Design of Intelligent Indoor Air Purification System*

YAO Jia，ZHANG Zijia，2*，ZHU Li

(1.Department Of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210000，China)

Design of Intelligent Indoor Air Purification System*

YAO Jia1，ZHANG Zijia1，2*，ZHU Li1

(1.Department Of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210000，China)

The purification of indoor air can improve the air quality in our working and living environment．An intelligent indoor air purification system based on C8051F020 microcontroller was designed．The system includes data acquisition module，driver control module of motor and UV light，feedback signal detection module of UV lamp，TFT LCD touch display module，infrared remote module and the buzzer sounding module．An intelligent control of indoor air purification was implement，and a friendly interface TFT LCD touch display was provided．Experimental results show that the system is reliable，stable，and effective，which can be adapted to different applications．

C8051F020 microcontroller;indoor air purification system;intelligent control;friendly interface

隨著工業發展和現代化進程的推進，全球空氣污染日益嚴重，人們生活和工作的室內空氣質量也逐漸變差［1］。室內空氣的污染不但嚴重影響了人們的日常生活而且危害了人類的身體健康，因此為保證身體的健康和良好的工作環境，出現了各種室內空氣凈化器。目前，空氣凈化器主要包括機械過濾吸附式、靜電式、負離子式、紫外光式等［2］，它們大多操作繁瑣，并且成本較高。基于C8051F020單片機的智能室內空氣凈化系統，以C8051F020單片機為控制核心，結合過濾膜和紫外光殺菌技術，通過對氣體傳感器陣列的數據采集，實現了對粉塵、甲醛、CO2濃度的實時監測，在自動模式下通過對這些空氣質量數據的監測實現凈化過程的自動控制，在手動模式下可自主選擇啟動某種轉速的電機，結合3．2 inch TFT液晶觸摸屏提供的友好人機交互界面，以及紅外遙控功能和蜂鳴器發聲裝置，實現了對空氣凈化過程的智能控制，在系統性能優越性、成本、以及可靠性上做出了較大的改善。

1　系統總體結構及工作原理

設計的智能空氣凈化系統可對室內空氣中的粉塵、甲醛、CO2等有毒有害氣體信息實時采集，利用過濾膜過濾室內空氣中的顆粒狀污染物，利用紫外線的照射破壞致病體的DNA結構達到消毒滅菌的作用。系統啟動分為自動模式和手動模式兩種，自動模式中對有害氣體濃度凈化標準有一般、良好、優質3種標準，手動模式中的3個電機分別運行在低速、中速、高速3種狀態。一般標準對應啟動的是低速運行的電機，依此類推。自動模式下用戶選擇凈化標準后即可實現凈化過程的自動控制，手動模式下用戶選擇啟動某種轉速的電機，但當凈化完成后還需其他手動操作。在自動模式凈化過程中，空氣中有毒有害氣體濃度低于或等于標準值時，自動停止電機，高于標準值時，自動啟動電機，實現了標準值下室內空氣凈化過程的智能控制。在手動模式凈化過程中，用戶可根據液晶屏顯示的空氣質量數據選擇啟動某種轉速的電機，但當凈化完成時電機仍會運轉，需手動關閉或切換其他轉速或模式。室內空氣中粉塵或甲醛濃度持續6 h超過某一設定值，液晶屏會顯示“清洗膜”，提示用戶清洗或更換過濾膜。CO2含量超過設定值時，液晶屏會顯示“打開窗戶”，提示用戶開窗。同時主控芯片通過紫外燈燈管信號反饋電路傳輸的信號判別紫外燈是否正常工作。為實現對空氣凈化過程的智能控制，提高該系統的性能和可靠性，采用C8051F020為控制核心，主要包括氣體傳感器陣列數據采集模塊、電機和紫外燈驅動控制模塊、紫外燈燈管信號反饋模塊、TFT液晶觸摸顯示模塊、紅外遙控和蜂鳴器發聲裝置等。氣體傳感器陣列包括DHT11溫濕度傳感器、DSM501粉塵傳感器、MG811型CO2氣體傳感器、MQ138甲醛傳感器。系統結構框圖如圖1所示。

