据说,90%的人购买净水器前都会参考"居家优选"!

关于空气净化器的论文

  室内空气中的微粒、细菌、病毒和其他有害物质日积月累地损害着人们的身体健康,特别对于那些长期处于室内环境的人。随着生活水平的提高,人们对自己日常生活和工作的室内空气环境质量的要求和期望也在不断提高,室内空气净化技术成为了环境领域的一个新的课题。尤其是在室内空气净化器诞生以后,各种不同类型的空气净化器如雨后春笋般涌现入市场,本论文则是在此背景下研究并设计出一种新型的、利用紫外线杀毒的空气净化器电路控制系统。

  本论文研究的紫外线空气净化器的控制系统,是基于AVR单片机进行设计、开发与实现的。首先,完成系统功能需求分析,选择合适的ATmegal28单片机,设计出课题研究的空气净化器控制系统的总体结构与工作原理框架;其次,利用TGS800气体传感器与LHi878热释电红外传感器分别检测室内空气质量和移动人体红外信号,并将采集信号输出给单片机端口,单片机根据检测到得各个模块的硬件电路设计,从硬件模块的总体结构出发,分别设计了电源控制、电机控制、紫外灯管控制、液晶显示器控制、红外遥控以及功能按键控制等模块的电路原理与实现,并在此基础上介绍了单片机控制系统的主要功能程序设计,完成了控制系统的试运行与调试。

  本文研究的这款空气净化器是典型的利用紫外线对空气进行杀菌与消毒的产品,其两个传感器数据采集模块的集成是项目设计的重要创新点之一,他们集成使得本空气净化器具有自动采集与自动调整工作状态的功能,实现了产品的智能化、节能性与环保的特点。该空气净化器电路控制系统的成功研制,必将为室内空气污染控制与空气净化技术作出巨大的贡献。

  关键词:空气净化器;AVR单片机;控制系统;紫外线;传感器

  Abstract

  Indoor air particles, bacteria, viruses and other harmful substances have damaged to people’s health, especially for those people in the indoor environment in a long time.With the improvement of living standards, people’s air environmental quality requirements and expectations of their daily lives and work own indoor have also increased misconduct. Indoor air purification technology has become a new field of environmental protection issues Especially after the birth of indoor air,so many different types of air purifier have sprung up into the marke.In this paper, a new circuit system of air purifier with ultraviolet disinfection has been developd in this context.

  In this paper, the control system of ultraviolet air-purifier has been designed and developed based on AVR microcontroller. Firstly the requirements analysis of system functional has been completed. ATmegal28 microcontroller has been choosed to design the air purifier control system structure and working principle of the overall framework of this research project.Secondly, TGS 800 gas sensor And LHi878 pyroelectric infrared sensor have been used to detect indoor air quality and mobility of human IR signal.Hardware circuit design of each module of this circuit control system has been described priority in this paper.The overall structure of the hardware modules has been designed firstly, and then the circuit theory and implementation of the modules has been designed firstly, infrared remote control and function keys control have been designed. On this basis, the main function of microcomuter control system programming has been discribed, and the trial operation control system and debugging has been completed.

  This type air-purifier which has been researched in this paper, is a typical indoor air- purifier for the ues of ultraviolet sterilization and disinfection product. The successful development of this air-purifier’s circuit control system, will make a significant contribution for door air pollution control and air purification technology inevitable.

