AT89C51单片机的智能空气净化系统设计

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(吉林大学 仪器科学与电气工程学院，长春 130012)

引 言

近年来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，工厂内化石燃料燃烧和汽车废气的排放使空气质量不容乐观。而在我国北方的冬季体现最为明显，这一地区人口经济密度大，排放大量的PM2.5，冬季风速较低，容易形成稳定的近地层大气，在多种因素的作用下，易产生雾霾。严重的雾霾可以直接影响室内的空气状况，加上日常生活中室内可能产生的油烟、香烟、装饰材料挥发物等其他污染，使得针对室内空气的除尘净化显得尤为重要。

负离子除尘是一种比较成熟的技术，电离空气产生的负离子能与空气中的粉尘微粒相结合，从而自然沉降，不仅能净化空气，还可以杀菌消毒。而HEPA滤网为代表的新型滤材的应用也越来越普遍，HEPA滤网为多层折叠结构，如果将其完全展开，其面积能增加十几倍甚至几十倍，由于过滤网的性能与其表面积成正比，HEPA滤网的性能十分出众，是国际上公认的最高效过滤材料，适用于PM2.5粉尘颗粒的过滤净化。目前室内空气净化领域多采用单一除尘技术，且自动化程度不高，本设计旨在结合两种不同的除尘净化技术，并利用嵌入式芯片与相关电路提高空气净化系统的自动化程度与智能水平，使系统达到更好的除尘净化效果，能根据不同空气状况自主调节工作，用户使用时更加方便省心。

1 控制系统总体设计要求与主要模块

本系统适用于空气净化器，主要针对PM2.5进行过滤与净化，对空气中其他有害物质也有一定净化作用。同时包含高浓度报警、人机交互、滤网状况监测等附属功能。总体设计要求能实时、高效检测并净化室内低、中度PM2.5污染，在10 min内将室内PM2.5值从100～200降低至50以下。同时在室内较高PM2.5污染(300以上)时发出警报，在20 min内降低至正常范围。除尘装置分为三档，用户可以自由设定警报值，以调节不同档位工作范围。考虑到HEPA滤网在使用一段时间后需要进行更换，要求具有HEPA滤网监测功能，当过滤网使用过度时，警示灯发出警告，提示用户更换过滤网。

本系统的主要模块如图1所示，以单片机及附属控制电路为核心，分为PM2.5传感器模块、灰度传感器两个输入模块、高浓度警报灯、更换滤网警报灯、风机调速装置、负离子装置四个输出模块。用户操作界面与液晶显示屏构成的交互模块、HEPA滤网及风机等机械结构构成的机械模块，以及核心的单片机控制电路。

图1 系统主要模块示意图

2 控制系统的硬件

根据系统总体设计，控制系统选用ZPH-01粉尘传感器作为PM2.5传感器。该型传感器采用粒子计数原理，可灵敏检测直径1 μm以上灰尘颗粒物，灵敏度极高、长期稳定性优异、出厂前已标定校准、内置加热器可实现空气的自动吸入。外形紧凑、重量轻、易安装、保养简单，适用于空气净化系统。其原理如图2所示。低端的加热装置可以通过气体对流自动吸入空气，LED模块发出光线，经粉尘反射后通过透镜被PT(红外接收管)接收，实现对粉尘颗粒的计数。实测表明，该型传感器在静置和空气流动不太剧烈的地方可以良好工作，晃动及强烈的气流会引起输出异常上升，因此，该传感器被牢牢固定在空气净化系统的外壳上，处于远离风机的位置。

图2 粉尘传感器工作原理图

该型传感器具有UART数字串行输出与PWM信号输出两种输出模式，本设计中令该型传感器处于串行输出状态，与单片机串口相连。当采用串行输出时，该型传感器的输出格式如图3所示，低脉冲率的数值为该型传感器输出的有效数据。低脉冲率与灰尘颗粒物浓度间存在固定的函数关系。

图3 采用串行输出时的数据格式

灰度传感器用于监测HEPA滤网的工作状况。HEPA滤网工作较长时间后，其吸附的粉尘微粒粘着在表面上，积累到一定程度后会影响对粉尘的吸收效果，同时滤网上也吸附了较多的细菌，此时必须进行更换，否则将影响除尘效果甚至危害健康。

图4 灰度传感器用于检测滤网的原理

空气中的粉尘微粒会吸附很多杂质，多数微粒是有色微粒，粘着在滤网表面时，会使滤网呈现灰色、黑灰色、棕色、棕黄色等较深的颜色。此时通过监测滤网的灰度便可以从侧面监测滤网的工作状况，决定是否更换滤网。灰度检测模块原理如图4所示，白色的突起是红外发射装置，黑色的突起是红外吸收装置，中间用斜纹线所示的挡板分隔开。

工作时，从白色的突起发射红外线，经检测面反射后由黑色突起接收。如果检测面的灰度比较大，由光学知识可得， 其对光线的吸收能力也较强，故经过反射后，其接收到的光线会比较少。通过接收光线的值即可获得被测物的灰度值。

