的查询进行处理，当单片机PD2端口检测到脉冲信号的时候，通过查询程序，直接调整交流电机的转速，也即发生脉冲信号的时，电机将保持在“高速”状态下运行。

1.3 硬件模块设计

硬件模块主要是对其硬件功能电路进行设计，主要的电路包括了系统的电源控制电路、电机驱动与控制电路、紫外灯管驱动与控制电路、液晶显示器控制电路、红外遥控接收电路、功能按键电路以及JTAG仿真电路和单片机程序下载电路等，硬件模块总体结构如图2所示。

图2 控制系统硬件模块总体结构图

由结构图可以看出，电源控制、电机驱动控制、灯管驱动控制是属于系统的驱动控制部分的，在硬件设计中将其设计到驱动控制电路板上；而传感器数据采集控制、显示器控制、红外遥控、功能按键以及JTAG仿真、ISP下载电路都是属于单片机主控制模块，将这些设计在主控制电路板上。

1.4 软件设计

根据系统的功能需求分析与硬件模块的设计结果，紫外线空气净化器对于软件程序的需求可以分为以下七个部分：端口初始化程序、传感器采集信号处理程序、显示器控制程序、电机驱动程序、紫外灯管驱动程序、红外信号处理程序和按键功能程序，其总体结构的设计如图3所示。

可以看出，单片机主要的驱动程序为电机与灯管的驱动控制，而其它部分则为单片机的主控制部分。而事实上，每个部分都是紧密相关的，每个功能模块对于程序的整体设计都是非常重要的，都是通过ATmega128单片机程序，才能使空气净化器控制系统运行起来。

图3 控制系统程序总体结构图

2 结束语

本文研究的紫外线空气净化器属于新型的，半智能式的空气净化产品，仪器的控制系统基于AVR单片机进行软硬件模块设计与开发，并且创新式地设计了气体传感器与红外传感器数据采集模块，分别用于采集室内空气质量和移动人体红外信号强弱，以完成仪器随外部环境自动调整工作状态的功能。此紫外光室内空气净化器控制系统的基本功能已实现，且试验运行基本稳定，待进一步的测试后推广。

[1]张妍,李振海. 室内空气净化器性能指标的探讨[J]环境与健康杂志, 2007, (06).

[2]王峰,张吉光,许娜. 室内空气污染的主要控制技术[J]环境卫生工程, 2009, (05).

[3]闫朝文,张丽,孙东宁.基于CPLD的光催化空气净化器控制系统设计,2010,(11).