智能室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦 君，邵清亮，郭美琳

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

0 引言

目前，市面上出售的基本為空氣監(jiān)測(cè)儀或空氣凈化器，兩者功能兼具的少之又少。大部分監(jiān)測(cè)、凈化儀器不能實(shí)現(xiàn)智能控制，需人工控制。基于以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與智能凈化裝置。利用傳感器和液晶顯示屏，用戶(hù)可以隨時(shí)了解室內(nèi)空氣污染程度。當(dāng)空氣污染程度達(dá)到上限時(shí)，由單片機(jī)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，使污染物通過(guò)一系列濾網(wǎng)后被吸附、降解，保證室內(nèi)空氣始終保持在潔凈狀態(tài)，以便為人們提供一個(gè)更加優(yōu)質(zhì)舒適的生活環(huán)境。凈化部分增加風(fēng)壓測(cè)定裝置，以確定濾網(wǎng)疏通度是否合格。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

裝置以51單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。通過(guò)傳感器檢測(cè)空氣溫濕度、粉塵含量、甲醛和苯等揮發(fā)性有機(jī)物濃度，從而確定室內(nèi)空氣質(zhì)量。51單片機(jī)先通過(guò)調(diào)用子程序讀取傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理后，一方面將數(shù)據(jù)傳輸至顯示器，另一方面將數(shù)據(jù)和設(shè)定的空氣閾值進(jìn)行對(duì)比，智能控制報(bào)警裝置和凈化裝置[1]。另外用戶(hù)還可以選擇手動(dòng)模式，根據(jù)需要修改空氣閾值。系統(tǒng)總體構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Overall structure of the system

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)部分硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)部分硬件由51單片機(jī)控制模塊、傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警器模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊等組成。用戶(hù)可及時(shí)掌握室內(nèi)多種污染物的濃度狀況，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制[2]。

2.1 溫濕度信息采集

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的最大優(yōu)勢(shì)在于溫度和濕度可以同時(shí)顯示。單線制的串行接口功耗低、靈敏度高、穩(wěn)定性好，有利于系統(tǒng)集成。其典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 典型應(yīng)用電路 Fig.2 Typical application circuit

設(shè)定主機(jī)每50 ms向傳感器發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)，DHT11接收到信號(hào)后觸發(fā)一次溫濕度采集；采集完成后再將數(shù)據(jù)傳回單片機(jī)進(jìn)行分析。另外，當(dāng)DHT11處在非采集狀態(tài)時(shí)為低速運(yùn)行模式，功耗極低。

2.2 顆粒物信息采集

灰塵傳感器DSM501具有以下特點(diǎn)。①可靈敏檢測(cè)直徑1 μm以上的粒子，包括吸煙所產(chǎn)生的煙霧、花粉和室內(nèi)灰塵等。②通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值來(lái)檢測(cè)不同微粒大小的灰塵。③脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)輸出。④內(nèi)有氣流發(fā)生器，可以自行吸引外部大氣。⑤體積小、質(zhì)量輕、便于安裝[3-4]。

設(shè)定10 s為一周期，使I/O管腳每隔50 ms讀取一次管腳高低電平。當(dāng)DSM501檢測(cè)到顆粒時(shí)，管腳為低電平，否則為高電平。輸出的PWM波形如圖3所示。

圖3 PWM波形 Fig.3 PWM waveform

從圖3可知，脈寬為低電平時(shí)間與周期時(shí)間之比。按照百分制輸送到LCD1602進(jìn)行顯示。

(1)

2.3 MQ135氣體傳感器

MQ135氣體傳感器可檢測(cè)多種有害氣體且監(jiān)測(cè)效果理想，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。

MQ135氣體傳感器利用電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)作為氣敏材料，它的電導(dǎo)率與空氣中污染氣體濃度成正比。利用這一特性，使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出電壓[5]。這里，選用ADC0804芯片讀取輸出電壓，讀寫(xiě)芯片需要根據(jù)芯片的時(shí)序，先使寫(xiě)信號(hào)下降，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；后使讀信號(hào)下降再上升，即可讀取數(shù)據(jù)。

選用P1的8個(gè)I/O口讀取數(shù)據(jù)，傳回的數(shù)據(jù)是0～255的8位二進(jìn)制數(shù)。由于芯片VCC接5 V電壓，所以換算公式為：

(2)

2.4 報(bào)警器模塊

報(bào)警器模塊由LED紅燈、綠燈和蜂鳴器組成。51單片機(jī)將傳感器傳輸來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)化后，同設(shè)定好的空氣限值相比較。當(dāng)超出限值時(shí)，單片機(jī)會(huì)點(diǎn)亮紅燈并啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。在自動(dòng)模式下，單片機(jī)則會(huì)點(diǎn)亮紅燈并直接啟動(dòng)凈化裝置。另外，當(dāng)凈化系統(tǒng)需更換濾芯時(shí)，單片機(jī)會(huì)使紅燈閃爍。

2.5 LCD顯示模塊

通過(guò)1602液晶顯示器，用戶(hù)可以清楚了解到室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，同時(shí)也方便手動(dòng)修改各項(xiàng)污染物的上限值。

2.6 按鍵控制模塊

按鍵控制模塊的主要目的是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。用戶(hù)可以通過(guò)操作面板向單片機(jī)發(fā)送指令，如調(diào)節(jié)污染污染物濃度的上限值、控制系統(tǒng)運(yùn)行等。