圖1　系統結構框圖

2　系統硬件設計

2．1微控制器選擇

目前微處理器種類繁多，C8051F020基于高速8051微控制器內核、流水線指令結構，速度可達25 Mindication/s，4 352 byte內部數據RAM，64 kbyte可在線編程的flash存儲器，外部64 kbyte數據存儲器接口。內含真正12 bit 100 ksample/s的8通道ADC，真正8 bit 500 ksample/s的8通道ADC，均帶PGA和模擬多路開關，以及2個12 bit DAC。具有8 byte寬的端口I/O，可同時使用的硬件SMBus (I2CTM兼容)，SPITM以及兩個UART串口。具有5個通用16 bit定時器，可編程的16 bit定時器陣列，有5個捕捉模塊［3］。與以前的51系列單片機相比，在同等成本的情況下，可靠性和速度有了很大提高。

2．2氣體傳感器陣列

所設計的空氣凈化系統需要能識別多種氣體并且要監測室內溫濕度，因此系統中需要多種氣體傳感器［4－6］。

DSM501粉塵傳感器是韓國SYHITECH專利產品，內置加熱器可自動吸入空氣，采用粒子計數原理，PWM脈寬調制輸出，可靈敏檢測直徑1 μm以上的粒子，且尺寸小質量輕，易于安裝使用。多應用于空氣清洗機、空氣調節器、空氣質量檢測儀以及通風設備上。DSM501粉塵傳感器采用5 V供電，在控制腳和地之間加100K的電位器，調整輸出腳1的敏感度。

MG811型CO2氣體傳感器對CO2有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響小，具有良好的穩定性、再現性。該傳感器采用固體電解質電池原理，置于CO2氣氛中時，電極會發生化學反應，傳感器敏感電極與參考電極間的電勢差(EMF)符合能特斯方程。由于傳感器輸出的電壓信號比較微弱，需經運放放大電路放大3倍。

MQ138甲醛傳感器適宜醇類、醛類、芳族和酮類等有機溶劑的探測，具有壽命長、穩定性好和較高的靈敏度等特點。應用于家庭、環境的有害氣體探測裝置。在檢測過程中，空氣中甲醛濃度越高，傳感器的電導率就越高。使用簡單的電路即可將這種電導率的變化轉換為與甲醛濃度對應的電壓輸出信號。

環境溫濕度也是影響傳感器測量的重要環境因素，所設計的空氣凈化系統采用了DHT11數字溫濕度傳感器，具有單線制串行接口與微處理器通訊和數據傳輸。

氣體傳感器陣列的數據采集［7－9］主要分為數字信號和模擬信號兩種。DSM501粉塵傳感器以及DHT11數字溫濕度傳感器輸出數字信號可直接連接C8051F020的數字I/O口，MG811型CO2氣體傳感器以及MQ138甲醛傳感器的輸出信號是模擬量，需經過AD轉換才能用于顯示和控制。本系統采用C8051F020單片機片內的一個12位逐次逼近型ADC，該ADC具有可編程轉換速率，最大可達100 ksample/s，誤差低至±1LSB。8通道的外部輸入可編程設置為8個單端輸入或4對差分輸入，可通過設置可編程增益放大器實現0．5倍～16倍的放大增益選擇，具有數據相關窗口中斷發生器，且內置溫度傳感器。在AD初始化中通過寫寄存器將AD設置為單端輸入，增益為1，采樣率為100 ksample/s，由定時器3溢出啟動轉換，使能內置溫度傳感器、片內參考電壓以及ADC中斷。氣體傳感器陣列與C8051F020單片機的連接如圖2所示。

