一种基于Arduino平台的家庭空气质量检测加湿净化器

许晓明，王海滨，伍　迪，赵雪梅，黄凡彧

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)



一种基于Arduino平台的家庭空气质量检测加湿净化器

许晓明，王海滨*，伍迪，赵雪梅，黄凡彧

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

摘要：为实现对家庭温湿度和可吸入颗粒物浓度的实时监测，改善生活空间的空气质量，设计一款空气净化器。以传感器技术为基础，基于Arduino单片机平台为核心，采用传感器进行数据采集，对室内温度、湿度、可吸入颗粒物浓度进行实时监测，当超过系统设定值时自动实现进行加湿和净化功能，保证室内的空气质量，具有操作简单、自适应特点，适合在家庭、办公场所使用。

关键词：空气质量监测；Arduino；空气净化

0引言

近年来随着科学不断发展，我国经济稳步增长，但环境状况越来越差，雾霾肆虐，人们开始渴望绿色环保的生活。在冬季，雾霾等大气污染已经严重危害人们的身心健康和生活环境[1]。在室内，空气与外界环境空气的交换越来越少，二手烟尘、厨房油烟等室内污染物不断积累，非常容易引起人的一系列不适的症状[2]。

针对这种状况，家用小型空气净化器的研究发展成为必然[3]。而目前，因为市场环境的成熟、空气净化技术的提升、产品设计的不断完善、人们环保意识的增强，空气净化器已成为越来越多的人健康生活的选择。本文结合单片机技术和传感器技术，利用Arduino单片机平台作为中央处理器，设计一款小型的家庭空气质量检测加湿净化器，对室内的空气温度、湿度和可吸入颗粒物浓度进行实时检测并能够加湿空气、净化空气，帮助人们提高居住生活空间的空气质量，可以享受健康绿色的生活。

1系统结构设计

根据目标功能设定，实现对家庭的空气质量进行实时检测并及时净化空气的目的，本系统设定四个模块，包括数据采集、数据分析、数据处理、数据存储[4]。每个模块组成如系统构架如图1所示。

系统工作原理：系统工作，传感器检测空气参数，将温度、湿度、可吸入颗粒物浓度等参数转化为数字信号传递给数据采集模块，当信号超过初始设定值，数据处理模块开始工作，并将数据保存于存储器上，进行后期数据处理。

图1　系统构架Fig.1 System architecture

研究表明，冬季室内温度18～25℃，湿度30%～80%，夏季室内温度23～28℃，湿度30%～60%时，人的身体感觉最舒适，心情放松[5]。由此得到表1的空气质量检测指标。

表1　空气质量检测指标

2系统总体设计

2.1单片机的选择

控制系统的核心控制选用Arduino单片机，用来满足系统设定的测温、测湿、测PM2.5的功能。Arduino单片机是一种使用广泛的开源电子平台，包括各种型号的硬件和软件资源，适合对编程、电子电路零基础的新手使用。Arduino系统优点如下：

(1)硬件平台开放，程序开发可以免费下载，开发者根据需求自行修改。

(2)能与红外线、热敏电阻、伺服马达等各类传感器相连，也能和电阻、电容、电感、电位器和变压器等电子元件连接[6]。

基于以上优点，中央处理器采用Arduino单片机来进行分析和控制。

2.2硬件电路设计

在整个控制系统功能模块设计中，以Arduino单片机作为中央处理器，连接数据采集模块与数据处理模块，将标准电压220 V 的交流电直接给净化单元和加湿单元供电，再经过变压器降压整流到5 V电压给单片机、温湿度传感器及其它器件进行供电。Arduino单片机作为系统核心，控制所有硬件结构，如图2所示。

图2　系统硬件结构原理图Fig.2 System hardware structure diagram

3硬件选择

3.1传感器选择

3.1.1DSM501灰尘传感器

DSM501是一种可以检测到1μm以上微小粒子的粉尘传感器，能够精确地检测到烟雾、花粉、灰尘等可吸入颗粒物。DSM501传感器内部通过加热，让空气流经传感器，这个过程中可以检测到粉尘颗粒，使传感器输出线性关系的脉冲，单片机检测到脉冲就分析出空气中粉尘粒子浓度，达到检测空气的目的[7]。

图3是DSM501灰尘传感器采用粒子计数原理的原理图，它本身体积小，便于安装，内置气流发生器，可以自行吸引外部气体，保养简单，可以长久地保持传感器精度[8]，适合净化器长期工作的特性。

图3　DSM501灰尘传感器结构原理图Fig.3 DSM501 dust sensor structure diagram

3.1.2DHT11数字温湿度传感器

DHT11传感器由两部分组成，电阻式感湿元件和NTC测温元件，是一种温度湿度复合传感器[9]。因为具有反应快、输出量准确等优点，在各种测试和检测设备中被广泛使用。

DHT11数字温湿度传感器精度高，可以测量0℃到50℃的温度范围，测温误差在±2℃以内；相对湿度的测量范围在20%RH到90%RH，误差在±5%RH以内。这种传感器采用4针单排引脚安装，接口简单，可直接与Arduino单片机连接。连接电路原理如图4所示。

图4　DHT11数字温湿度传感器电路连接原理图Fig.4 DHTll digital temperature and humiditysensor circuit connection diagram

3.2A/D转换器选择

传感器检测的温度、湿度等物理信息属于模拟信号，需要将模拟量转换为能够被单片机处理的数字信号，因此采用 ADC0809转换器。

ADC0809是一种8位逐次逼近式转换器，有两排各14条引脚，IN0～IN7引脚是8路模拟量的输入端[10]。引脚VCC输入电压0 V到5 V，功耗低，可以和单片机直接接口，引脚结构如图5所示。