按鍵控制要實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)、自動(dòng)/手動(dòng)模式[6]、修改空氣閾值(手動(dòng)模式下有效)和調(diào)節(jié)風(fēng)速這4個(gè)功能。風(fēng)速分為一、二、三檔；面板上配有設(shè)置鍵，用戶(hù)按下設(shè)置鍵后，通過(guò)控制上下左右鍵，選定某一位數(shù)值進(jìn)行增或減，從而達(dá)到更改空氣閾值的目的。

3 空氣凈化部分設(shè)計(jì)

結(jié)合對(duì)現(xiàn)有空氣凈化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，該過(guò)濾裝置主要采用物理凈化方式。凈化部分包括風(fēng)扇、濾網(wǎng)、紫外燈、風(fēng)壓傳感器等。紫外燈、風(fēng)扇和壓力傳感器受控于51單片機(jī)監(jiān)測(cè)端。

3.1 濾層結(jié)構(gòu)及其功效

3.1.1 凈化濾網(wǎng)

前置濾網(wǎng)+HEPA濾網(wǎng)+活性碳纖維濾網(wǎng)三層嵌套，可有效去除室內(nèi)空氣中的煙塵、異味等。前置濾網(wǎng)和活性碳纖維濾網(wǎng)都能直接用水清洗后重復(fù)使用，大大降低了使用成本。

3.1.2 自催化氧化網(wǎng)+紫外燈

采用表面負(fù)載納米二氧化鈦(TiO2)的泡沫鎳濾網(wǎng),其超強(qiáng)的氧化功能可消滅濾網(wǎng)捕捉到的細(xì)菌。配合紫外燈還可以高效降解空氣中的甲醛、苯霉菌等有機(jī)化合物，并將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，避免二次污染。

3.2 風(fēng)壓測(cè)定裝置

在空氣凈化系統(tǒng)中，濾網(wǎng)的重要性不言而喻。然而隨著使用時(shí)間的增加，濾網(wǎng)的通暢度也會(huì)降低。當(dāng)空氣通過(guò)濾網(wǎng)之后，污染程度反而變得更加嚴(yán)重。

該裝置在氣箱的進(jìn)出風(fēng)口都安裝有風(fēng)壓傳感器。當(dāng)空氣通過(guò)傳感器時(shí)，壓力作用在傳感器膜片上引起電阻值發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)試進(jìn)出口風(fēng)壓差的變化情況，判斷濾網(wǎng)疏通度。當(dāng)風(fēng)壓差超過(guò)一定值時(shí)，凈化系統(tǒng)關(guān)閉，同時(shí)紅色指示燈閃爍，提醒用戶(hù)清掃或更換濾芯。

3.3 加濕器

在出風(fēng)口增加濕膜材料，水通過(guò)濕膜頂部的淋水器最終被濕膜材料所吸收。當(dāng)空氣通過(guò)濕膜時(shí)，水分吸收空氣熱量而汽化，將空氣進(jìn)行加濕[7]。

4 環(huán)境監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

以51單片機(jī)作為主控器，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它不僅是所有模塊連接在一起的重要紐帶，而且決定了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的智能化。

環(huán)境監(jiān)測(cè)軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)理念[8]，穩(wěn)定性更強(qiáng)，利于系統(tǒng)的調(diào)試及維護(hù)。系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖 Fig.4 Flowchart of the system

當(dāng)單片機(jī)接收的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值時(shí)，51單片機(jī)則會(huì)通知報(bào)警器報(bào)警并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，通過(guò)凈化裝置來(lái)達(dá)到凈化空氣的目的。用戶(hù)還可以手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和凈化程度。

5 試驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試過(guò)程中，將污染源放置在傳感器附近，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠迅速感知周?chē)諝猸h(huán)境變化，及時(shí)在LCD顯示器上顯示各污染物濃度并發(fā)出警報(bào)信號(hào)。將該裝置放在約12 m2的房間內(nèi)，啟動(dòng)凈化裝置且風(fēng)扇設(shè)定為最大風(fēng)速，凈化效率可達(dá)91%左右[9-10]。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于STC89C51單片機(jī)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與凈化裝置。該裝置運(yùn)用多種傳感器及凈化設(shè)備，可以在自動(dòng)監(jiān)測(cè)情況下智能凈化，保證室內(nèi)空氣始終保持在良好狀態(tài)。其LCD液晶顯示實(shí)時(shí)更新，使室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況一目了然。報(bào)警器設(shè)置提醒用戶(hù)注意空氣問(wèn)題，在很大程度上避免了用戶(hù)在不知情的情況下由于長(zhǎng)期處于劣質(zhì)環(huán)境中而損害健康。該裝置不但解決了頑固的室內(nèi)空氣質(zhì)量問(wèn)題，還擺脫了二次污染的困境，可以廣泛應(yīng)用于普通家庭中。

參考文獻(xiàn):

[1] 邱燦彭.基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)

計(jì)[J].電子制作，2017(4)：77-78.

[2] 郭雙茂,馮浩,周參.采用微控制器操作系統(tǒng)的便攜式儀器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2016,37(1):93-95.

[3] 朱世豪,彭克勤,彭絡(luò)峰.基于arduino的室內(nèi)空氣檢測(cè)器[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2015(1)：191-216.

[4] 代凌云,孫百慧,蘭艷慧，等.汽車(chē)內(nèi)的空氣質(zhì)量檢測(cè)與凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2016(9):48-50.

[5] 曲娜,張悅.空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦編程技巧與維護(hù),2016(10):9-10.

[6] 姚佳,張自嘉,朱莉.智能室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件,2015(2):203-208.

[7] 馮小英,朱曉倩,鄭晨穎,等.濕膜加濕器的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].山東建筑,2016(7):131-132.

[8] 閆海霞.室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014(7):64-66.

[9] 何偉剛,李政林,章帆.一種小型室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016(5):73-75.

[10]郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.