基于物联网云传输的智能化空气净化器装置

何正钰，魏彗星

（南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京211800）

基于物联网云传输的智能化空气净化器装置

何正钰，魏彗星

（南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京211800）

以C8051F020单片机为控制核心，利用温湿度传感器、空气质量传感器、夏普GP2Y1010AU0F PM2.5传感器检测到的信号来控制电机的工作状态，再加入Wi-Fi模块，从而实现物联网远程控制空气净化功能。设计空气净化器装置硬件的各个模块，分别是电源控制模块、电机模块、数据采集模块、液晶显示模块、按键模块、Wi-Fi等模块，并利用AD6绘制原理图，在此基础上实现运行与调试。

空气净化器；C8051F020单片机；传感器；功能模块

0 引言

随着经济增长步伐的加快，人们生活水平的不断改善，空气质量问题也逐渐受到了关注。室内的空气污染成为影响人们健康的首要因素[1]。空气质量的好坏直接影响着我们人们的健康，而目前的空气质量甚是让我们担忧。因此设计一款室内空气净化装置就显得尤为重要，再者，目前物联网成了主流发展趋势，所以在此基础上本文设计一款云传输的空气净化器装置。

1 控制系统的总体设计

本次设计出的空气净化器主要是用过滤网对空气中的污染物进行过滤，并能实现联网通信功能。利用电机的转速将空气送入净化器内，经过滤网将空气中的颗粒物、类似甲醛的气体等过滤，再由风机送出到室内，达到净化空气的目的，同时通过Wi-Fi进行移动终端通信。

根据设计思路，空气净化器是利用了风机将空气送入净化器，经过初过滤网，活性炭过滤网，HEPA高效空气效过滤网等过滤网，层层过滤，最后由风机将空气送入室内，达到净化空气的作用，同时使用WiFi模块，通过手机App实现远程控制。设计模块如图1所示：

图1 空气净化器的设计模块

由上图可将空气净化器控制系统分为以下主要模块进行详细的设计：

电源模块是整个系统的供电核心，产生5V、3.3v、2.85V直流电压信号。传感器模块主要包括VOC传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器等。电机模块选用的是单相异步交流电机，并且输入电压是220V交流电，由电容来驱动，同时单片机会根据传感器或是按键送入的信号来控制电机的转速。液晶显示器是用来显示净化器处在工作状态下的信息，包括了温度、湿度、空气质量、PM2.5值、状态等信息。按键功能的设计主要包括：电源按键、模式按键、选择按键、复位按键。Wi-Fi通信模块，实现了移动终端的远程控制，通过App模块实现了移动端（手机）和智能空气净化器的匹配，移动端可以将指令发送至服务器，服务器将指令转发至智能空气净化器，从而达到远程控制的目的；同时还实现了和移动端（手机）实时互动的功能，手机端将指令通过网络发送至服务器，服务器再推送至对应的智能空气净化器实现实时传送功能。

控制系统的原理框图

本文研究的空气净化器控制系统由日常使用的220V的交流电来供电，经过一系列的处理，得到了5V、3.3V与2.85V的直流电源，并为电路进行供电。然后，C8051F020单片机将根据传感器检测到的信号或按键的产生的信号来控制电机的状态。系统的总体原理框图如图2所示。

图2 系统的总体原理框图

图4 PM2.5传感器原理图

2 系统硬件设计

2.1 控制器选型

控制器核心选用C051F020单片机，其最小系统如图3所示。

当C8051F020单片机上电后时，复位端电压相当于低电平实现上电复位；当断电后形成放电回路，实现断电复位。C8051F MCU的CIP-51内核采用流水线结构，与标准的8051结构相比，指令执行速度有很大的提高。标准的8051单片机执行一个单周期指令需要12个系统?时钟周期，而C8051F MCU执行一个单周期指令只需要一个系统时钟周期。如果系统时钟频率为25MHz，执行一个单周期指令所需时间为40ns。

2.2 气体传感器选型

日本夏普公司灰尘传感器GP2Y1010AU0F，体积小巧，灵敏度高，而且内置气流发生器，可以自行吸入外部空气。安装保养方便，使用寿命长，精度高，稳定性好。内部原理图如图4所示：