灰度传感器的输出为模拟输出，范围为0～5 V，当被测物为纯白色，表面反射良好的理想物体时输出是5 V，而被测物为可吸收全部光线的理想黑体时输出为0 V。在固定检测距离时，灰度越大，输出电压越低。作为与单片机相连的输入模块，需要经过一个电压比较器，通过比较灰度传感器输出电压与预设电压(根据滤网更换临界电压测得的输出电压)相比较，以电压比较器的输出作为输入接入控制电路。

以图5为例，核心是一个LM339比较器，其反相输入端是可供设置的一个电压，其正相输入端是代表上述传感器的输出的电压量，假设反向输入端的电压设置为4.18 V。当正相输入端的电压小于4.18 V时,比较器的输出端电压仅为0.19 V。对单片机来说，这个电压视为低电平。当正相输入端的电压≥4.18 V时，LM339的输出端电压为5 V，对单片机来说，这个电压视为高电平。

图5 灰度传感器所需的比较电路

本设计选用的风机为交流220 V风机，采用串电阻调速的方法效果不好,且工作效率低，而应用相关电力电子技术，通过PWM控制调节加在风机两端的电压是比较好的调速方案。通过调节一个可变电阻，来控制方波的占空比，就可以实现不同转速的运行。由于本设计仅要求实现三级调速，为了简化电路，在设计中直接选取了三个预设好的无级调速开关，单片机仅负责输出控制信号来选择导通哪一个开关来实现调速。为了实现控制回路与风机工作的较高电压的回路间的电气隔离，还需采用光耦合器，与无级调速开关一起构成驱动风机的电路。

负离子发生器的驱动更加简单，只需将单片机的输出通过光耦合器控制负离子发生器的电源回路即可。

3 控制系统的软件

系统上电后等待总开关打开，总开关打开后，在完成初始化后，PM2.5传感器开始检测空气中的粉尘浓度，读取该传感器的输出，经过换算后得到浓度的数值，将该数值显示在液晶屏上。由于PM2.5传感器的串口输出格式如图3所示，在程序中需要对其进行一定处理才能得到最终的浓度值。

pm_rateH=UART_Upload[3];

pm_rateL=UART_Upload[4];

pm_density=(UART_Upload[3]*100+UART_Upload[4])*1.014705;

如上述程序所示，UART[3]的串口数据为低脉冲率的整数部分，UART[4]的串口数据为低脉冲率的小数部分，例如在345μg/m3的情况下，zph01低脉冲率(输出占空比)为34%。我们认为在低脉冲率0～34%时对应的浓度为0～345 μg/m3。低脉冲率与浓度间是线性关系。

这样得到的pm_density大小是实际值的10倍，将最后的一位小数移动到了个位上，这是为了在LCD液晶显示时的方便。

LCD_Write_String(0,0,"PM2.5:");

LCD_Write_Char(6,0,table[pm_density/1000]);LCD_Write_Char(7,0,table[pm_density%1000/100]);

LCD_Write_Char(8,0,table[pm_density%100/10]);

LCD_Write_String(9,0,".");

LCD_Write_Char(10,0,table[pm_density%10]);

LCD_Write_String(11,0,"μg/m3");

LCD显示的部分程序如上所示，假设pm_density为3 452，上述LCD程序运行后，便可以在液晶显示屏上得到PM2.5 345.2 μg/m3的字样。相当于又把pm_density缩小到十分之一，故显示的便是浓度的真实值。

设计中要求浓度高于高浓度报警值时发出警报，且高浓度警报值可调，显然需要将该值显示在液晶屏上并配合相应的按键来实现该功能。在程序中设该警报值变量为pm_URV，用if语句判断pm_URV与pm_density间的大小关系，一旦pm_density大于所设置的pm_URV，将触发警报，并自动激发最高档位的调速开关。

else if(pm_URV

led1=1; //led1代表电源指示灯，代表正常工作，当处于报警状态时会熄灭

led3=1; //led3代表更换滤网报警指示灯，检测到滤网灰度过高时该灯会亮起

out1=0; //out1代表低档位

out2=0; //out2代表中档位

out3=1; //out3代表高档位

if(beep==1) //led2代表高浓度警报灯，此时闪烁，并且蜂

//鸣器(alarm_buzz)发出滴滴报警声。beep

//由定时器中断产生，其值每隔10ms在0与

//1间来回波动。

{led2=0;alarm_buzz=0;}

if(beep==0)

{led2=1;alarm_buzz=1;}

}

为了使pm_URV可调，设置key_add与key_minus两个按键状态变量，检测按键状态是否发生变化，当按键状态发生变化时，将按键状态变化通过add=key_add或minus=key_minus读取到add与minus两个控制pm_URV增减的变量(按下时产生0信号开始读取，则松开后弹起的1信号便送入了add与minus)。

if(add==1){ //add信号为1时

pm_URV++;

// pm_URV一直增加，适用于按住不放的情况，可以快速

//上升pm_URV

if(pm_URV>=10000)

//当pm_URV值过大时，能自动返回0，误操作时用户可以

//尽快恢复

{pm_URV=0;}

SectorErase(0x2000);

byte_write(0x2000,pm_URV/256);

byte_write(0x2001,pm_URV%256);

