Design of Intelligent Indoor Air Purification System*

YAO Jia，ZHANG Zijia，2*，ZHU Li

(1.Department Of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210000，China)

Design of Intelligent Indoor Air Purification System*

YAO Jia1，ZHANG Zijia1，2*，ZHU Li1

(1.Department Of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210000，China)

The purification of indoor air can improve the air quality in our working and living environment．An intelligent indoor air purification system based on C8051F020 microcontroller was designed．The system includes data acquisition module，driver control module of motor and UV light，feedback signal detection module of UV lamp，TFT LCD touch display module，infrared remote module and the buzzer sounding module．An intelligent control of indoor air purification was implement，and a friendly interface TFT LCD touch display was provided．Experimental results show that the system is reliable，stable，and effective，which can be adapted to different applications．

C8051F020 microcontroller;indoor air purification system;intelligent control;friendly interface

随着工业发展和现代化进程的推进，全球空气污染日益严重，人们生活和工作的室内空气质量也逐渐变差［1］。室内空气的污染不但严重影响了人们的日常生活而且危害了人类的身体健康，因此为保证身体的健康和良好的工作环境，出现了各种室内空气净化器。目前，空气净化器主要包括机械过滤吸附式、静电式、负离子式、紫外光式等［2］，它们大多操作繁琐，并且成本较高。基于C8051F020单片机的智能室内空气净化系统，以C8051F020单片机为控制核心，结合过滤膜和紫外光杀菌技术，通过对气体传感器阵列的数据采集，实现了对粉尘、甲醛、CO2浓度的实时监测，在自动模式下通过对这些空气质量数据的监测实现净化过程的自动控制，在手动模式下可自主选择启动某种转速的电机，结合3．2 inch TFT液晶触摸屏提供的友好人机交互界面，以及红外遥控功能和蜂鸣器发声装置，实现了对空气净化过程的智能控制，在系统性能优越性、成本、以及可靠性上做出了较大的改善。

1　系统总体结构及工作原理

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，自动停止电机，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6 h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。为实现对空气净化过程的智能控制，提高该系统的性能和可靠性，采用C8051F020为控制核心，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。气体传感器阵列包括DHT11温湿度传感器、DSM501粉尘传感器、MG811型CO2气体传感器、MQ138甲醛传感器。系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图

2　系统硬件设计

2．1微控制器选择

目前微处理器种类繁多，C8051F020基于高速8051微控制器内核、流水线指令结构，速度可达25 Mindication/s，4 352 byte内部数据RAM，64 kbyte可在线编程的flash存储器，外部64 kbyte数据存储器接口。内含真正12 bit 100 ksample/s的8通道ADC，真正8 bit 500 ksample/s的8通道ADC，均带PGA和模拟多路开关，以及2个12 bit DAC。具有8 byte宽的端口I/O，可同时使用的硬件SMBus (I2CTM兼容)，SPITM以及两个UART串口。具有5个通用16 bit定时器，可编程的16 bit定时器阵列，有5个捕捉模块［3］。与以前的51系列单片机相比，在同等成本的情况下，可靠性和速度有了很大提高。

2．2气体传感器阵列

所设计的空气净化系统需要能识别多种气体并且要监测室内温湿度，因此系统中需要多种气体传感器［4－6］。

DSM501粉尘传感器是韩国SYHITECH专利产品，内置加热器可自动吸入空气，采用粒子计数原理，PWM脉宽调制输出，可灵敏检测直径1 μm以上的粒子，且尺寸小质量轻，易于安装使用。多应用于空气清洗机、空气调节器、空气质量检测仪以及通风设备上。DSM501粉尘传感器采用5 V供电，在控制脚和地之间加100K的电位器，调整输出脚1的敏感度。

MG811型CO2气体传感器对CO2有良好的灵敏度和选择性，受温湿度的变化影响小，具有良好的稳定性、再现性。该传感器采用固体电解质电池原理，置于CO2气氛中时，电极会发生化学反应，传感器敏感电极与参考电极间的电势差(EMF)符合能特斯方程。由于传感器输出的电压信号比较微弱，需经运放放大电路放大3倍。

MQ138甲醛传感器适宜醇类、醛类、芳族和酮类等有机溶剂的探测，具有寿命长、稳定性好和较高的灵敏度等特点。应用于家庭、环境的有害气体探测装置。在检测过程中，空气中甲醛浓度越高，传感器的电导率就越高。使用简单的电路即可将这种电导率的变化转换为与甲醛浓度对应的电压输出信号。

环境温湿度也是影响传感器测量的重要环境因素，所设计的空气净化系统采用了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。

气体传感器阵列的数据采集［7－9］主要分为数字信号和模拟信号两种。DSM501粉尘传感器以及DHT11数字温湿度传感器输出数字信号可直接连接C8051F020的数字I/O口，MG811型CO2气体传感器以及MQ138甲醛传感器的输出信号是模拟量，需经过AD转换才能用于显示和控制。本系统采用C8051F020单片机片内的一个12位逐次逼近型ADC，该ADC具有可编程转换速率，最大可达100 ksample/s，误差低至±1LSB。8通道的外部输入可编程设置为8个单端输入或4对差分输入，可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初始化中通过写寄存器将AD设置为单端输入，增益为1，采样率为100 ksample/s，由定时器3溢出启动转换，使能内置温度传感器、片内参考电压以及ADC中断。气体传感器阵列与C8051F020单片机的连接如图2所示。

