基于单片机的便携式车载空气净化器

毛 飞 曹 妮 范梦颖 陈付毅

（温州医科大学生物医学工程系，浙江 温州325035）

0 引言

自2013年全国性的雾霾天气后，雾霾问题引起极大关注。本文研究的便携式车载空气净化器主要针对要求洁净空气应对PM2.5的人群。该装置实用性强、可随车携带、直流蓄电池供电。选用51系列单片机和低功耗、灵敏度高的气味传感器和灰尘传感器组成空气污染监测控制系统。当任一空气污染度超标时,可进行警报提示、液晶显示来提醒人们启动微型轴流式引风机，负离子空气净化部分提供洁净的空气。

和现有的车载空气净化器系统相比，本文涉及的系统具有以下的特点：（1）灰尘颗粒和气体的共同探测功能提高了对空气污染检测的全面性；（2）人机交互功能性强，可自主选择自动和半自动操作模式。

1 系统工作原理

1.1 净化探测参数

该系统选择粉尘颗粒和气体浓度作为净化探测的两个重要参数。因此，需要运用灰尘和气味探测器来组成双功能驱动净化的系统。双功能探测使得净化更全面，既能探测出PM2.5颗粒引起的灰尘污染也能探测如甲醛、苯蒸汽等有害气体空气污染。从而使探测参数更全面、准确。

1.2 系统方案设计

图1所示为具有自动净化功能的单片机系统原理图。系统划分的信号采集模块和信号处理模块两部分。

图1 系统原理图

1.2.1 信号采集模块

信号采集模块是由灰尘探测器和气味探测器组成。GP2Y1010AU0F是一个采用光学原理的灰尘传感器。主要由红外线发光二极管和一个光电管成对角布置而成。它通过检测空气中的尘埃的反射光形成脉冲模拟输出区分车内的烟尘规格。当检测的灰尘颗粒>PM2.5时，输出电压V1.

气味传感器MQ135所使用的气敏材料是在洁净空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气污染气体浓度的增加而增大。用简单电路将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号V2。MQ135传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其它有害的检测也很理想。

1.2.2 信号处理模块

信号处理模块分为A/D转换器和CPU8051控制器两个功能模块，如图2所示。

图2 单片机控制电路原理图

经过前置放大器放大之后，灰尘信号和气味信号转换结果进入A/ D转换。LM393转换器将模拟信号转换成数字信号发送给CPU.CPU将该信号和程序中设置的数值比较后才决定打开继电器。这些继电器控制着启动净化警报和净化操作等级控制装置。在用户想要换气但是净化系统还未开启的情况下，用户也可使用按键控制净化系统。警报有两参数设置 （灰尘颗粒和气体浓度）系统分别默认为PM2.5值和100ppm。只要其一达到预警值，即警报启动。显示屏显示“您的空气需要被净化”字样，实现智能的人机交互。

1.3 过滤网负离子功能

美国环保署EPA实验室研究发现对于空气净化（除尘）而言：

1）滤网拦截 对越大的粒子效果越好。

2）负氧离子中和沉降 对越小的粒子效果越好。

本系统采用具有负离子功能的过滤网，综合了两者的优点，除尘效果非常好。

负离子是利用所谓的电晕放电方法来产生带电分子，也就是离子。负离子与空气中的细菌、灰尘、烟雾等带正电的微粒相结合，并聚成球降落而消除PM2.5危害。

2 控制电路设计

控制电路主要由STC89C51单片机、A/D转换器LM393、LCD显示、引风机除尘以及其他电路组成,以下介绍了3个模块的电路设计。

2.1 LM393转换电路设计

模数转换电路的作用就是将模拟量转换成数字量，以便于单片机进行处理。A/D转换芯片选用LM393，它比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；但其响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路就可直接驱动。LM393转换电路如图3所示

图3 LM393（A/D）模数转换电路

P1为STC89C51的控制引脚VCC（电源正输入（+5V））、DOUT（TTL电平信号输出口）、AOUT（模拟信号输出口）、GND（电源负输入）的直插接口，用跳线与CPU的控制口相连配合程序即可对输入的信号进行数模转换。

2.2 显示接口电路设计

当下显示器主要运用LED和LCD。两种显示都是低功耗且配置灵活，容易连接到微控制器。本设计运用12864液晶显示模块，电源供电电压为5V，可按需选择串行或并行方式.。控制引脚通过跳线与单片机控制口相连配合程序即可实现图像或汉字的显示。12864液晶电路如图4所示，其中，外接电位器10KΩ主要用来调节液晶的对比度。

2.3 键盘接口电路设计

本系统按键较少，因此采用键盘与接口直接相连的方式，以接口的高低电平控制键盘的开和关。

图4 12864液晶显示电路

（1）自动半自动控制:默认状态下，净化系统处于自动控制状态，环境达到一定条件就可以触发净化器工作。此按钮可按用户需要，自主选择自动或手动模式。

（2）风速控制:风速控制设计成一个按键，根据按键的次数分低速、中速、高速三个风速档位以及一个关机状态。

（3）显示控制:默认状态下显示屏显示当前空气质量情况及系统工作状态，也可使用此按键对近一个星期的空气净化历史情况进行查询。

3 软件系统设计

系统的软件设计使用C语言编程。软件的模块化设计，有利于修改和调试。程序分4部分：主程序、计时中断服务子程序、调速子程序、显示子程序。主程序首先对数据寄存器和外围电路进行初始化，随后进入查询状态，当按键有输入或参数达到设定值时便调用相应的子程序。液晶显示，指示当前工作状态。

计时中断服务子程序设计框图如图5所示。系统每工作15分钟，便产生一次中断，进行计时存储处理后，返回主程序。空气净化记录标志为1代表未记录的净化历史数据，为0表示数据已记录。

风速调整子程序，根据按键次数的不同及空气质量情况，系统将机器调整为低、中、高风速和关机状态，如未按键且处于开机状态5分钟即进入自动调速。

图5 中断服务子程序设计框图

［1］2015-2020年中国车载空气净化器行业市场调查及前景预测报告[OL].中商情报网http://www.askci.com 2014/12/23.

［2］基于单片机的智能火警系统设计[J].微型机与应用,2013,12,32(23):27-28.

［3］基于单片机的便携式空气净化器[J].单片机开发与应用,2009,25(10-2).