基于單片機的車載空氣凈化器控制系統設計

孔令猛，閆永澤，李 昊

（遼寧科技大學電子與信息工程學院，遼寧鞍山，114000）

0 引言

隨著我國汽車家庭普及率的上升，汽車內塵屑、揮發性有機物以及汽車空調運行從進風口進入的大氣污染物對人體影響問題被重視起來。而且汽車內相對封閉，會導致小區域內廢氣量過高，供氧不足，容易引發駕駛員注意力不能集中、疲倦等現象。長期處于這種環境下，會對人體產生健康威脅。現有的車載空氣凈化器多為濾網式家用凈化器演變而來，這種凈化器通常小巧，擺放于車內。這種凈化器雖然能有效凈化細菌、灰塵等有害物質，但因為體型小巧，所以產品功能少、凈化效率低[1]。

本設計以STC15W401AS單片機為核心，結合溫濕度傳感器、臭氧凈化器、靜電除塵器、負離子凈化器和加濕裝置，設計了車載空氣凈化器。

1 控制系統硬件設計

硬件部分采用模塊設計，采用繼電器控制各模塊的開啟與關閉。系統的結構圖如圖1所示。

圖1 車載空氣凈化器系統結構圖

該系統采用STC15W401AS單片機，該單片機采用8051內核，它具有2K字節的存儲空間，擁有兩個獨立的串口，擁有高速10位轉換器，8通道，高速、可靠[2]。該單片機屬于1T單片機，比傳統12T單片機快8到12倍。采用該處理器滿足低成本、速度快、可靠性好的要求。

1.1 電源轉化模塊

由于STC15W401AS單片機的額定工作電壓為3.3V，同時繼電器需要5V直流電供電。因此，電源轉化模塊采用了LM2576，將汽車直流12V電壓經LM2576轉化為3.3V和5V直流電，經過濾波后分別提供給單片機和繼電器使用，如圖2所示。

圖2 電源模塊圖

LM2576是常用的穩壓芯片，其最大電流可達3A，完全能夠推動繼電器工作。LM2576能制作出高可靠性的單片機電源[3]。因此通過采用3.3V和5V兩個型號的穩壓芯片，滿足系統的供電需求。

1.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11是一款較常用溫濕度檢測模塊，DHT11在內部集成了控制和校準電路，外部不需要其他任何元件。與此同時，DHT11在精確的濕度校驗室進行過校準，在使用中不需要進行校準工作，簡化了制作車載空氣凈化器的使用過程[4]。由此可見DHT11具有非常好的穩定性和可靠性，非常適合此控制系統使用。

圖3 DHT11應用電路

DHT11中的DATA腳作為串行總線與單片機通信，為了解決單片機引腳的驅動能力不足的問題，采用4.7k上拉電阻作為補償，如圖3所示。

1.3 繼電器驅動模塊

繼電器經SN7404N與單片機的I/O輸出相連接，單片機輸出指令控制繼電器的開合進而控制各個工作模塊的開啟與關閉。SN7404N的設置起著隔離作用，能夠有效保護單片機，防止芯片被意外燒毀。

2 控制系統軟件設計

為了實現對車內空氣的更新、凈化和除塵的效果，就要讓主程序實現換氣、臭氧殺菌、負離子和靜電除塵循環工作。并且為了滿足車內舒適感，需要滿足車內人員的自由設置，比如送風的風速、濕度。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

空氣凈化器開機后，等待選擇自動模式或手動模式。若選擇自動模式后，機器等待人工輸入參數，如風速、濕度和溫度等要求。等待參數載入后，凈化器依據溫濕度傳感器DHT11采集的數據為依據完成加濕等工作。在進行換氣工作時，通過臭氧殺菌模塊和靜電除塵模塊，保證進入車內空氣潔凈清新。之后在車內空氣小循環的過程中，持續執行除塵凈化的功能。完成整個工作狀態后，對參數進行檢查對比，如果參數無更新代表著凈化器完成了一開始的預先設置，可以結束整個程序。參數若更新，將重新載入參數，繼續執行換氣、凈化等功能。

如果選擇手動模式，那么機器等待使用者的設定，如送風的大小、加濕等的程度，直到使用者關閉，一直維持設定狀態。

3 總結

該車載空氣凈化器的系統控制設計基于STC15W401AS系列單片機，有著工作穩定、成本低廉的優勢。通過多模塊配合工作，能夠實現對車內空氣的更新、凈化、除塵、殺菌和加濕功能，有著功能強大的優點，能為車內提供了一個良好的環境。另外，該系統設計人性化，參數由使用者設定，風速、溫濕度都可調。有著手動和自動模式可供選擇，供使用者自行調節。如果選用自動模式，能夠自動完成對車內空氣及進入車內的空氣進行凈化，不但能夠減少室外污染氣體、細菌等進入車內，還可以實現車內自循環、車內凈化。這是多數車載空氣凈化器所不擁有的功能。

該系統通過模塊化設計，可以通過增加模塊實現更多功能。例如，增加獨立電源后可以在汽車熄火后繼續工作，通過換氣防止夏季汽車車內氣溫過高引發的火災問題等。