  Keywords: air-purifier; AVR microcontroller; control system; sensor

  目 录

  第1章 绪 论 1

  1.1 课题研究的背景 1

  1.1.1 室内空气污染的现状 1

  1.1.2 室内空气净化器的发展现状 1

  1.2 研究内容 3

  第2章 空气净化器控制系统的总体设计 5

  2.1 AVR单片机简介 5

  2.2 ATmega128单片机 6

  2.2.1 ATmega128的引脚配置 6

  2.2.2 ATmega128主要特性 7

  2.3 空气净化器控制系统总体设计 7

  2.3.1 空气净化器功能概述 8

  2.3.2 控制系统需求分析 9

  2.3.3 系统总体结构设计 10

  2.3.4 系统工作原理设计 11

  第3章 传感器数据采集模块设计与实现 13

  3.1 数据采集系统 13

  3.1.1 数据采集系统的类型 13

  3.1.2 数据采集系统的结构配置 13

  3.2 气体传感器数据采集模块设计 14

  3.2.1 费加罗TGS气体传感器 14

  3.2.2 TGS800传感器数据采集实现 16

  3.3 红外传感器数据采集模块设计 21

  3.3.1 红外传感器概述 21

  3.3.2 热释电型红外传感器 22

  第4章 控制系统的硬件设计与实现 24

  4.1 初控制系统硬件模块总体结构 24

  4.2 选电源控制模块设计 25

  4.2.1 电源模块结构 25

  4.2.2 电源电路设计 25

  4.3 电机控制模块设计 27

  4.3.1 单相异步电动机 27

  4.3.2 电容式启动设计 27

  4.3.3 电机控制电路设计 28

  4.4 灯管控制模块的设计 29

  4.4.1 灯管驱动控制电路 29

  4.4.2 灯管信号反馈电路 30

  4.5 液晶显示器模块设计 31

  4.5.1 12864显示器基本结构 31

  4.5.2 12864显示器控制电路 32

  4.6 红外遥控模块设计 33

  4.6.1 红外发射模块 33

  4.6.2 红外接收模块 33

  4.7 按键模块的设计 34

  4.7.1 复位按键电路 34

  4.7.2 功能按键电路 35

  第5章 控制系统的软件设计与实现 36

  5.1 控制系统程序总体结构 36

  5.1.1 系统程序总体结构 36

  5.1.2 系统程序主流程 36

  5.2 系统初始化程序设计 37

  5.3 显示器控制程序设计 38

  5.3.1 基本操作指令与坐标 38

  5.3.2 显示程序流程 39

  5.3.3 显示程序实现 40

  5.4 电机驱动与控制程序设计 41

  5.5 灯管驱动与控制程序设计 42

  5.6 红外遥控程序设计 42

  5.7 功能按键控制程序设计 43

  第6章 结 论 44

  参考文献 45

  致 谢 46

  附 录 47

  第1章绪 论

  1.1课题研究的背景

  1.1.1室内空气污染的现状

  随着生活水平的迅速提高,人们对自己日常生活和工作的室内空气环境质量的要求和期望也不断提高。同时,建筑节能的要求却在现代科技的支持下,使室内建筑的密闭性越来越好,室内空气与室外空气的交换越来越少,极易导致室内污染物的积累,引发室内空气污染。当前,室内空气污染被认为是继“煤烟型”、“光化学烟雾型”污染后的第三大类污染。

  室内空气污染可以定义为:由于室内引入能释放有害物质的污染源或室内通风不佳而导致室内空气中有害物质,无论是数量上还是种类上不断增加,并引起人的一系列不适症状的现象。

  通常所说的空气污染是指室内外的空气受到污染,我国的空气污染治理始于20世纪70年代,主要围绕工业污染源进行治理。随着国家对环保投入的加大,国民环保意识的提高,特别是全国主要城市空气污染日报及预报的发布使各界、各阶层人士对环境的重视、尤其是人们自身生活范围环境的重视达到了前所未有的程度。实际研究表明,室内环境污染往往比室外污染的危害更为严重,空气中的微粒、细菌、病毒和其他有害物质日积月累地损害着人们的身体健康,特别是长期处于封闭室内环境的人尤其如此。

  统计发现,我国20世纪80年代以前,室内污染物主要是燃烧煤所产生的二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物。90年代初期,由于室内吸烟、燃煤、烹调以及人体呼出的二氧化碳等149种有害物质对室内的污染,引发了室内空气换气剂的销售热潮。到90年代末,随着住宅的改革和国民生活水平的提高,特别是建材业的高速发展和装修热的兴起,由装饰材料造成的污染成了室内污染的主要来源,尤其的空调的普遍使用,要求建筑结构有良好的密闭性能,以达到节能的目的,而现行设计的空调系统多数新风量不足,在这种情况下造成了室内空气质量的进一步恶化。室内空气污染的现状在时刻提醒我们,对于室内空气地解决室内空气质量问题已逐渐被人们所关注,也是环保科技中一项重要的研究课题。

