基于單片機控制的PM2.5空氣凈化器的設計與研究

德州學院機電工程學院 翟龍濤 李慶才 高勇善

基于單片機控制的PM2.5空氣凈化器的設計與研究

德州學院機電工程學院 翟龍濤 李慶才 高勇善

基于單片機控制的PM2.5空氣凈化器是以STC12C5A60S2單片機為核心，以高性能負離子發生器、積塵除塵管道、火焰傳感器、報警器、LCD1602液晶顯示屏、數字溫濕度傳感器模塊DHT11、GSM短信模塊、PCF8591模塊、超高速無葉風扇等電路元件為執行系統，對周圍的環境進行檢測處理，旨在解決霧霾問題的同時，給人們的生活帶來最大的便利。

單片機；空氣凈化器；PM2.5

隨著社會的發展，霧霾問題出現在了人們的視野中，給人類的生存發展帶來了不容小覷的影響。其中，導致霧霾的罪魁禍首就是PM2.5，PM2.5體積小、但活性極強并且極易攜帶病毒和重金屬物質，被人體吸入后，給人們的健康帶來了極大的影響。針對霧霾問題所帶來的問題，本文設計了一款集多功能為一體的智能PM2.5空氣凈化器，旨在解決霧霾問題的同時，給人們的生活帶來最大化的便利。

1　系統簡介

1.1系統的組成

本文所設計的PM2.5空氣凈化器是以STC12C5A60S2單片機為核心，以高性能負離子發生器、積塵除塵管道、火焰傳感器、報警器、LCD1602液晶顯示屏、數字溫濕度傳感器模塊DHT11、GSM短信模塊、PCF8591模塊、超高速無葉風扇等電路元件為執行系統，對周圍的環境進行檢測處理。PCF8591模塊將采集到的信息傳送給單片機，單片機通過預先設置好的程序對所接受到的信息做出相應的反應，進而實現不同的功能。

1.2主要執行系統的介紹

(1)高性能負離子發生器

負離子發生器是將輸入的電信號經EMI處理電路及保護電路處理后，經一些列的電路轉換后，將直流負電壓釋放到載體的尖端，通過尖端放電原理，利用尖端直流高壓產生高電暈，進而釋放出大量的電子（e-），由于電子固有的特性，它會主動結合空氣中的灰塵、PM2.5顆粒、細菌等極小的顆粒，結合后會使得結合物的質量升高，在萬有引力的作用下才生沉降，所以它無法長久的存在于空氣中，正是基于這一特性，來達到空氣凈化、消毒殺菌的目的。對于尖端電離產生的小粒徑負離子，對人體而言，也具有醫療保健功效：具有促進細胞新陳代謝、改善心肺特性、增強機體免疫能力等功能，因而我們選用性能高的負離子發生器。

(2)積塵除塵管道

圓柱形通道管與積塵箱的配合，構成了積塵除塵通道?；覊m降落管道的選用，首先要考慮防止灰塵的二次污染，即：圓柱形通道管應使得灰塵降落過程中受阻最小化，防止灰塵不能降落到指定的積塵箱內，造成二次污染，因而我們選用圓柱形落塵管道。積塵箱我們選用推拉槽式的積塵箱，這樣的積塵箱即方便收集從積塵除塵通道降落下來的塵埃，又方便將收集到的塵埃進行清理。

(3)DHT11數字溫濕度傳感器模塊

本裝置采用DHT11數字溫濕度傳感器來對周圍環境的溫濕度進行檢測，DHT11是一款包含已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它具有一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，是一個溫濕度一體化測量的傳感器，它具有耗能低、響應時間快、測量精度相對較高等特點，3.3V至5.5v的直流工作電壓可以滿足STC12C5A60S2對它的控制，DHT11傳感器將采集到的信息傳送到單片機，單片機根據接收到的信息在單片機系統內部將其轉化為可視的數字變量，再將數據傳送到LCD1602液晶顯示屏上，將數據顯示出來。

(4)LCD1602液晶顯示屏

本裝置采用LCD1602液晶顯示屏對溫濕度等信息進行顯示，它可以同時顯示16x02即32個字符，我們根據實際的需要，在1602顯示屏上下分別設置顯示溫度、濕度與相對應的參數。

(5)火焰傳感器模塊

火焰傳感器是一款對火焰特別敏感的傳感器件，可用于檢測一定范圍內的火光情況，常與報警器結合用作火災報警。它配有可調精密電位器，可以用來調節它的靈敏度，以適應不同場合不同光源的檢測。