图5　ADC0809引脚结构图Fig.5 ADC0809 pin structure diagram

3.3显示器选择

1602字符液晶是一种用于显示数字、字母的显示屏，它能够同时显示 32 个字符(2 行16 列)。1602液晶显示屏是基于HD44780 液晶芯片控制的的，有14引脚或16个引脚(多出2引脚用于背光电源正负极连接)。1602液晶显示屏最佳工作电压：5.0 V，工作电流：2.0 mA，引脚可以直接与Arduino单片机相连。

4软件设计

Arduino单片机平台是一种开源电子平台，程序设计都采用模块化。由于 Arduino的硬件和软件都是开放的资源，这意味着代码以及程序设计可以被任何人使用、加工和发布，直接下载使用。本系统的软件编程直接下载使用。

本空气净化器控制系统主要是通过核心处理器控制相关元器件和电路来实现系统功能，由主控制模块和驱动控制模块控制实现。图6为系统软件原理框图，核心控制是Arduino单片机。

图6　系统软件原理框图Fig.6 System software block diagram

5功能实现

5.1功能要求

从上述设计思路可以看出，空气净化器应该满足以下5点要求。

(1)具有检测灵敏，反应高速有效的软件系统，处理核心具有高速的处理速度，能对环境质量进行实时监测，并且具有出色的数据处理能力，准确控制设备运转。

(2)能过滤掉绝大部分粉尘颗粒，对室内空气起到较为有效的净化效果。

(3)能使室内空气温度、湿度保持在体感舒适的范围，使人精神愉悦。

(4)能够吸附各种有害物质还具有杀菌功能。

(5)具有友好的人机交互界面，具有自动开关机、定时操作、多种工作模式选择。

5.2功能实现过程

系统通电开机以后，风扇作为系统的动力提供者，将空气中的空气吸进净化器中，由传感器对空气温度、湿度、PM2.5等物理信息采集，转换成数字信号传递到中央处理器分析，并通过液晶显示器显示其状态信息。当空气质量超标时，空气首先经过内置过滤网，除掉大的颗粒物，再通过紫外线杀菌灯进行杀菌，最后加湿后得到能够让人放心呼吸的绿色空气，工作原理图如图7所示。

图7　工作原理图Fig.7 Working principle diagram

6结束语

本设计基于Arduino单片机为核心处理器，通过软件程序控制，利用DSM501灰尘传感器、DHT11温湿度传感器等组成数据采集模块，实现对温度、湿度、PM2.5的实时检测，并利用目前市场时较为便捷和最新的加湿和净化技术，对室内空气进行适时的加湿和净化，可以及时地了解自己身处的空气环境情况并进行改善。系统具有成本低、轻便简洁、绿色环保等特点，适用于室内、办公室等场合，是一款经济有效的家用绿色空气加湿净化器。

【参考文献】

[1]曹辉，侯卫萍.低臭氧型负离子雾霾空气净化器设计[J].森林工程，2015，31(3)：119-120.

[2]吴忠标，赵伟荣.室内空气污染及净化技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]李果.基于ATmega128单片机的空气净化器控制系统设计与研究[D].合肥：合肥工业大学，2011.

[4]邵俊飞，徐华东.数显树木胸径测量仪结构设计及工作原理分析[J].森林工程，2015，31(7)：98-99.

[5]熊子华.室内温湿度多少最宜人[J].建筑工人，2002，23(3)：58.

[6]蔡睿研.红外线遥控集成电路PT2243原理及应用[J].国外电子元器件，2003，13(1)：52-54.

[7]朱世豪，彭克勤，彭络峰.基于arduino的室内空气检测器[J].无线互联科技，2015，12(1)：191.

[8]龚瑞昆.灰尘传感器的研制及应用[J].传感器世界，1999，5(10)：11-13.

[9]渠淼，牛国锋，冒张霄，等.基于Arduino的智能环境监控系统设计[J].微型机与应用，2014，33(20)：83-85.

[10]元增民.AT89S51单片机与ADC0809模数转换器的三种典型连接[J].长沙大学学报，2005，19(5)：75-78.

A Home Air Quality Inspection and HumidificationPurifier Based On Arduino Platform

Xu Xiaoming，Wang Haibin*，Wu Di，Zhao Xuemei，Huang Fanyu

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：In order to realize the real-time monitoring of temperature and humidity and the concentration of particulate matter and improve the air quality of living space，a home air quality purifier was designed in this paper.Based on sensor technology and the platform of Arduino single chip microcomputer，the sensor was used to collect data and the indoor temperature，humidity，and particulate concentration were monitored in real time.When the system was set up，it can automatically realize the function of air humidification and purification and ensure the air quality in the room.The operation is simple and self-adaptive，which is suitable for the family and office.

Keywords：air quality monitoring；Arduino；air purification

中图分类号：TM 925.16

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)02-0061-04

作者简介：第一许晓明，本科生。研究方向：森林工程。*通信作者：王海滨，博士，讲师。研究方向：农林采伐机械。E-mail：whbhit@126.com

基金项目：东北林业大学大学生创新训练项目(2015);国家卓越农林人才教育培养计划改革试点项目(2014)

收稿日期：2015-11-12

引文格式：许晓明，王海滨，伍迪，等.一种基于Arduino平台的家庭空气质量检测加湿净化器[J].森林工程，2016，32(2)：61-64.