  1.1.2室内空气净化器的发展现状

  室内净化技术是近二十年来随着现代科学技术,现代工业的发展而逐步形成的一门综合性新技术。目前,改善室内空气质量的现行方法分为三种:源控制、通风和空气净化。源控制是改善空气质量最明显的方式,这在室外环境中使用得非常成功,也是发达国家很多城市室外空气质量明显改善的主要原因;通风可减少室内污染物的浓度,这种方式使各种污染物的减少程度并无差别,但通风空调装置与系统功能的改进和提高则是这项工程中必不可少的部分;空气净化作为一种治理手段与通风相似,都是早空气被污染后去减少的污染物,空气净化器作为一种治理手段与通风相似,都是在空气被污染后去减少污染物,空气净化系统是用来控制粒状物、气体污染物,对大的固定污染物,净化除尘系统具有着不可比拟的有效性和可靠性,空气净化的方式有很多种,主要分为杀菌和消毒,杀菌方法包括了:高温干燥杀菌、高压蒸汽杀菌、气体杀菌、过滤杀菌、放射线杀菌等,消毒方法则 包括了:煮沸和常压蒸汽消毒、低温消毒法、紫外线照射法与药剂消毒法,众多方法各有所长。

  室内空气净化器是实现空气净化的最直接、便捷的仪器,随着室内空气污染性质的不断变化与污染程度地加大,室内空气净化器技术也得到了快速地发展。目前空气净化器产品有以下几种:机械过滤式、机械过滤吸附式净化器、静电式净化器,是一种小型空气过滤器,空气经风机加压,通过过滤材料,从而净化颗粒污染物,只能除去一定大小的颗粒污染物,总体净化效果不佳。机械过滤吸附式净化器,分别采用不同的净化机理取出颗粒污染物和气态污染物,这种净化器将普通空气过滤技术与活性炭吸附技术结合起来,总体上改善了净化性能,但活性炭存在吸附饱和状态,比较麻烦,因而没有得到广泛应用。

  在欧美、日韩等国,利用了紫外线的原理的家用电器已经非常普及。在国内一直长期应用于医疗卫生等领域。例如近几年的SARS(非典),禽流感,手足口病等规模型的传染病,一直作为医疗机构重要的预防消毒手段。室内紫外光空气净化器在安全、环保、效果方面获得重大突破,专为居家使用量身定做,更符合家庭消毒标准。本课题的研究,正是采用工业设计理论中AVR单片机的智能控制方式,并结合传感器的数据采集功能,设计出能够实现紫外光线菌与室内通风功能的新型空气净化器,对室内空气净化技术的研究具有重要的促进意义。

  1.2研究内容

  根据《空气净化器设备控制板软硬件的设计与研制》项目的需求分析,本课题研究的主要内容为紫外线空气净化器控制系统的硬件设计与实现。

  (1)主要实现功能

  课题所研究的空气净化器的功能实现过程如图1-1所示。室内空气经过微风扇引风进入空气净化系统中,由传感器进行空气质量数据采集,并结合按键控制模块调节净化工作状态,通过液晶显示器显示其状态信息,随后空气经过内置过滤网,在自动/手动设定的工作状态下,使用紫外线进行杀菌,得到新鲜空气。

  图1-1 空气净化器功能实现过程图

  可以看出,控制系统需要实现的净化器主要功能包括:

  1.净化器分为四种工作模式:自动模式,高速模式,省电模式,睡眠模式;

  2.工作的室内空间可分为:X-Large,Large,Medium,Small与X.Small;

  3.当前空气质量状态:Good-Poor,共分为5个档位显示空气质量好坏;

  4.灯管与过滤网状态显示服务:灯管Lamp与过滤网Filter的当前状态分为Service On,Service Soon与On三种状态;

