基于CPLD的光催化空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:該文介紹了基于EMP7128的光催化空氣凈化器控制系統(tǒng)的功能以及設(shè)計(jì)原理，給出了控制系統(tǒng)的硬件電路，并在QuartusⅡ環(huán)境下對(duì)CPLD內(nèi)部具體模塊進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)際使用證明，該控制系統(tǒng)具有可靠性高，適用性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:EMP7128;CPLD;空氣凈化;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2010)02-347-02

Designing of the Control System Based on the CPLD for A Photocatalytic Air Purifier

YAN Chao-wen1， ZHANG Li2， SUN Dong-ning1

(1.School of Information Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 200135， China; 2.Institute of Marine Material Science Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 200135， China)

Abstract: A new control system of a photocatalytic air purifier based on the CPLD of EMP7128 was designed. The functions and design principles of the control system was firstly discussed. Then details of the hardware circuit was given. Finally the specific modules inner the CPLD on the workbench of Quartus Ⅱwas programmed and simulated. As practice proved， this air purifier can work well and the control system showed high reliability and good applicability.

Key words: EMP7128; CPLD; air purifier; control system

自20世紀(jì)以來，隨著人類的生產(chǎn)、生活活動(dòng)加劇，全球范圍內(nèi)的大氣污染日益嚴(yán)重，因空氣污染所產(chǎn)生的年疾病率已占全球疾病率的4%，居疾病負(fù)擔(dān)的危險(xiǎn)因素第四位，因此，世界各國都在大力研究發(fā)展各種能夠治理解決空氣污染的空氣凈化技術(shù)，多種類型的室內(nèi)空氣凈化器也已紛紛面市。其中，新型光催化技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一種被稱為“綠色友好”的高級(jí)氧化空氣凈化技術(shù)，該技術(shù)是利用一定能量的光照射光催化劑所產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化作用的的羥基自由基來迅速降解去除有機(jī)污染物。在治理室內(nèi)的有毒有害揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)以及各種致病霉菌、真菌和病毒等方面新型光催化技術(shù)展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)，成為近年來的熱點(diǎn)技術(shù)[1-3]。而對(duì)采用光催化技術(shù)的空氣凈化器來說，在實(shí)際應(yīng)用中其空氣處理效果的好壞，除了與其采用的光源和光催化劑的工作效率有關(guān)，還與其整個(gè)硬件控制系統(tǒng)對(duì)其工藝參數(shù)如作用時(shí)間、運(yùn)行模式等的精確控制與否直接相關(guān)。

該研究即圍繞設(shè)計(jì)新型光催化空氣凈化器的控制系統(tǒng)開展，研究了基于CPLD的光催化空氣凈化器控制系統(tǒng)的功能以及設(shè)計(jì)原理，并進(jìn)行了控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和調(diào)試。CPLD器件最大的優(yōu)點(diǎn)在于可現(xiàn)場(chǎng)編程[4-5]，改變邏輯關(guān)系時(shí)，無需更改外部線路板，只需用圖形語言程序或硬件描述語言程序來改變電路，生成下載編輯軟件，通過下載電纜輸入CPLD器件即可，非常方便，特別有利于新產(chǎn)品試制，所以使用CPLD作為空氣凈化器的控制系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)較可行的選擇。

1 控制系統(tǒng)功能介紹

該控制系統(tǒng)是由按鍵和空氣質(zhì)量傳感器來控制的，可在手動(dòng)和自動(dòng)模式下運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，可通過按鍵控制紫外光燈的打開和關(guān)閉，并設(shè)定其工作時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，它可通過空氣質(zhì)量傳感器測(cè)得的空氣質(zhì)量的好壞自動(dòng)開關(guān)機(jī)工作。具備監(jiān)視功能:系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)空氣質(zhì)量情況和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可在液晶顯示屏上顯示。液晶顯示屏可根據(jù)空氣質(zhì)量的污染程度分別顯示綠、黃兩種不同的底色。該光催化空氣凈化器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

光催化空氣凈化器的控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示，其核心為EMP7128SLC84-15。EMP7128SLC84-15是Altera公司的MAX7000S系列CPLD，它采用CMOS工藝，并以第二代矩陣結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，實(shí)際上也是一種基于E2PROM的器件。EMP7128SLC84-15有84個(gè)引腳，其中5根用于ISP(In System Programmable)下載，可方便地對(duì)其進(jìn)行在系統(tǒng)編程。此器件內(nèi)集成了6000門，其中典型可用門為2500個(gè)，有128個(gè)邏輯單元，60個(gè)可用I/O口，可單獨(dú)配置為輸入、輸出及雙向工作方式，2個(gè)全局時(shí)鐘及一個(gè)全局使能端和一個(gè)全局清除端。EMP7128SLC84-15支持多電壓工作，其傳輸延時(shí)為7.5ns，最高工作頻率高達(dá)125MHHz，并支持多種編程方式，同時(shí)可利用Altera公司的開發(fā)軟件Quartus Ⅱ方便地進(jìn)行仿真、綜合和下載[7]。

手動(dòng)模式下我們可以通過鍵盤設(shè)定工作時(shí)間，設(shè)定的時(shí)間在液晶屏上顯示出來并進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，一旦超過設(shè)定時(shí)間，EMP7128SLC84-15將控制空氣凈化器停止工作。并且我們可以通過按鍵對(duì)真空紫外光燈進(jìn)行開關(guān)。

