基于單片機(jī)的電梯空氣凈化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳建平

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040）

隨著城市化的不斷發(fā)展，高樓大廈越來(lái)越多，電梯安裝和使用越來(lái)越普及，電梯的乘員環(huán)境對(duì)人們的出行有著重要的影響。因此，在電梯轎廂內(nèi)安裝空氣凈化系統(tǒng)，為人們提供一個(gè)安全、健康、舒適的乘員環(huán)境十分重要。

1 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該電梯空氣凈化系統(tǒng)控制器選用51系列單片機(jī)作為控制器，F(xiàn)lash程序存儲(chǔ)器字節(jié)4 kb，RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器字節(jié)512 kb，該系列單片機(jī)具備了價(jià)格低、兼容性強(qiáng)、功耗低、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、運(yùn)算速度快等性能特點(diǎn)。電梯轎廂的主要污染物有兩大類，一類是以甲醛為代表的氣體污染物，另外一類是以PM2.5為主的顆粒污染物，這兩類污染物均對(duì)人體健康有著直接的損害，對(duì)人們的日常出行帶來(lái)困擾或者身體上的危害[1]。電梯空氣凈化系統(tǒng)需對(duì)影響其轎廂環(huán)境的空氣質(zhì)量因素進(jìn)行凈化處理，電梯空氣凈化系統(tǒng)的總體功能流程如圖1所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)主要通過(guò)傳感器模塊檢測(cè)轎廂進(jìn)風(fēng)口與轎廂內(nèi)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)化及單片機(jī)信號(hào)處理后，LED顯示屏顯示當(dāng)前空氣污染物的數(shù)據(jù)值，并判斷空氣質(zhì)量等級(jí)及是否執(zhí)行蜂鳴器報(bào)警。同時(shí)，等級(jí)指示燈按照當(dāng)前空氣污染物的數(shù)據(jù)值顯示綠、黃、紅相對(duì)應(yīng)的優(yōu)、良、差三種空氣質(zhì)量等級(jí)狀態(tài)，負(fù)離子發(fā)生器、紫外燈、循環(huán)風(fēng)機(jī)在不同的空氣質(zhì)量等級(jí)下執(zhí)行對(duì)應(yīng)的凈化功能，即完成了整個(gè)凈化過(guò)程[2]。

圖1 電梯空氣凈化系統(tǒng)凈化總體功能流程圖

要實(shí)現(xiàn)圖1所示的凈化過(guò)程，電梯空氣凈化系統(tǒng)需具備按鍵啟停、按鍵設(shè)定、空氣質(zhì)量檢測(cè)、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)顯示及等級(jí)判斷、電梯轎廂污染物凈化處理、報(bào)警等功能。要實(shí)現(xiàn)這些功能，需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的空氣處理措施及控制結(jié)構(gòu)，電梯空氣凈化系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電梯空氣凈化系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，電梯空氣凈化系統(tǒng)由電源電路、單片機(jī)控制器件、濾芯層為主要部分構(gòu)成系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，電源電路接入外部電壓，經(jīng)變壓器的作用，在內(nèi)部電源芯片的電壓轉(zhuǎn)化下，為紫外燈、負(fù)離子發(fā)生器、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)三個(gè)執(zhí)行裝置提供110 V電壓，為單片機(jī)、傳感器模塊、等級(jí)指示燈、LED顯示屏、蜂鳴器等相關(guān)器件提供所需要的5 V電壓；濾芯層由多層濾芯組成，在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下，可加快轎廂換氣，實(shí)現(xiàn)轎廂內(nèi)的空氣凈化處理；單片機(jī)作為控制器，需要進(jìn)行按鍵、LED顯示、傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)、執(zhí)行裝置等相關(guān)器件的中樞信號(hào)控制處理[3]。按鍵控制包括初始化啟?？刂婆c空氣污染物的報(bào)警數(shù)據(jù)限定值設(shè)置，LED可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量等級(jí)及污染物的檢測(cè)數(shù)值，傳感器模塊由2個(gè)傳感器組成，氣體傳感器檢測(cè)甲醛為代表的氣體污染物，PM2.5傳感器檢測(cè)粉塵、細(xì)菌、地下車庫(kù)汽車尾氣為代表的顆粒污染物，執(zhí)行裝置由電機(jī)、負(fù)離子、紫外燈三部分組成，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)在不同空氣質(zhì)量等級(jí)下的變速、負(fù)離子發(fā)生器與紫外燈管的開(kāi)閉，這三部分主要用于轎廂內(nèi)空氣的凈化[4]。單片機(jī)控制報(bào)警裝置執(zhí)行空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)超過(guò)一定限值后，報(bào)警器會(huì)發(fā)生報(bào)警，這些器件共同構(gòu)成了單片機(jī)I/O輸入與輸出端、輔助器件與電路設(shè)施，組成了電梯空氣凈化控制系統(tǒng)的總體控制結(jié)構(gòu)。