  5.仪器工作定时设置:分为1-6小时的6个档位的定时设置。

  (2)主要设计模块

  具体设计的内容包括:紫外光空气净化器控制系统的总体结构设计,将系统分为了电源控制模块、传感器数据采集模块、电机控制模块、紫外灯管控制模块、液晶显示器模块与其它辅助电路模块。

  1.系统电源模块:空气净化器输入的110V的交流电经过变压器输出12V,再经桥式整流、虑波后得到9V直流电,给LHi878红外传感器电路供电,而同时由三端稳压芯片L7805降压到5V给单片机、TGS传感器及其它器件供电;

  2.传感器数据采集模块:费加罗TGS 800气体传感器工作原理、结构与特性分析,并选择场效应管导通控制的加热方式,设计出TGS传感器的数据采集电路,并使用ATMEGA 128单片机对其输出信号进行程序处理,转换到调整电机工作状态的输出信号;海曼LHi 878加热型红外传感器的结构分析以及菲涅耳透镜的使用方法,设计出LHi 878红外传感器的数据采集电路,包括对于采集信号的放大、滤波的处理,同样通过ATMEGA 128单片机接口处理传感器的最终输出信号,完成控制程序的编写;

  3.电机控制模块:本项目研究中,根据风扇的特点与工作需求采用了交流单相异步电机,其控制模块的设计是围绕电机特性,采用ATmegal28单片机通过可控硅驱动光耦MOC3023驱动电机,控制其导通与转速的变化,单片机程序将根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整,使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候,电机处于对应档的转速;

  4.紫外光灯管的控制:主要是通过ATMEGA 128单片机通过可控硅驱动光耦MOC3023,驱动Philips紫光灯管,并通过PS2707三极管型交流输入输出光电耦合器反馈灯管的工作状态信号,判断出灯管是否正常工作,课题要求完成其电路设计与程序的编写;

  5.液晶显示器模块:主要是采用了SMGl2864液晶显示器来显示空气净化器工作时的信息,包括了工作模式、房间大小、定时设置、灯管状态、过滤网状态以及空气质量指标等信息,课题中要求设计出显示器的工作电路,并完成显示器程序的编写与调试;

  第2章

  空气净化器控制系统的总体设计

  单片机(又称微处理器)是在一片硅片上集成了中央处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM或Flash)、定时器/计数器以及多种I/O接口的单芯片微型计算机。AVR单片机是Atmel公司于1997年推出的一款基于RISC指令架构的高性能、低功耗的8位单片机。本课题设计中的AVR单片机采用的是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器ATmegal28,本章的研究将完成基于AVR单片机的空气净化器控制系统总体分析与设计。

  2.1AVR单片机简介

  AVR单片机是一款基于RISC指令架构的8位单片机RISC(ReducedInstructuin Set Computer,精简指令集计算机)是20世纪90年代开发出来的,综合了半导体集成技术和软件性能的新结构。AVR单片机采用RISC结构,具有1MIPS/MHz的高速运行处理能力。

  AVR单片机运用Harvard结构,在前一条指令执行的时候就取出现行的指令,然后以一个周期执行指令。在其他的RISC以及类似RISC结构的单片机中,外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期,这种分频最大达12倍。AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的,它是8位单片机中第一个真正的RISC结构的单片机。

  由于AVR单片机采用了Harvard结构,所以它的程序存储器和数据存储器是分开组织和寻址的,寻址空间分别为可直接访问8MB的程序存储器和8MB的数据存储器。同时,由32个通用工作寄存器所构成的寄存器组被双向映射,因此,可以采用读写寄存器和读写片内快速SRAM存储器两种方式来访问32个通用工作寄存器。

  同时,AVR单片机采用低功率非挥发的CMOS工艺制造,内部分别集成Flash、E2PROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器,除了可以通过SPI口和一般的编程器对AVR单片机的Flash程序存储器和E2PROM数据存储器进行编程外,绝大多数的AVR单片机还具有线编程(ISP)的特点,为学习和使用AVR单片机带来了极大的方便。AVR单片机的内部结构如图2-1所示:

