智能空气净化器控制系统设计研究

杨帆

摘要：伴随着人类日新月异的发展，空气污染也随之到来，一步步侵袭我们的生活，因此环境问题就成为了全球不可忽视的大问题，不管是室内还是室外，都需要我们全球人民齐心协力来共同在治理，而且如何快速度、高效率的解决环境污染就变成了问题的关键。近几年，市面上出现了各种款式的空气净化器，但大多都功能单一，效果不理想。由于人民对自身生活质量的追求和自身健康的重视，一个好的空气净化器也几乎变成了家里的必备产品。现阶段社会调查表明，空气净化器的智能化技术是一大研究热点，它比传统的空气净化器有不可比拟的有点。例如远程操控技术、空气质量实时监测、超过危险值报警等智能技术，可以大大简略并优化操作。

本文通过对空气净化器的现状进行了简要的研究，通过搜索网站相关技术文献、实地访问调查等方式，搜集到了一些相关的设计资料，从而设计了一款智能空气净化器。此净化器选用了单片机作为核心，通过各种类型的传感器等来数据，用液晶显示屏来显示实时数据，通过时钟芯片来实现定时功能等。最后系统的对其进行最后的测试和总结，结果表明该智能化空气净化器运行稳定，有很理想的空氣净化效果，可以用于家庭、公共场所等多种场合。再结合我们人类自身，实现更好的环境治理。

关键词：智能;阈值;空气净化

1 绪 论

社会经济的快速发展使得人们的生活水平不断提升，但是当前社会整体的环境形势却不断恶化，特别是可以直接影响我们身体健康的空气污染，已经成为了各个国家难以根治的大问题。空气严重污染的原因有很多种，我们日常生活也不可避免的带来污染，比如生活炉灶与取暖炉：大部分的炉灶都需要消耗大量煤炭，产生污染气体，污染程度足够和工业污染相媲美。

据调查，当前的空气污染控制和治理过程中主要是通过三种方式来展开：第一是在整个空气污染的源头上进行控制;第二是加强密闭环境内的通风，改善空气质量;第三是通过一定的空气净化手段改善空气质量。源头控制是工厂或大计划使用的方式，所以所需经济成本太大且难实行。通风的效果甚微，只能轻微的改善空气状况，。所以说就只剩空气净化这种方法可以高效又经济的对空气污染问题进行治理。在人类的精心研究下空气净化器腾空问世，其效能也备受人们关注，随着时代的发展，空气净化器的智能化也成为全球各国的一项重要的研究课题。

2 总体方案设计

通过对当前的空气净化器进行分析和比较就可以发现，在净化器设计和制造过程中，基本上分为两种不同的形式：第一种是主动式的空气净化器，第二种则是被动式的空气净化器。两种空气净化器之间存在着较大的差别，主动式的空气净化器能够向外界空气环境中发送出一定量的净化因子，使得外界空气被净化因子所净化，被动式空气净化器主要是将环境中的空气吸入到机器内部，通过内部的滤网以及其他设施进行有效的过滤。从而实现净化空气的目的，在两种净化器工作过程中，被动净化器可以吸附空气中的颗粒物以及其他污染物，但是体积较小的污染物却可以穿过那些过滤网，例如PM2.5等，效果甚微。而主动净化则可以有效的对十分微小的污染物进行净化，从而拥有更好的净化效果。所以说从净化效果来比较，主动净化更胜一筹。

本文在进行空气净化器设计和制作过程中，主要采用了以下原理：首先是环境中的空气，可以经过滤网的过滤进入到风机内部，然后其会在高压电场的作用之下被电离，使得内部的灰尘颗粒产生带电性，然后吸附在集成极板之上;同时空气净化器内部还有紫外线灯，能够放射出紫外线进行杀菌和消毒;在一系列的净化完成之后，空气净化器可以通过内部的传感器进行有效的质量监测，最后将监测结果投射到显示屏之上。该空气净化器能够有效地对环境中的污染气体进行有效的监测和净化，并且还能够对空气中的污染程度进行有效的分析，在整个空气净化过程中，本文主要采用到负离子技术来进行空气净化。