图2　气体传感器阵列与C8051F020连接图

2．3电机和紫外灯控制电路

电机和紫外灯的控制是整个系统至关重要的部分，电机将在单片机的控制下带动风扇转动，使室内空气形成循环，调整空气净化系统的工作状态与杀菌效果。该系统可分为控制端和控制终端，控制端的操作均可通过红外控制终端实现。根据系统的需求，所设计的空气净化系统采用1个照射杀菌的紫外灯和3个交流单相异步电机［10］，且3个电机分别对应低速、中速、高速3种运行状态。在控制端手动模式下用户可以根据空气净化系统显示的空气质量数据触摸屏幕来选择启动哪种运行状态的电机。利用24 V继电器和三极管构成的驱动控制电路分别与主控芯片的P4．0～P4．3端口相连，分别对高速、中速、低速3种转速的电机和紫外灯实现控制。系统还可以采用气体传感器阵列数据采集模块采集的空气质量数据自动调节和控制净化过程，例如在自动模式一般标准下，净化开始时主控芯片的P4．2和P4．3端口输出高电平驱动低速的电机和紫外灯，净化过程中空气中有毒有害气体浓度低于或等于一般标准值时，P4．2端口输出低电平，断开低速电机回路，低速电机停止运行，有毒有害气体浓度高于一般标准值时，再自动启动低速电机。良好、优质净化标准分别对应启动中速和高速电机，自动模式下就实现了室内空气净化过程的智能控制。紫外灯和电机均采用220 V供电，性能稳定、控制简单，控制电路如图3所示。

图3　电机和紫外灯控制电路

2．4灯管信号反馈电路

所设计的空气净化系统为了确保空气净化过程中紫外灯能正常工作，设计了灯管信号反馈电路。灯管信号反馈电路的作用是将紫外灯管当前的状态信号检测、输出给C8051F020的P7．5端口，如图4所示，接线端LAMP_IN为灯管的状态检测引脚，选择LM393构成的比较器电路作为紫外灯灯管反馈信号的检测电路，C8051F020的P7．5端口对接线端LAMP_IN的状态进行检测，若紫外灯正常工作接线端LAMP_IN检测到高电平，反之则检测到低电平。

图4　灯管信号反馈电路

图5　ILI9320与液晶屏连接电路

2．5TFT液晶触摸显示

大多数室内空气净化器都采用LCD12864作为输出显示器，并采用传统的按键控制方式。本文所设计的空气净化系统采用集成ILI9320驱动的3．2 inch TFT液晶触摸屏。TFT液晶屏颜色丰富，可达262 144色，分辨率为240像素×320像素，且带触摸功能，为系统提供了友好的人机交互界面。ILI9320［11］接口为37引脚的FPC软排线，支持i80/ 8-bit、i80/16-bit、VSYNC以及SPI等通讯模式。系统采用了i80/16-bit模式，其与液晶屏连接方式如图5所示。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X轴、Y轴电压值，然后通过标准的SPI协议发送给MCU，操作简单，精度高［12］。对于触摸在按下和释放过程中的抖动问题，可通过软件进行键消抖。触摸屏驱动电路如图6所示。

图6　触摸屏驱动电路

3　软件设计

3．1软件总体结构设计

根据系统的功能需求分析与硬件模块的设计，室内空气净化系统对于软件程序的需求可以分为以下几个部分: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、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7所示。

图7　控制系统软件总体设计方框图

3．2控制系统主程序流程

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8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。

4　实验结果显示

传感器阵列及控制驱动模块连接实物图如图9所示。为了测试该系统，选定在一个体积为20 m3的办公室内进行测试。选择室内空气净化系统在自动模式优质标准下，传感器阵列采集当前室内空气温湿度以及甲醛甲苯浓度、空气灰尘浓度、二氧化碳浓度数据，经单片机转换后显示出净化之前空气质量数据如图10所示。此时空气质量低于设定的优质标准，系统自动启动紫外灯和高速电机，对空气进行净化，并在屏幕上显示当前室内空气质量实时数据，一段时间后，空气质量达到设定的优质标准，高速电机停止工作，显示当前室内空气质量优质，传感器阵列采集当前室内空气质量数据显示如图11所示。净化后，室内空气温湿度基本不变，甲醛甲苯浓度、空气灰尘浓度、二氧化碳浓度明显减少，室内空气质量得到显著改善。

图8　控制系统主程序流程图

图9　控制驱动主板连接实物图

图10　净化前

图11　净化后

5　结束语

设计了一种基于C8051F020单片机控制原理的室内空气智能净化系统。在传统化学、物理和紫光灯杀菌净化原理基础上，结合传感器技术以及传感器数据采集原理，利用C8051F020单片机控制原理，使用工作效率高的交流单相异步电机，集显示、触摸、遥控于一体，完成了室内空气智能净化系统的设计。实验表明该系统性能稳定、功能性强、操作简单、净化效率高并且节能环保，可广泛用于医院、宾馆、学校等人员密集场所或对空气质量有特别要求地方。

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姚佳(1988－)，女，汉，江苏扬州人，南京信息工程大学信息与控制学院在读研究生，主要研究方向为智能仪器仪表、检测技术与系统集成，yaojia1220 @126．com;

张自嘉(1964－)，男，汉族，河南南阳人，南京信息工程大学信息与控制学院教授，硕士生导师，主要研究方向为现代传感器、嵌入式检测技术等，zhzijia@126．com。

EEACC:772010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．043111

智能室内空气净化系统设计*

姚佳，张自嘉，2*，朱莉
(1.南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044;2.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，南京210000)

对室内空气的净化，可提高人们工作和生活环境的空气质量。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液晶触摸显示的友好操作界面。实验证明该系统具有可靠性高、性能稳定、效果明显等特点，可适应不同的应用场合。

C8051F020单片机;室内空气净化系统;智能控制;友好操作界面

TP23

A文献标识码:1005－9490(2015)01－0203－06

2014－01－16修改日期:2014－02－19

项目来源:国家自然科学基金项目(61172029，51206082，61302189)