  图2-1单片机的内部结构图

  2.2ATmega128单片机

  2.2.1 ATmega128的引脚配置

  ATmegal28单片机的引脚配置如图2-2所示:

  图2-2 ATmegal28单片机引脚配置

  2.2.2 ATmega128主要特性

  AVR ATmegal28内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。ATmegal28的主要特性如下:

  (1) 高性能、低功耗的AVR的8位微处理器

  (2) 先进的RISC结构

  133条指令一一大多数可以在一个时钟周期内完成

  32X8通用工作寄存器+外设控制寄存器

  工作于16 MHz时性能高达16MIPS

  (3)非易失性的程序和数据存储器

  128K字节的系统内可编程Flash,寿命:10000次写/擦除周期

  具有独立锁定位、可选择的启动代码区,通过片内的启动程序实现系统内编程,真正的读一修改一写操作

  4K字节的EEPROM,寿命:100000次写/擦除周期

  (4)JTAG接口(与IEEE 1149.1标准兼容)

  遵循JTAG标准的边界扫描功能

  支持扩展的片内调试

  通过JTAG接口实现对Flash,EEPROM,熔丝位和锁定位的编程

  (5)外设特点

  两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器

  两路8位PWM

  8路lO位ADC

  (6)特殊的处理器特点

  上电复位以及可编程的掉电检测

  片内经过标定的RC振荡器

  6种睡眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式

  2.3空气净化器控制系统总体设计

  课题研究的控制系统是控制工作在单相额定电压110V家用和类似用途的空气净化器,净化器主要功能是对室内空气中的固态、气态污染物进行通风、过滤和消毒,通过紫外光灯管发射的紫外线进行杀菌,下面将对空气净化器的功能进行概述,并对整个控制系统进行总体设计。

  2.3.1 空气净化器功能概述

  空气污染物是指由于人类活动或自然过程排入空气的并对人类或环境产生有害影响的那些物质。一般分为固态污染物和气态污染物两大类,固态污染物常见的有粉尘、烟雾等(通常称为颗粒物);气态污染物常见的有装修污染产生的甲醛、苯、氨、挥发性有机物等。

  紫外光空气净化器,其主要的消毒灭菌方式是利用了紫外线的原理通过紫外线的照射,穿透微生物的细胞膜,破坏各种病菌,细菌,寄生虫以及其他致病体的DNA结构,毁坏其核酸分子键,使细菌当即死亡或不能繁殖后代。与此同时,紫外光空气净化器必须完成空气过滤、通风以及自动采集空气质量、室内人体红外指标的功能。结合课题《空气净化器设备控制板软硬件的设计与研制》的需求,本项目需要设计的紫外光空气净化器具有自身独特的空气净化技术与控制系统,其主要功能结结构如图2-3所示:

  图2-3 空气净化器功能结构图

  从图中可以看出系统的主要执行功能如下:

  (1)控制面板上电源开关POWER(ON/OFF)按键,可以打开和关闭空气净化器,包括打开/关闭紫外线灯管、电机与液晶显示器;

  (2)控制面板上的房间大小(Room Size)按键,可手动选择空气净化器工作的环境,将房间大小分为:特小(X.Small)、小(Small)、中等(Medium)、大(Large)、特大(X.Large)五个等级;

  (3)控制面板上的工作模式(Mode)按键,可以手动选择仪器的工作模式,将模式分为:自动模式、超级模式、省电模式与睡眠模式四种;

  (4)控制面板上的定时(TimeSet)按键,可以设置空气净化器的工作时间,定时设置从30分钟--60分钟--360分钟,以30分钟为一区间进行设置;

  (5)面板上紫外线灯管(LAMP)和过滤网(FILTER)状态按键,是在计时器信息显示它们使用寿命已至,并将其更换后,将计时器进行复位的操作功能;

  (6)红外遥控装置,通过遥控器可以控制净化器的工作状态,对净化器工作模式进行调节,用红外遥控代替按键操作;

  (7)电机(Motor)工作状态随着传感器检测信号与按键控制信号的变化而改变,在不同的状态下,电机转速不同。例如:在超级模式下,电机转速较快;而在省电模式下,电机转速较为缓慢。