(6)GSM短信模塊

GSM短信模塊我們采用SIM900A模塊，該模塊支持2G、3G、4G手機卡，擁有短信、數據、彩信和上網等功能。5V供電，可以直接與單片機相連，屬于低耗能裝置，待機電流只需80MA左右，休眠低至10MA，因而適用范圍廣，適合在本套裝置中使用。

2　功能介紹及工作原理

2.1凈化除塵

本裝置是以STC12C5A60S2單片機為控制核心，配以相應的程序，用來對電路中信息的處理和對執行電路的控制，具有超高速、低耗能，抗干擾極強的特點，是傳統8051單片機運行速度的8—12倍左右，在本套裝置中處于的核心地位。高性能負離子發生器、積塵除塵管道與超高速無葉風扇設在空氣凈化器內部，通過超高速無葉風扇的高速轉動使得空氣凈化器的內部形成真空，此時便會與外界大氣形成壓差，由于大氣壓強瞬間大于空氣凈化器內部的壓強，就會導致含灰塵、PM2.5離子、細菌等小顆粒的空氣進入負離子發生器中，在負離子發生器中經過尖端放電過程后，空氣中的有害小顆粒經結合、沉降、積淀后，通過積塵除塵管道進入到積塵箱中，凈化后的空氣由凈化器的出口排除，以到達凈化空氣的作用。

2.2火災報警

PM2.5空氣凈化器為居家生活所必備，除具有凈化除塵功能外，還具有火災報警的功能。此功能是由安裝在空氣凈化器外部的火焰傳感器和PCF8591模塊檢測火災的信息，經處理送達單片機，通過與之前設定好的程序動作進行比較，進而做出相應的反應?；鹧鎮鞲衅?、報警器、GSM短信模塊的結合使用，是實現智能火災報警功能的前提。GSM短信模塊與報警器直接與單片機相連，通過聲音報警與電話報警雙向報警功能進行報警：如若家庭發生因線路老化或其他因素

引發的火災后，系統采集到火災信息后，通過報警器發出報警聲與撥通戶主手機進行雙重報警為保障，以保證火災信息能夠及時送達主人，讓主人及時處理火災情況，已達到損失最小化的目的。

2.3溫度檢測

空氣凈化器的溫度檢測功能主要由DHT11數字溫濕度傳感器模塊與PCF8591模塊配合使用來對外部溫濕度采集，為防止干擾信號的產生，需在電源引腳（VCC、GND）之間加上一個0.1UF的電容用做去耦濾波。當系統采集到外部環境的溫濕度信息時，將采集到的信息送達STC12C5A60S2中，再將信息轉化成人為可見的數字量顯示在LCD1602液晶顯示屏上。LCD1602液晶顯示屏可分為上下兩行顯示，我們讓其分別顯示溫度、濕度的數字變化。

3　裝置綜述

本裝置采用STC12C5A60S2單片機為控制系統，對空氣凈化器的電路元件進行控制。裝置上電即工作，通過負離子發生器與超高速風扇的協調配合對“吸”入的空氣進行處理，已到達凈化空氣的作用；DHT11數字溫濕度傳感器模塊與PCF8591模塊的配合用于對環境溫濕度信息的采集處理，再將參數信息送達單片機進一步加工處理，將環境的溫濕度參數通過LCD1602液晶顯示屏顯示出來，可以實現良好的人機交互；由與單片機連接的火焰傳感器、PCF8591模塊、報警器以及GSM短信模塊用于對家庭火災信息的檢測報警，一旦檢測到火災便可通過報警器的聲音報警以及GSM短信模塊的電話報警雙重報警機制進行報警，通知戶主及時處理火災信息，以確保損失最小化。

4　結束語

對于霧霾嚴重的今天來說，環境溫濕度多變與火災多發仍是一個不容忽視的問題。本文所設計的PM2.5空氣凈化器正是基于這一現存問題與智能家居一體化的設計思路研制的，是一款集空氣凈化、溫濕度檢測與火災檢測等功能與一體的智能家居裝置，是居家生活不可或缺的好幫手。

[1]梁馭辰,倪源蔚,俞熹.空氣凈化器對于PM2.5的凈化特性研究[M].大學物理,2015.

[2]羅群.室內外細顆粒物污染及空氣凈化[M].大連理工大學,2014.

2015年地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目(項目編號201510448056)的資助。

翟龍濤（1993—），男，山東煙臺人，大學本科，主要從事新能源開發與利用方面的研究。