//pm_URV的值写入eeprom中，这样关机后pm_URV的值能保留下来，再次开机无需重新设置

}

4 机械模块及总体封装

本设计的机械模块以两个风机为核心。其中进气口风机为10寸交流220AC风机，额定转速为2 800 r/min，能产生比较强的风力，吸收空气进入除尘装置内部。软件与硬件中的调速功能针对进气口风扇进行调速，使其能以三种不同的风力工作。而出气口风机选用功率较小的直流风机，使其一直在额定功率工作。进气口风机(经HEPA滤网)与出气口风机间以L型管道相连以增强对流。

HEPA滤网具有一定的厚度和硬度，将HEPA滤网置于进气口风机后卡槽固定，进气口风扇吸收的空气便能以较高的速度通过HEPA滤网，粉尘将附着在滤网上。滤网后方L管道内1 cm处固定灰度传感器(需要比较坚固的塑料支架，此处在风机开启时具有一定强度的风力)。负离子发生器放置在靠近出气口风机的L型管道内部，注意负离子发生器也应牢固固定，其发生端可能在工作时产生静电，注意使其不能接触到管道内壁。

图8 开启风机时PM2.5浓度的变化

PM2.5传感器放置于装置正面板，但与正面的进气口风机保持一定距离，防止气流干扰，传感器在关机时可密封在防尘罩内，防止浮沉污染PM2.5传感器内的透镜。PM2.5传感器下方放置操作界面与LCD显示屏，在装置正面的亚克力上预留小孔，供传感器和操作界面，LCD显示屏等的线路通过与装置内部的控制模块相连接。

处理模块和继电器放置于一片电路板上，固定在装置内部，与L型管道保持一定距离。装置后面板侧下方预留三角形孔，给装置供电的交流电线从此通过连接到外部220 V电源。同时，在装置内部靠近这一区域处放置变压整流器，将外来的220 V交流电经过变压和整流后得到5 V直流电给控制模块和传感器等供电。在L型管道外围包绕一圈隔音棉，将L型管道与装置内部的间隙填充，以降低装置运行时的噪音。

整个装置的封装如图6、图7所示。

图6 装置正面板示意图

图7 装置侧面剖视图

5 除尘效果实验分析

在密闭室内进行PM2.5除尘实验，可近似认为室内的温度和湿度在测试期间不变。

实验时，开启最高档位工作以验证该装置的最佳除尘净化效果，使用装置自带的PM2.5传感器监测PM2.5浓度并绘制曲线。实验中使用香烟燃烧模拟PM2.5污染物的释放，在PM2.5浓度比较稳定(混合均匀)后，开启风机，测定PM2.5浓度随时间的变化来反映装置的除尘效果，同时设置不开启风机的对照组以测定PM2.5浓度的自然衰减，每隔30 s记录一次，实验结果如图8、图9所示(图中所示时间轴的零点为PM2.5逐渐上升直至比较稳定的那个时间点)。

显然，风机+HEPA滤网的除尘模式效果明显，在10 min内已经能将污染后280+的PM2.5浓度降至100以下，开启14 min 30 s后浓度甚至降到了43.4，这个数字比测试房间污染前的PM2.5浓度87.7(初始浓度这么高是因为测试房间长时间不通风，空气较差)还要低很多(注:因使用的传感器有些许迟滞，且烟雾的飘动比较随机，短时间内数据出现水平和波动都是很正常的)。虽然不开启风机时，一段时间后PM2.5浓度依会下降，但下降速度缓慢，在17 min时仍维持在接近180的浓度水平，房间内仍有刺激性气味。(注:两次实验零点处的PM2.5浓度有些许不同是因为很难在两次实验中得到相同的PM2.5初始浓度，上述两条曲线已是多次实验得到的平均值，已经尽量减小了误差)在装置基本成型时，进行了4种情况对比实验，就其除尘效果与前两次相比进行了对比。结果如图10所示。

图9 不开启风机时PM2.5浓度的变化

图10 4种情况的对比图

显然，无论是风机+HEPA滤网除尘还是负离子除尘，相较于无除尘装置时效果均很明显。负离子除尘在一开始效果非常好，甚至比风扇除尘效率更高，但当PM2.5浓度下降到150左右时，负离子除尘的效果就不是很理想，最终也未将PM2.5浓度降至100以下。结合负离子除尘的原理，可以这样理解。负离子发生器附近的氧分子会逐渐被转化为氧离子，氧离子与空气中的微尘颗粒结合以沉降。但经过一段时间的工作，负离子发生器附近的氧离子浓度已经达到一个临界值，很难再将氧分子继续转化为氧离子，所以其工作效果变得不理想。要解决这个问题，必须将转化出的氧离子及时扩散出去，因此本装置选择将负离子发生器放置于风扇出气口附近，及时将氧离子扩散出去，使除尘效果更好。

上述实验结果表明，将负离子除尘与风机+HEPA过滤除尘两种方式结合后，能取得比单一除尘方式更好的效果，本装置已经达到了对除尘效果的设计要求。

结 语

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