  2.3.2控制系统需求分析

  空气净化器(Air Cleaner)定义为:对室内空气中的固态污染物、气态污染物等具有一定去除能力的电器装置。

  根据项目的实际需求,紫外光空气净化器是利用了紫外线的原理通过紫外线的照射,穿透微生物的细胞膜,破坏各种病菌,细菌,寄生虫以及其他致病体的DNA结构,毁坏其核酸分子键,使细菌当即死亡或不能繁殖后代,从而达到消毒灭菌的作用。根据以上设计的紫外线空气净化器的功能概述,设计控制系统的需求模块如下图2-4所示:

  图2-4 空气净化器控制系统功能需求模块图

  由上图可将空气净化器控制系统分为以下主要模块进行详细的设计:

  (1)传感器数据采集模块:

  该模块是利用传感器对外部信号进行采集与处理功能的实现,分为运动传感器与化学传感器两个分支。运动传感器为LHi878热释红外传感器,用于检测移动的人体红外信号源,当人体对空气净化器发射的红外信号变强的时候,电机转速加快,加强空气净化幅度;化学传感器为TGS气体传感器,用于检测甲烷和丙烷等可燃性气体、一氧化碳、硫化氢等有毒气体,以及酒精等各种气体浓度,当室内的气体浓度发生变化的时候,TGS传感器输出不同的电压增量,由AVR单片机进行信号处理,并对应状态调整电机的转速;

  (2)电源电路模块:

  该部分是整个控制系统的供电核心,空气净化器的电源经外部变压器输入了110V的交流电压,电源电路首先将电压进行降压,转换为12V电源,然后经过桥式整流与直流变换得到12V的直流电源,随后使用LM7805得到5V直流电压,经LM7809得到9V直流电压,并直流滤波后将9V为LHi878传感器模块供电,为其它模块提供5V工作电压;

  (3)电机控制模块:

  项目中采用的电机为电容式启动的单相异步交流电机,电机工作在110V交流电源下,并由单片机提供驱动信号,由ATMEGA 128单片机通过可控硅驱动光耦MOC3023驱动电机,控制其导通与转速的变化,单片机程序将根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整,使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候,电机处于对应档的转速;

  (4)显示器控制模块:

  采用了SMGl2864液晶显示器,型号为SMG 12864G2-ZK,这是128X64点阵的汉字图形型液晶显示模块,可显示汉字及图形。液晶显示器的主要功能负显示空气净化器的工作信息,包括了工作模式、房间大小、紫外灯管与过滤网工作状态、空气质量、定时设置等信息,通过ATmegal28单片机的控制,实现数据的I/O交换。

  (5)红外遥控模块:

  红外遥控模块一般分为两个部分,红外发射器与接收电路,由于项目中委托企业已经设计出了红外发射器部分,并提供了每个按钮发射的红外波形与时序,在本文中只需设计出红外接收电路,与红外遥控程序即可。

  2.3.3 系统总体结构设计

  根据空气净化器的功能需求,控制系统的核心控制芯片采用了AVR单片机系列的ATmegal28高档单片机。ATmegal28为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器,由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间,ATmega128数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。控制系统的总体结构如下图2-5所示,在设计中将空气净化器的电路控制系统分为了传感器数据采集模块、液晶显示模块、交流电机控制模块、紫外灯管控制模块、功能按键模块等,这些模块的工作与运行都被ATmegal28单片机程序控制,并且通过单片机使各模块之间的工作与功能相互关联。

  图2-5空气净化器的总体结构框图

  2.3.4 系统工作原理设计

  本文研究的紫外光室内空气净化器控制系统主要分为主控制板模块与驱动控制模块两个部分。控制系统由日常交流市电提供110V的电源,经过变压、整流与滤波,为主控制模块提供了5V与9V的直流电源,ATmegal28单片机将根据传感器采集信号、按键指令驱动、控制电机和紫外灯管的工作,如图2-6所示为系统的总体原理框图。