圖2　氣體傳感器陣列與C8051F020連接圖

2．3電機和紫外燈控制電路

電機和紫外燈的控制是整個系統至關重要的部分，電機將在單片機的控制下帶動風扇轉動，使室內空氣形成循環，調整空氣凈化系統的工作狀態與殺菌效果。該系統可分為控制端和控制終端，控制端的操作均可通過紅外控制終端實現。根據系統的需求，所設計的空氣凈化系統采用1個照射殺菌的紫外燈和3個交流單相異步電機［10］，且3個電機分別對應低速、中速、高速3種運行狀態。在控制端手動模式下用戶可以根據空氣凈化系統顯示的空氣質量數據觸摸屏幕來選擇啟動哪種運行狀態的電機。利用24 V繼電器和三極管構成的驅動控制電路分別與主控芯片的P4．0～P4．3端口相連，分別對高速、中速、低速3種轉速的電機和紫外燈實現控制。系統還可以采用氣體傳感器陣列數據采集模塊采集的空氣質量數據自動調節和控制凈化過程，例如在自動模式一般標準下，凈化開始時主控芯片的P4．2和P4．3端口輸出高電平驅動低速的電機和紫外燈，凈化過程中空氣中有毒有害氣體濃度低于或等于一般標準值時，P4．2端口輸出低電平，斷開低速電機回路，低速電機停止運行，有毒有害氣體濃度高于一般標準值時，再自動啟動低速電機。良好、優質凈化標準分別對應啟動中速和高速電機，自動模式下就實現了室內空氣凈化過程的智能控制。紫外燈和電機均采用220 V供電，性能穩定、控制簡單，控制電路如圖3所示。

圖3　電機和紫外燈控制電路

2．4燈管信號反饋電路

所設計的空氣凈化系統為了確保空氣凈化過程中紫外燈能正常工作，設計了燈管信號反饋電路。燈管信號反饋電路的作用是將紫外燈管當前的狀態信號檢測、輸出給C8051F020的P7．5端口，如圖4所示，接線端LAMP_IN為燈管的狀態檢測引腳，選擇LM393構成的比較器電路作為紫外燈燈管反饋信號的檢測電路，C8051F020的P7．5端口對接線端LAMP_IN的狀態進行檢測，若紫外燈正常工作接線端LAMP_IN檢測到高電平，反之則檢測到低電平。

圖4　燈管信號反饋電路

圖5　ILI9320與液晶屏連接電路

2．5TFT液晶觸摸顯示

大多數室內空氣凈化器都采用LCD12864作為輸出顯示器，并采用傳統的按鍵控制方式。本文所設計的空氣凈化系統采用集成ILI9320驅動的3．2 inch TFT液晶觸摸屏。TFT液晶屏顏色豐富，可達262 144色，分辨率為240像素×320像素，且帶觸摸功能，為系統提供了友好的人機交互界面。ILI9320［11］接口為37引腳的FPC軟排線，支持i80/ 8-bit、i80/16-bit、VSYNC以及SPI等通訊模式。系統采用了i80/16-bit模式，其與液晶屏連接方式如圖5所示。ADS7846是德州儀器生產的一款四線電阻觸摸屏驅動專用驅動芯片，可以自動采樣X軸、Y軸電壓值，然后通過標準的SPI協議發送給MCU，操作簡單，精度高［12］。對于觸摸在按下和釋放過程中的抖動問題，可通過軟件進行鍵消抖。觸摸屏驅動電路如圖6所示。

圖6　觸摸屏驅動電路

3　軟件設計

3．1軟件總體結構設計

根據系統的功能需求分析與硬件模塊的設計，室內空氣凈化系統對于軟件程序的需求可以分為以下幾個部分:初始化程序、顯示器控制子程序、傳感器信號采集處理子程序、定時子程序、中斷處理子程序、觸摸控制子程序、電機驅動控制子程序、紫外燈燈管檢測子程序、紅外信號處理子程序、蜂鳴器控制子程序，其總體結構的設計如圖7所示。

圖7　控制系統軟件總體設計方框圖

3．2控制系統主程序流程

根據總體設計，各模塊處理子程序依賴于主程序的調度，共同完成控制系統功能。主程序流程圖如圖8所示，系統上電后屏幕顯示各種參數，模式選擇后啟動運行，模式間可互相切換。

4　實驗結果顯示

傳感器陣列及控制驅動模塊連接實物圖如圖9所示。為了測試該系統，選定在一個體積為20 m3的辦公室內進行測試。選擇室內空氣凈化系統在自動模式優質標準下，傳感器陣列采集當前室內空氣溫濕度以及甲醛甲苯濃度、空氣灰塵濃度、二氧化碳濃度數據，經單片機轉換后顯示出凈化之前空氣質量數據如圖10所示。此時空氣質量低于設定的優質標準，系統自動啟動紫外燈和高速電機，對空氣進行凈化，并在屏幕上顯示當前室內空氣質量實時數據，一段時間后，空氣質量達到設定的優質標準，高速電機停止工作，顯示當前室內空氣質量優質，傳感器陣列采集當前室內空氣質量數據顯示如圖11所示。凈化后，室內空氣溫濕度基本不變，甲醛甲苯濃度、空氣灰塵濃度、二氧化碳濃度明顯減少，室內空氣質量得到顯著改善。

