基于物聯網云傳輸的智能化空氣凈化器裝置

何正鈺，魏彗星

（南京工業大學電氣工程與控制科學學院，江蘇南京211800）

基于物聯網云傳輸的智能化空氣凈化器裝置

何正鈺，魏彗星

（南京工業大學電氣工程與控制科學學院，江蘇南京211800）

以C8051F020單片機為控制核心，利用溫濕度傳感器、空氣質量傳感器、夏普GP2Y1010AU0F PM2.5傳感器檢測到的信號來控制電機的工作狀態，再加入Wi-Fi模塊，從而實現物聯網遠程控制空氣凈化功能。設計空氣凈化器裝置硬件的各個模塊，分別是電源控制模塊、電機模塊、數據采集模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、Wi-Fi等模塊，并利用AD6繪制原理圖，在此基礎上實現運行與調試。

空氣凈化器；C8051F020單片機；傳感器；功能模塊

0 引言

隨著經濟增長步伐的加快，人們生活水平的不斷改善，空氣質量問題也逐漸受到了關注。室內的空氣污染成為影響人們健康的首要因素[1]?？諝赓|量的好壞直接影響著我們人們的健康，而目前的空氣質量甚是讓我們擔憂。因此設計一款室內空氣凈化裝置就顯得尤為重要，再者，目前物聯網成了主流發展趨勢，所以在此基礎上本文設計一款云傳輸的空氣凈化器裝置。

1 控制系統的總體設計

本次設計出的空氣凈化器主要是用過濾網對空氣中的污染物進行過濾，并能實現聯網通信功能。利用電機的轉速將空氣送入凈化器內，經過濾網將空氣中的顆粒物、類似甲醛的氣體等過濾，再由風機送出到室內，達到凈化空氣的目的，同時通過Wi-Fi進行移動終端通信。

根據設計思路，空氣凈化器是利用了風機將空氣送入凈化器，經過初過濾網，活性炭過濾網，HEPA高效空氣效過濾網等過濾網，層層過濾，最后由風機將空氣送入室內，達到凈化空氣的作用，同時使用WiFi模塊，通過手機App實現遠程控制。設計模塊如圖1所示：

圖1 空氣凈化器的設計模塊

由上圖可將空氣凈化器控制系統分為以下主要模塊進行詳細的設計：

電源模塊是整個系統的供電核心，產生5V、3.3v、2.85V直流電壓信號。傳感器模塊主要包括VOC傳感器、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器等。電機模塊選用的是單相異步交流電機，并且輸入電壓是220V交流電，由電容來驅動，同時單片機會根據傳感器或是按鍵送入的信號來控制電機的轉速。液晶顯示器是用來顯示凈化器處在工作狀態下的信息，包括了溫度、濕度、空氣質量、PM2.5值、狀態等信息。按鍵功能的設計主要包括：電源按鍵、模式按鍵、選擇按鍵、復位按鍵。Wi-Fi通信模塊，實現了移動終端的遠程控制，通過App模塊實現了移動端（手機）和智能空氣凈化器的匹配，移動端可以將指令發送至服務器，服務器將指令轉發至智能空氣凈化器，從而達到遠程控制的目的；同時還實現了和移動端（手機）實時互動的功能，手機端將指令通過網絡發送至服務器，服務器再推送至對應的智能空氣凈化器實現實時傳送功能。

控制系統的原理框圖

本文研究的空氣凈化器控制系統由日常使用的220V的交流電來供電，經過一系列的處理，得到了5V、3.3V與2.85V的直流電源，并為電路進行供電。然后，C8051F020單片機將根據傳感器檢測到的信號或按鍵的產生的信號來控制電機的狀態。系統的總體原理框圖如圖2所示。

圖2 系統的總體原理框圖

圖4 PM2.5傳感器原理圖

2 系統硬件設計

2.1 控制器選型

控制器核心選用C051F020單片機，其最小系統如圖3所示。

當C8051F020單片機上電后時，復位端電壓相當于低電平實現上電復位；當斷電后形成放電回路，實現斷電復位。C8051F MCU的CIP-51內核采用流水線結構，與標準的8051結構相比，指令執行速度有很大的提高。標準的8051單片機執行一個單周期指令需要12個系統?時鐘周期，而C8051F MCU執行一個單周期指令只需要一個系統時鐘周期。如果系統時鐘頻率為25MHz，執行一個單周期指令所需時間為40ns。