  驱动控制电路部分的设计包括了系统电源电路,包括了桥式整流、三端稳压芯片LM7805得到5V直流电压、LM7809获取9V直流电压供电;

  电机驱动控制电路,其主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电容的保护;

  紫外光灯管驱动控制电路,实现对灯管的导通控制与异常信息检测、反馈。主控制板部分的硬件设计主要包括了TGS气体传感器数据采集电路、LHi红外传感器数据采集电路、12864液晶LCD电路、功能按键电路、AVR ISP程序烧写电路以及AVR单片机的工作与保护电路。

  图2-6 空气净化器的控制系统原理框图

  空气净化器控制系统的核心与创新点在于利用气体传感器与运动传感器的数据采集功能,使得系统根据检测到的外部信息(包括室内空气质量、人体移动信号)自动调整仪器的工作状态。主控制模块与驱动控制模块主要是通过AVR单片机的软件程序来实现相互关联,协调系统的运行的。

  第3章传感器数据采集模块设计与实现

  3.1数据采集系统

  传感器输出的信号经预处理变为电压模拟信号后,需转成数字量才能进行数字显示或送入单片机。这种把模拟信号数字化的过程称为数据采集。数据采集系统提供了必要的模拟/数字(A/D)接口,通过使用放大器、滤波器、采样/保持电路、多路转换器和模拟/数字转换器(A/D)等部件,将一个或多个传感器的原始数据转换成适于数字处理的输出。

  3.1.1 数据采集系统的类型

  (1)单通道系统

  图3-1所示为一个典型的单通道数据采集系统:

  图3-l 单通道数据采集系统图

  传感器的输出信号一般幅度很低,并混有不希望的信号和噪声,很可能还需要线性化。放大器、滤波器和其它模拟电路用来将这些信号调理成合适的形式。有时,在低成本应用中使用直接转换的办法,将信号调理电路的输出信号直接馈送给ADC进行数/模转换,但是,在大部分应用中都要求有一个采样保持电路。

  (2)多通道系统

  有两种基本方法处理多于一个的模拟信号,称为多通道系统。最常见的方法是把所有的输入信号进行模拟多路转换,然后用单一的ADC完成转换,这种方法之所以很普及,其原因之一是过去ADC的价格一直很贵。现在,一个替代的方法是每个输入通道都使用一个单独的ADC,由于ADC的价格不断下降,多通道数据采集系统越来越实用。

  3.1.2 数据采集系统的结构配置

  数据采集系统能够完成把一个或多个传感器原始信号转换为以后处理、控制或显示用的等值数字信号的全部功能。典型的数据采集系统配置如图3-2所示,这种系统价格便宜,具有通用性,传感器与仪表放大器匹配灵活,有的已实现模块的集成化。

  图3-2典型的数据采集系统配置图

  3.2气体传感器数据采集模块设计

  气体传感器是用于检测甲烷和丙烷等可燃性气体、一氧化碳、硫化氢等有毒气体,以及酒精等各种气体浓度的传感器,有多种多样的检测方式,考虑使用的方便程度和寿命等因素,半导体型气敏气体传感器使用得最为普遍。在本节将完成控制系统的气体传感器的选型与数据采集模块的设计。

  3.2.1费加罗TGS气体传感器

  1.TGS传感器工作原理

  TGS传感器是厚膜金属氧化物半导体型的。它成本低、寿命长,利用简单电路即可对待检测气体具有良好的敏感特性。尤其适合应用在有毒和爆炸性气体的泄漏检测器上。

  TGS气体传感器的敏感材料是金属氧化物,最具代表性的是SnO2。金属氧化物晶体如SnO2在空气中被加热到一定高的温度时,氧被吸附在的带一个负电荷的晶体表面。然后,晶体表面的供与电子被转移到吸附的氧上,结果在一个空间电荷层留下正电荷。这样,表面势能形成一个势垒,从而阻碍电子流动。