3 智能空气净化器的硬件设计

系统设计过程中需要更好地保证其效率和可靠性，同时还应当使得空气净化的成本更低，因此我们需要选择可以符合空气净化装置总体设计的微处理器。那么作为系统的控制模块，我们不仅要想到它可以满足的功能，也要使器件的价格控制到更平民化，在这种情况下设计的产品才能够得到大部分人民的喜爱。AVR单片机价格更便宜，功能简单，高效、功能齐全等，所以作为本系统的微处理器。

本课题采用的是 AVR 的 ATmega328P 单片机，所以主要讨论 ATmega328P的特性。它是一种高性能、低功耗的AVR 8位微控制器，具有先进的RISC体系结构，而且耐力高，也具有非易失性。

本文选用的是PCF8591 转换器，A/D转换器是将模拟信号转变为数字信号。而模拟信号主要包括热电偶、压力、温度、还有电气，在转换工程中，我们需要把经传感器的输入的信号转换成电压信号之后，才可以进行下一步的A/D转换，一旦采集数据的周期被触发，那么所用到的通道的采样电压就会存储到数据之中。

4 控制系统软件设计

首先要进行系统的初始化，然后进入主循环将数据在显示屏上进行显示，随后进行空气质量监测，若不达标则进去下一阶段：空气净化，由净化模块进行净化，最后排出净化过的空气。若达标，则回到主循环，再次运行程序。在检测过程中通过按键的形式来更改净化方式和状态。

系统通电后首先进入初始化程序，完成串口、I/O口、定时器等的初始化工作。而ADC的初始化主要为空气质量数据采集程序服务。

初始化的目的就是把所有用到的标志位、变量回到你的初始值，以及引脚的分配，配置寄存器写入需要的值。引脚功能的分配是一上来就设置好，如果经常性的改可能会引发异常。

根据LCD12864液晶显示模块的硬件电路设计，将单片机STC89C52的P0端口作为数据的输入端口，将P0直接与LCD12864液晶显示器模块的数据输入口相连接，将12864液晶显示模块进行初始化，并将P0数据输入到LCD12864液晶显示模块中。

5 实验结果与数据分析

本设计控制系统属于弱电系统，而静电集尘装置工作时形成了一个高压强电场，它们之间可能存在一定的干扰，因此系统的设计必须考虑抗干扰性能。本系统主要考虑高压电源与电网以及控制系统之间的干扰问题。其中，高压电源与电网的干扰问题在上一章节已经解决，本章节主要研究控制系统与高压电源之间的干扰问题。

单片机系统对电源噪声很敏感，电源的通断、瞬时短路及电网串进来的干扰脉冲都会造成单片机误动作，可以通过给电源加滤波电路和稳压器来减少干扰。

每个模块电路所需电压各不相同，比如继电器需要 12V 电压、电源的控制芯片 SG3525需要 15V 电压，为了降低系统的干扰，所以每个电源的输入端应接入一个电容，容量为10～100uF 的电解电容，其起到降低低频干扰的作用。

在空间环境中，空间高压电场会对单片机的运转造成影响，可采用铝皮或钽皮遮挡，对核心控制器进行屏蔽加固。

测试完毕后且可正常运行后，我们可以进行真实的实地试验来进行实验数据采集，并对其分析，具体可以分为净化器安装环境、净化污染物种类、净化完全度、净化时间等，之后来计算出该空气净化器在各个环境下不同污染物的净化效率，最后对比来进行数据分析，达到进一步完善该净化器的目的。

参考文献：

[1] 张俊.家用智能空气净化器的研究与设计[D].湖北工业大学，2017.

[2] 雷尚仲.张瑞秋.基于运符武德家庭智能空气净化控制系统设计 [J].包装工程，2016.

[3] 陈露，袁聚祥，徐应军，张凤霞，陈振雷.骨科手术铅衣消毒干预措施的研究[J].中国感染控制杂志，2018.

（作者单位：河北科技学院）