图4中引脚1为V-LED，引脚2LED，引脚3为LED-GND，引脚4为VCC，引脚5为VO，引脚6为SGND。

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。体积小、功耗低，较远的信号传输距离，这使其成为各类应用甚至最为严格的应用场合的最佳选则。

图3 单片机最小系统

空气质量传感器选用MF-AQM-TVOC系列空气质量检测模块，该模块带零点标定、自带温湿度补偿，体积小、数字信号输出、多级别信号输出，可定制开发设计。单片机传感器接口电路如图5所示。

图5所示为VOC传感器、温湿度传感器和PM2.5传感器的接口电路。图中VCC、VDD为所接供电电源，OUT为输出信号，GND为接地线。

2.3 电机控制电路

电机控制原理如图6所示。

图6中通过三极管实现了电机的低档、中档和高档调速，分别对应为LOW、MED和HIGH。

2.4 去液晶显示

根据设计需求，当设备通电时，在显示器上会显示空气净化器正在工作时的状态，主要有工作模式、温湿度、PM值、空气质量等信息。空气净化器的显示模块选用型号为TM128128A4KFWGWC36-1液晶显示器。TM128128A4KFWGWC36-1液晶显示器共29个引脚，液晶模块由外部提供+2.85V电源；第15脚实现的是显示器的复位；第2和3引脚分别接在LED+和LED-LCD上即背光的正负极，并提供+2.85V电压；读/写控制信号R/W，分别接到C8051F020单片机的P47和P46引脚；D0-D7表示显示器的数据引脚，接在了C8051F020的P70-P77输入/输出接口上。显示器模块的控制电路如图7所示。

图7 液晶显示器模块的控制电路

2.5 仿真设计

本空气净化器控制系统的单片机仿真电路则是采用C8051JTAG方式。其电路原理如图8所示：

图8 JTAG程序仿真电路原理图

3 控制系统的软件模块化设计

为了满足工作的要求，在所设计的硬件电路的基础上对控制的软件进行设计，整个软件程序分为传感器数据采集模块、电机控制模块、LCD显示模块、按键控制模块以及Wi-Fi通信模块。通过对各模块调试。系统的软件程序实现了空气质量的检测，并能进行无线通信。系统软件总体设计方框图如图9所示：

图5 单片机传感器接口电路

图6 电机控制原理图

图9 系统软件总体设计方框图

4 结语

本文研究的空气净化器是以C8051F020单片机为核心进行硬件模块设计以及根据设计要求提出的软件总体设计方案，从总体结构图的设计到控制原理的设计，再到各模块电路设计，最终完成了硬件设计。

[1]董亮，李春林，朱磊.基于单片机的便携式空气净化器[J].微计算机信息，2009-10-15.

[2]董玉德，徐伟，金运掌等.柜式空气净化器硬件电路设计[J].电子测量技术，2013-11-15.

[3]邱麦平.空气净化器结构及工作原理[J].现代家电，2014-07-25.

[4]刘朝军，伍静静，胡文飞等.空气净化器中的过滤分离技术[J].家电科技杂志，2013-08-01.

[5]李鹏.亚都空气净化器剑指PM2.5[J].家电科技杂志，2012-02-01.

Intelligent Air Purifier Device Based on Internet of Things

HE Zheng-yu，WEI Hui-xing

（School of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing University of Technology，Nanjng 211800）

Takes the C8051F020 single-chip microcomputer as the control core,uses temperature and humidity sensors,air quality sensor,Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5 sensor to detect the signal to control the working state of the motor,then adds the Wi-Fi module,in order to achieve remote control of air purification function.Designs the modules of the air purifier device hardware,namely the power control mod⁃ule,the motor module,the data acquisition module,the liquid crystal display module,the key module and the Wi-Fi module,and draws the schematic diagram with AD6,with debugging.

何正钰（1993-），男，甘肃庆阳人，本科，研究方向为自动化

张印强，13813365825

2017-03-21

2017-05-02

1007-1423（2017）15-0072-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.15.019

魏彗星（1993-），男，湖北咸宁人，本科，研究方向为自动化

Air Purifier;C8051F020 Single Chip;Sensor;Function Module