圖8　控制系統主程序流程圖

圖9　控制驅動主板連接實物圖

圖10　凈化前

圖11　凈化后

5　結束語

設計了一種基于C8051F020單片機控制原理的室內空氣智能凈化系統。在傳統化學、物理和紫光燈殺菌凈化原理基礎上，結合傳感器技術以及傳感器數據采集原理，利用C8051F020單片機控制原理，使用工作效率高的交流單相異步電機，集顯示、觸摸、遙控于一體，完成了室內空氣智能凈化系統的設計。實驗表明該系統性能穩定、功能性強、操作簡單、凈化效率高并且節能環保，可廣泛用于醫院、賓館、學校等人員密集場所或對空氣質量有特別要求地方。

［1］馬嫚，程鉛，陳慧，等．基于信息融合技術的空氣質量檢測系統［J］．電子器件，2013，36(4):554－558．

［2］任俊龍．基于AVR單片機的空氣凈化器控制系統的硬件設計與實現［D］．合肥:合肥工業大學，2010．

［3］CYGNAL．Mixed-Signal 64 kbyte ISP FLASH MCU Datasheet．

［4］Ma X T，Wang H Y，Wang L．Indoor Air Quality Detect and Control System Based on Gas Sensor Array［J］．Journal of Transducer Technology，2002，21(11):24－27．

［5］郜麗鵬，林云．基于凸優化理論的多傳感器故障診斷技術［J］．電子測量與儀器學報，2009，23(8):39－43．

［6］周愛國，陳羽，周全，等．空氣質量流量傳感器的流場分析及安裝位置優化［J］．儀表技術與傳感器，2011(10):7－9．

［7］宋鵬飛，王厚軍，曾浩．高速深存儲數據采集系統研究與設計［J］．儀器儀表學報，2011，32(4):903－912．

［8］張沁川，王厚軍．動態采集過程的系統模型和評價方法研究［J］．儀器儀表學報，2012，33(1):42－48．

［9］李楠，王曉東，王濤，等．基于C8051F064單片機的高速數據采集與存儲系統［J］．電子器件，2007，30(2):628－632．

［10］董玉德，黃開，金運掌，等．室內柜式空氣凈化器嵌入式系統的設計［J］．電子測量技術，2013，36(3):62－66．

［11］ILI Technology Corp．ILI9320 Datasheet［R］．

［12］廉小龍，夏路易，胡旭．基于LM3S1138的觸摸屏系統設計［J］．機械工程與自動化，2012(4):17－19．

姚佳(1988－)，女，漢，江蘇揚州人，南京信息工程大學信息與控制學院在讀研究生，主要研究方向為智能儀器儀表、檢測技術與系統集成，yaojia1220 @126．com;

張自嘉(1964－)，男，漢族，河南南陽人，南京信息工程大學信息與控制學院教授，碩士生導師，主要研究方向為現代傳感器、嵌入式檢測技術等，zhzijia@126．com。

EEACC:772010．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．043111

智能室內空氣凈化系統設計*

姚佳，張自嘉，2*，朱莉
(1.南京信息工程大學信息與控制學院，南京210044;2.江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京210000)

對室內空氣的凈化，可提高人們工作和生活環境的空氣質量。設計了一種基于C8051F020單片機的智能室內空氣凈化系統，該系統主要包括氣體傳感器陣列數據采集模塊、電機和紫外燈驅動控制模塊、紫外燈燈管信號反饋模塊、TFT液晶觸摸顯示模塊、紅外遙控和蜂鳴器發聲裝置等，實現了空氣凈化過程的智能控制，提供了TFT液晶觸摸顯示的友好操作界面。實驗證明該系統具有可靠性高、性能穩定、效果明顯等特點，可適應不同的應用場合。

C8051F020單片機;室內空氣凈化系統;智能控制;友好操作界面

TP23

A文獻標識碼:1005－9490(2015)01－0203－06

2014－01－16修改日期:2014－02－19

項目來源:國家自然科學基金項目(61172029，51206082，61302189)