智能室内空气环境质量监测与净化系统设计

秦 君，邵清亮，郭美琳

(沈阳航空航天大学电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

目前，市面上出售的基本为空气监测仪或空气净化器，两者功能兼具的少之又少。大部分监测、净化仪器不能实现智能控制，需人工控制。基于以上问题，本文设计了一款室内空气环境质量监测与智能净化装置。利用传感器和液晶显示屏，用户可以随时了解室内空气污染程度。当空气污染程度达到上限时，由单片机控制风扇转动，使污染物通过一系列滤网后被吸附、降解，保证室内空气始终保持在洁净状态，以便为人们提供一个更加优质舒适的生活环境。净化部分增加风压测定装置，以确定滤网疏通度是否合格。

1 系统总体设计

装置以51单片机为控制核心，实现自动控制。通过传感器检测空气温湿度、粉尘含量、甲醛和苯等挥发性有机物浓度，从而确定室内空气质量。51单片机先通过调用子程序读取传感器测得的数据，然后对数据作相应处理后，一方面将数据传输至显示器，另一方面将数据和设定的空气阈值进行对比，智能控制报警装置和净化装置[1]。另外用户还可以选择手动模式，根据需要修改空气阈值。系统总体构图如图1所示。

图1 系统总体结构图 Fig.1 Overall structure of the system

2 环境监测部分硬件设计

环境监测部分硬件由51单片机控制模块、传感器模块、A/D转换模块、报警器模块、LCD显示模块、按键控制模块等组成。用户可及时掌握室内多种污染物的浓度状况，以便实时监测和控制[2]。

2.1 温湿度信息采集

DHT11数字温湿度传感器的最大优势在于温度和湿度可以同时显示。单线制的串行接口功耗低、灵敏度高、稳定性好，有利于系统集成。其典型应用电路如图2所示。

图2 典型应用电路 Fig.2 Typical application circuit

设定主机每50 ms向传感器发送一次开始信号，DHT11接收到信号后触发一次温湿度采集；采集完成后再将数据传回单片机进行分析。另外，当DHT11处在非采集状态时为低速运行模式，功耗极低。

2.2 颗粒物信息采集

灰尘传感器DSM501具有以下特点。①可灵敏检测直径1 μm以上的粒子，包括吸烟所产生的烟雾、花粉和室内灰尘等。②通过调节电阻值来检测不同微粒大小的灰尘。③脉宽调制(pulse width modulation,PWM)输出。④内有气流发生器，可以自行吸引外部大气。⑤体积小、质量轻、便于安装[3-4]。

设定10 s为一周期，使I/O管脚每隔50 ms读取一次管脚高低电平。当DSM501检测到颗粒时，管脚为低电平，否则为高电平。输出的PWM波形如图3所示。

图3 PWM波形 Fig.3 PWM waveform

从图3可知，脉宽为低电平时间与周期时间之比。按照百分制输送到LCD1602进行显示。

(1)

2.3 MQ135气体传感器

MQ135气体传感器可检测多种有害气体且监测效果理想，是一款适合多种应用的低成本传感器。

MQ135气体传感器利用电导率较低的二氧化锡(SnO2)作为气敏材料，它的电导率与空气中污染气体浓度成正比。利用这一特性，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出电压[5]。这里，选用ADC0804芯片读取输出电压，读写芯片需要根据芯片的时序，先使写信号下降，进行A/D转换；后使读信号下降再上升，即可读取数据。

选用P1的8个I/O口读取数据，传回的数据是0～255的8位二进制数。由于芯片VCC接5 V电压，所以换算公式为：

(2)

2.4 报警器模块

报警器模块由LED红灯、绿灯和蜂鸣器组成。51单片机将传感器传输来的信号转化后，同设定好的空气限值相比较。当超出限值时，单片机会点亮红灯并启动蜂鸣器报警。在自动模式下，单片机则会点亮红灯并直接启动净化装置。另外，当净化系统需更换滤芯时，单片机会使红灯闪烁。

2.5 LCD显示模块

通过1602液晶显示器，用户可以清楚了解到室内空气质量状况，同时也方便手动修改各项污染物的上限值。

2.6 按键控制模块

按键控制模块的主要目的是实现人机交互。用户可以通过操作面板向单片机发送指令，如调节污染污染物浓度的上限值、控制系统运行等。

按键控制要实现开/关、自动/手动模式[6]、修改空气阈值(手动模式下有效)和调节风速这4个功能。风速分为一、二、三档；面板上配有设置键，用户按下设置键后，通过控制上下左右键，选定某一位数值进行增或减，从而达到更改空气阈值的目的。