2 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電梯空氣凈化控制系統(tǒng)主要由傳感器模塊、空氣凈化執(zhí)行裝置、LED顯示屏、附件器件、通信電路、按鍵啟停與設(shè)置電路、空氣凈化執(zhí)行控制電路、蜂鳴器報(bào)警電路、等級(jí)指示電路等器件與電路設(shè)施組成硬件結(jié)構(gòu)，電源連接交流220 V的外部供電電源，經(jīng)變壓器降壓得到110 V的電壓后，為紫外燈、負(fù)離子發(fā)生器、電機(jī)等三部分提供電壓，110 V電壓再次變壓后得到12 V電壓，經(jīng)整流電路后提供5 V電壓，為單片機(jī)、等級(jí)指示燈、氣體傳感器、PM2.5傳感器、LED顯示屏、蜂鳴器等器件提供電壓源[5-6]。電梯空氣凈化控制系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。

圖3 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖

由圖3可知，該電梯空氣凈化控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)包含了單片機(jī)、傳感器、按鍵、LED顯示屏、紫外燈、負(fù)離子發(fā)生器、循環(huán)風(fēng)機(jī)等相關(guān)器件，氣體傳感器與PM2.5傳感器構(gòu)成了電梯空氣凈化控制系統(tǒng)的空氣質(zhì)量檢測(cè)單元，可實(shí)時(shí)進(jìn)行空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)；紫外燈、負(fù)離子發(fā)生器、循環(huán)風(fēng)機(jī)等三部分構(gòu)成了空氣凈化執(zhí)行裝置，空氣質(zhì)量檢測(cè)單元和空氣凈化執(zhí)行裝置這兩大部分構(gòu)成了系統(tǒng)的核心器件[7]。空氣凈化控制系統(tǒng)的控制電路包括燈管驅(qū)動(dòng)電路、負(fù)離子驅(qū)動(dòng)電路、循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、通信端口電路、電源電路等，控制電路通過(guò)氣體傳感器與PM2.5傳感器在單片機(jī)控制程序的作用下采集信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而采集數(shù)據(jù)。單片機(jī)根據(jù)采集的數(shù)字信號(hào)在一定的邏輯運(yùn)算下進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)行處理，燈管驅(qū)動(dòng)電路、負(fù)離子驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)空氣質(zhì)量等級(jí)執(zhí)行相應(yīng)凈化過(guò)程，與其他器件在電路的導(dǎo)向下，形成了具有規(guī)范性、功能導(dǎo)向的控制邏輯關(guān)系，共同組成了電梯空氣凈化控制系統(tǒng)[8]。

電梯空氣凈化系統(tǒng)電源電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，電源電路主要由交流220 V提供，經(jīng)過(guò)兩次變壓及LM7805電源芯片的降壓轉(zhuǎn)化成110 V交流電及5 V直流電兩大供電電源，其中110 V交流電主要為紫外燈、負(fù)離子發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)三個(gè)執(zhí)行裝置提供電壓，5 V直流電主要為單片機(jī)、氣體傳感器、PM2.5傳感器、LED顯示屏、等級(jí)指示燈等相關(guān)器件提供電壓。

圖4 電梯空氣凈化系統(tǒng)電源電路結(jié)構(gòu)圖

3 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電梯空氣凈化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)模塊化方式分析系統(tǒng)的各功能模塊程序，其功能模塊程序包括傳感器數(shù)據(jù)采集程序、風(fēng)機(jī)控制程序、紫外燈管驅(qū)動(dòng)程序、負(fù)離子驅(qū)動(dòng)程序、LED顯示程序等，這些功能模塊程序在組合之下即構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行程序，其總體模塊控制程序如圖5所示。