2.2 氣體傳感器選型

日本夏普公司灰塵傳感器GP2Y1010AU0F，體積小巧，靈敏度高，而且內置氣流發生器，可以自行吸入外部空氣。安裝保養方便，使用壽命長，精度高，穩定性好。內部原理圖如圖4所示：

圖4中引腳1為V-LED，引腳2LED，引腳3為LED-GND，引腳4為VCC，引腳5為VO，引腳6為SGND。

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。體積小、功耗低，較遠的信號傳輸距離，這使其成為各類應用甚至最為嚴格的應用場合的最佳選則。

圖3 單片機最小系統

空氣質量傳感器選用MF-AQM-TVOC系列空氣質量檢測模塊，該模塊帶零點標定、自帶溫濕度補償，體積小、數字信號輸出、多級別信號輸出，可定制開發設計。單片機傳感器接口電路如圖5所示。

圖5所示為VOC傳感器、溫濕度傳感器和PM2.5傳感器的接口電路。圖中VCC、VDD為所接供電電源，OUT為輸出信號，GND為接地線。

2.3 電機控制電路

電機控制原理如圖6所示。

圖6中通過三極管實現了電機的低檔、中檔和高檔調速，分別對應為LOW、MED和HIGH。

2.4 去液晶顯示

根據設計需求，當設備通電時，在顯示器上會顯示空氣凈化器正在工作時的狀態，主要有工作模式、溫濕度、PM值、空氣質量等信息?？諝鈨艋鞯娘@示模塊選用型號為TM128128A4KFWGWC36-1液晶顯示器。TM128128A4KFWGWC36-1液晶顯示器共29個引腳，液晶模塊由外部提供+2.85V電源；第15腳實現的是顯示器的復位；第2和3引腳分別接在LED+和LED-LCD上即背光的正負極，并提供+2.85V電壓；讀/寫控制信號R/W，分別接到C8051F020單片機的P47和P46引腳；D0-D7表示顯示器的數據引腳，接在了C8051F020的P70-P77輸入/輸出接口上。顯示器模塊的控制電路如圖7所示。

圖7 液晶顯示器模塊的控制電路

2.5 仿真設計

本空氣凈化器控制系統的單片機仿真電路則是采用C8051JTAG方式。其電路原理如圖8所示：

圖8 JTAG程序仿真電路原理圖

3 控制系統的軟件模塊化設計

為了滿足工作的要求，在所設計的硬件電路的基礎上對控制的軟件進行設計，整個軟件程序分為傳感器數據采集模塊、電機控制模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊以及Wi-Fi通信模塊。通過對各模塊調試。系統的軟件程序實現了空氣質量的檢測，并能進行無線通信。系統軟件總體設計方框圖如圖9所示：

圖5 單片機傳感器接口電路

圖6 電機控制原理圖

圖9 系統軟件總體設計方框圖

4 結語

本文研究的空氣凈化器是以C8051F020單片機為核心進行硬件模塊設計以及根據設計要求提出的軟件總體設計方案，從總體結構圖的設計到控制原理的設計，再到各模塊電路設計，最終完成了硬件設計。

[1]董亮，李春林，朱磊.基于單片機的便攜式空氣凈化器[J].微計算機信息，2009-10-15.

[2]董玉德，徐偉，金運掌等.柜式空氣凈化器硬件電路設計[J].電子測量技術，2013-11-15.

[3]邱麥平.空氣凈化器結構及工作原理[J].現代家電，2014-07-25.

[4]劉朝軍，伍靜靜，胡文飛等.空氣凈化器中的過濾分離技術[J].家電科技雜志，2013-08-01.

[5]李鵬.亞都空氣凈化器劍指PM2.5[J].家電科技雜志，2012-02-01.

Intelligent Air Purifier Device Based on Internet of Things

HE Zheng-yu，WEI Hui-xing

（School of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing University of Technology，Nanjng 211800）

Takes the C8051F020 single-chip microcomputer as the control core,uses temperature and humidity sensors,air quality sensor,Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5 sensor to detect the signal to control the working state of the motor,then adds the Wi-Fi module,in order to achieve remote control of air purification function.Designs the modules of the air purifier device hardware,namely the power control mod?ule,the motor module,the data acquisition module,the liquid crystal display module,the key module and the Wi-Fi module,and draws the schematic diagram with AD6,with debugging.

何正鈺（1993-），男，甘肅慶陽人，本科，研究方向為自動化

張印強，13813365825

2017-03-21

2017-05-02

1007-1423（2017）15-0072-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.15.019

魏彗星（1993-），男，湖北咸寧人，本科，研究方向為自動化

Air Purifier;C8051F020 Single Chip;Sensor;Function Module