3 空气净化部分设计

结合对现有空气净化技术的优缺点分析，该过滤装置主要采用物理净化方式。净化部分包括风扇、滤网、紫外灯、风压传感器等。紫外灯、风扇和压力传感器受控于51单片机监测端。

3.1 滤层结构及其功效

3.1.1 净化滤网

前置滤网+HEPA滤网+活性碳纤维滤网三层嵌套，可有效去除室内空气中的烟尘、异味等。前置滤网和活性碳纤维滤网都能直接用水清洗后重复使用，大大降低了使用成本。

3.1.2 自催化氧化网+紫外灯

采用表面负载纳米二氧化钛(TiO2)的泡沫镍滤网,其超强的氧化功能可消灭滤网捕捉到的细菌。配合紫外灯还可以高效降解空气中的甲醛、苯霉菌等有机化合物，并将其转化为二氧化碳和水，避免二次污染。

3.2 风压测定装置

在空气净化系统中，滤网的重要性不言而喻。然而随着使用时间的增加，滤网的通畅度也会降低。当空气通过滤网之后，污染程度反而变得更加严重。

该装置在气箱的进出风口都安装有风压传感器。当空气通过传感器时，压力作用在传感器膜片上引起电阻值发生变化。通过测试进出口风压差的变化情况，判断滤网疏通度。当风压差超过一定值时，净化系统关闭，同时红色指示灯闪烁，提醒用户清扫或更换滤芯。

3.3 加湿器

在出风口增加湿膜材料，水通过湿膜顶部的淋水器最终被湿膜材料所吸收。当空气通过湿膜时，水分吸收空气热量而汽化，将空气进行加湿[7]。

4 环境监测软件设计

以51单片机作为主控器，它是整个系统的核心。它不仅是所有模块连接在一起的重要纽带，而且决定了系统运行过程中的智能化。

环境监测软件采用了模块化设计理念[8]，稳定性更强，利于系统的调试及维护。系统流程如图4所示。

图4 系统流程图 Fig.4 Flowchart of the system

当单片机接收的空气质量数据超出标准设定值时，51单片机则会通知报警器报警并启动风机，通过净化装置来达到净化空气的目的。用户还可以手动调节风机转速和净化程度。

5 试验测试

测试过程中，将污染源放置在传感器附近，该检测系统能够迅速感知周围空气环境变化，及时在LCD显示器上显示各污染物浓度并发出警报信号。将该装置放在约12 m2的房间内，启动净化装置且风扇设定为最大风速，净化效率可达91%左右[9-10]。

6 结束语

本文设计了一款基于STC89C51单片机的室内空气质量监测与净化装置。该装置运用多种传感器及净化设备，可以在自动监测情况下智能净化，保证室内空气始终保持在良好状态。其LCD液晶显示实时更新，使室内空气质量状况一目了然。报警器设置提醒用户注意空气问题，在很大程度上避免了用户在不知情的情况下由于长期处于劣质环境中而损害健康。该装置不但解决了顽固的室内空气质量问题，还摆脱了二次污染的困境，可以广泛应用于普通家庭中。

参考文献:

[1] 邱灿彭.基于STM32的室内空气质量监测自适应调节系统设

计[J].电子制作，2017(4)：77-78.

[2] 郭双茂,冯浩,周参.采用微控制器操作系统的便携式仪器设计[J].自动化仪表,2016,37(1):93-95.

[3] 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(1)：191-216.

[4] 代凌云,孙百慧,兰艳慧，等.汽车内的空气质量检测与净化系统设计[J].电子技术,2016(9):48-50.

[5] 曲娜,张悦.空气质量检测系统设计[J].电脑编程技巧与维护,2016(10):9-10.

[6] 姚佳,张自嘉,朱莉.智能室内空气净化系统设计[J].电子器件,2015(2):203-208.

[7] 冯小英,朱晓倩,郑晨颖,等.湿膜加湿器的发展现状及前景[J].山东建筑,2016(7):131-132.

[8] 闫海霞.室内空气质量监测仪[J].哈尔滨工业大学,2014(7):64-66.

[9] 何伟刚,李政林,章帆.一种小型室内环境智能监测仪器的设计[J].现代电子技术,2016(5):73-75.

[10]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社,2009.