自動(dòng)模式下我們采用空氣質(zhì)量傳感器來控制其工作，空氣質(zhì)量傳感器是選用日本進(jìn)口的QS-01空氣質(zhì)量傳感器。QS-01是一種二氧化錫半導(dǎo)體氣體傳感器，可以檢測(cè)香煙、NH3、酒精、CO等多種空氣中的污染氣體，靈敏度高，并且響應(yīng)時(shí)間很快，傳感器采用塑料外殼，3個(gè)引腳，可在極低的功耗情況下獲得極好的感應(yīng)特性，非常適合應(yīng)用于空氣品質(zhì)控制系統(tǒng)、排風(fēng)電扇和空氣清新機(jī)。傳感器原理圖如圖3所示。空氣質(zhì)量傳感器的用法如系統(tǒng)硬件原理圖所示，使用時(shí)將端子1接電源5V正極，端子3接電源5V負(fù)極。端子2接EMP7128SLC84-15的I/O口。通過測(cè)量電阻R1的電壓值能夠判斷空氣質(zhì)量的好壞。我們利用A/D轉(zhuǎn)換功能測(cè)量電阻R1的電壓。設(shè)定允許A/D轉(zhuǎn)換，并對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果設(shè)定為左或右調(diào)整:設(shè)定VDD和VSS為參考源;經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后，存入A/D結(jié)果寄存器中，再經(jīng)過軟件處理。由試驗(yàn)和空氣質(zhì)量傳感器的特性得知:空氣質(zhì)量的污染程度與電阻R1的電壓值成正比例關(guān)系，即R1電壓值越高，污染程度越高。空氣質(zhì)量良好時(shí)，系統(tǒng)通過EMP7128SLC84-15去控制停止風(fēng)機(jī)和紫外光燈工作，且液晶顯示屏的底色為綠色;當(dāng)污染程度偏高時(shí)，EMP7128SLC84-15控制打開風(fēng)機(jī)和紫外光燈用來凈化空氣，并且液晶顯示屏的底色為黃色。

3 CPLD軟件設(shè)計(jì)

CPLD具有用戶可編程、時(shí)序可預(yù)測(cè)、速度高和容易使用等優(yōu)點(diǎn)。上至高性能CPU，下至簡(jiǎn)單的74電路，都可以用CPLD來實(shí)現(xiàn)。而且CPLD的可編程性，使修改和產(chǎn)品升級(jí)變得十分方便。用戶可以根據(jù)原理圖或硬件描述語言自由地設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，然后通過軟件仿真，事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。采用VHDL語言進(jìn)行軟件編程，利用Altera公司的CPLD開發(fā)軟件Quartus Ⅱ進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、項(xiàng)目處理、項(xiàng)目校驗(yàn)及器件編程等。設(shè)計(jì)輸入可采用原理圖輸入、文本輸入、波形輸入或第三方EDA工具生成的設(shè)計(jì)網(wǎng)表文件等輸入方法;設(shè)計(jì)校驗(yàn)包括功能仿真、時(shí)序仿真和定時(shí)分析;器件編程是用經(jīng)過仿真確認(rèn)的配置文件配置CPLD器件;在線校驗(yàn)是對(duì)編程后的CPLD器件加入實(shí)際的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，檢查是否可完成預(yù)定功能;最后完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

CPLD軟件設(shè)計(jì)主要基于模塊化設(shè)計(jì)思想。將控制系統(tǒng)根據(jù)功能不同分成若干模塊，并分別對(duì)這些模塊在Quartus Ⅱ開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行編程設(shè)計(jì)仿真，當(dāng)每個(gè)模塊都設(shè)計(jì)正確時(shí)，在Quartus Ⅱ開發(fā)平臺(tái)上將給個(gè)模塊連接成頂層設(shè)計(jì)原理圖仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。現(xiàn)可將光催化空氣凈化器控制系統(tǒng)主要分為鍵盤掃描電路、鍵盤消抖電路、分頻器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)機(jī)子模塊。其頂層設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

圖4 頂層設(shè)計(jì)原理圖

4 結(jié)束語

該文介紹了使用CPLD在相應(yīng)開發(fā)軟件Quartus Ⅱ軟件支持下，使用原理圖方式和VHDL硬件描述語言結(jié)合實(shí)現(xiàn)光催化空氣凈化器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì);利用CPLD芯片EPM7128SLC84-15設(shè)計(jì)了硬件電路并制作成實(shí)際的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。這種設(shè)計(jì)方法使設(shè)計(jì)人員擺脫了電路細(xì)節(jié)的束縛，設(shè)計(jì)效率高、成本低，電路制作簡(jiǎn)單、可靠性好，并且各模塊均可進(jìn)行功能仿真，便于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和進(jìn)行修改，特別有利于新產(chǎn)品試制，大大縮短了開發(fā)周期;CPLD還具有保密性強(qiáng)、受外界干擾影響小，電磁兼容(EMC)性能好、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，體現(xiàn)了EDA技術(shù)及CPLD器件的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景，所以使用CPLD作為光催化空氣凈化器的控制系統(tǒng)是一個(gè)很好的選擇。

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