圖5 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)總體模塊程序結(jié)構(gòu)圖

由圖5電梯空氣凈化系統(tǒng)的主要模塊程序可知，單片機(jī)是所有器件的信號(hào)處理中心，系統(tǒng)空氣凈化的主要執(zhí)行控制程序包括風(fēng)機(jī)控制程序、負(fù)離子控制程序、紫外燈控制程序三部分。其他部分包括了初始化程序、按鍵啟停與設(shè)置控制程序、傳感器數(shù)據(jù)處理程序、報(bào)警控制程序及附件程序等。每個(gè)模塊控制程序都是按照一定的控制邏輯關(guān)系進(jìn)行交互的，如傳感器模板采集的數(shù)據(jù)超過(guò)一定限值后，電梯空氣凈化系統(tǒng)才能通過(guò)單片機(jī)控制紫外燈管、負(fù)離子發(fā)生器、循環(huán)風(fēng)機(jī)三種驅(qū)動(dòng)裝置執(zhí)行凈化處理流程[9]，同時(shí)LED顯示、等級(jí)指示燈、蜂鳴器報(bào)警也會(huì)相應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)做出對(duì)應(yīng)的變化。

電梯空氣凈化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主程序控制流程如圖6所示。該系統(tǒng)接上電源后，啟動(dòng)按鍵，各器件按照初始化程序進(jìn)行運(yùn)行啟動(dòng)，初始化運(yùn)行確保各器件均能正常工作后，氣體傳感器與PM2.5傳感器即開(kāi)始工作，并將所采集的信息上傳至單片機(jī)處理后，LED顯示屏可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前空氣污染物的數(shù)值，若數(shù)據(jù)判斷超過(guò)設(shè)定的污染數(shù)值，執(zhí)行裝置即開(kāi)始工作，進(jìn)行電梯轎廂空氣凈化處理。由于電梯轎廂在三個(gè)位置存在污染物的進(jìn)入，分別是頂部進(jìn)風(fēng)口、人員與物品的攜帶源、門的開(kāi)閉，這三個(gè)位置均可能進(jìn)入污染物，所采用的傳感器需雙通道傳感器，頂部進(jìn)風(fēng)口與轎廂內(nèi)的空氣質(zhì)量均需進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，執(zhí)行裝置可馬上啟動(dòng)運(yùn)行，凈化轎廂內(nèi)與進(jìn)風(fēng)口處的污染物，為乘客提供一個(gè)健康、舒適、安全的乘員環(huán)境[10]。

圖6 電梯空氣凈化控制系統(tǒng)主程序流程圖

由圖6電梯空氣凈化系統(tǒng)控制主流程圖可知，該系統(tǒng)啟動(dòng)初始化后，系統(tǒng)即形成了一個(gè)閉環(huán)的監(jiān)測(cè)與污染物的處理流程，實(shí)現(xiàn)了智能化控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)風(fēng)口與轎廂內(nèi)的空氣指數(shù)，空氣指數(shù)超過(guò)設(shè)定值后，執(zhí)行裝置則開(kāi)始凈化處理，實(shí)現(xiàn)了智能化監(jiān)測(cè)、多種污染物自動(dòng)處理的運(yùn)行過(guò)程。

4 小結(jié)

課題組設(shè)計(jì)了一種電梯轎廂箱體式空氣凈化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)作為控制器，該系統(tǒng)包括電源模塊、傳感器模塊，LED顯示模板、負(fù)離子發(fā)生器、紫外燈、循環(huán)風(fēng)機(jī)及附件等相關(guān)器件，具備紫外燈殺毒、負(fù)離子吸附凈化、風(fēng)機(jī)循環(huán)等空氣凈化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)凈化轎頂進(jìn)風(fēng)口與轎廂內(nèi)的空氣，實(shí)現(xiàn)了智能化的控制過(guò)程。同時(shí)，根據(jù)電梯轎廂箱體式空氣凈化系統(tǒng)的功能定義，搭建了電梯空氣凈化控制系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)，對(duì)電梯空氣凈化系統(tǒng)的研發(fā)有一定的參考作用。