  2.TGS传感器主要特性

  (1)气敏特性

  根据上面的公式,气体浓度在其应用范围内(从几ppm-几千ppm),传感器电阻同气体浓度呈对数线性关系。传感器对多种还原气体具有敏感性,对某些气体的相对灵敏度的最佳化,取决于敏感材料的配方及其工作温度。由于实际的传感器电阻每个都不同,典型的敏感性由传感器在不同气体浓度下的阻值(Rs)与待检测气体的一定浓度下的阻值(R0)的比表示的

  (2)传感器响应特性

  传感器先被放入还原性气体中,然后再从还原性气体中移走,这个过程中传感器在放入还原性气体中后,电阻值急剧下降,从还原性气体移出后,传感器的电阻经过很短的时间即恢复到它的初始值。响应速度和可逆性随传感器型号及所含气体的不同而异。

  (3)温湿度响应

  TGS传感器的检测原理是基于气体在传感器表面的化学吸附与脱附。因此环境温度会改变化学反应速度,从而影响传感器的敏感特性。此外,因为水蒸气会吸附在传感器表面,所以湿度将会引起Rs的降低。这些影响的典型示例如图3-3所示。使用TGS传感器时应考虑温度影响的补偿回路。

  图3-3 典型的湿度影响图

  (4)加热器电压的影响

  传感器被设计成在某一个恒定加热电压下,传感器表现出最佳的敏感特性。气体敏感度如何随加热电压变化的典型事例如图3-4所示。由于加热电压对传感器的影响,所以一定要根据传感器规定调整恒定加热电阻值。

  图3-4 典型的加热电压影响图

  根据第二章的空气净化器控制系统的总体设计需求可知,采用的气体传感器的主要目的是,通过TGS传感器的检测信号,检测空气质量的变化,主要是气体沾污物造成的室内空气质量指标下降,并通过微处理机对空气中沾污气体进行高感度的检测,通过单片机检测到的信号,对于信号的电压变化进行处理,以调整空气净化的工作状态,更改电机的转速;且空气净化器是一种通风、杀菌设备,因此,采用了TGS800气体传感器,进行室内气体质量的检测。

  3.2.2TGS800传感器数据采集实现

  1.TGS800基本结构

  TGS800是用于通风设备控制的一种半导体气敏电阻传感器,可用微处理机对空气中粘污气体进行高感度的检测,为本课题研究中所采用的气体传感器,TGS 800传感器的内部电路如图3-5所示,为一个具有6引脚的元器件。

  图3-5 TGS800传感器的电路图

  (1)TGS800其体积如烟头般大小,主要的组成元件是SnO2。半导体,这半导体物质和电极组合成圆形管状壳内;

  (2)热丝线圈位于陶瓷盒内,线圈直径为60毫米,有30欧姆阻抗;

  (3)感测器金质电极导线直径为80μm,灯丝和导线被接到感测器7支接脚的小插座上,这接脚可以抗压力超过5公斤;

  2.TGS800加热方式

  由上面传感器的特性可知,TGS800在某一个恒定加热电压下,传感器表现出最佳的敏感特性,因此需要对传感器进行加热电路的设计。TGS800气体传感器含有内部加热器,而加热的方式则可分为两种:直接加热式和间接加热式,其等效电路分别如图3-6和图3-7所示:

  图3-6 直接加热等效电路图

  图3-7 间接加热等效电路图

  2.TGS800数据采集电路

  为了提高系统中传感器的使用寿命,节省控制系统的消耗,在本项目的设计中,我们采用的是间接加热方式,使用了55L104G场效应管,对于传感器的电路进行导通与切断的控制。55L104G场效应管的电路如图3-8所示:

  图3-8 55L104G场效应管内部电路图

  从上面的分析可知,实现TGS800气体传感器的信号采集与处理,首先要使传感器加热并导通工作,在传感器正常工作后,使单片机接收其输出信号,并进行信号的处理。在课题的设计中,TGS800传感器的空气质量信号采集电路如图3-10的设计,TGS800的1、2、3引脚连接到电源正极,5脚接MOSFET的漏极,而4、6引脚则为传感器的输出端,将传感器得到的由电阻值变化而引起的电压值变化信号,输出到单片机的PFl脚,进行A/D转换等程序处理。

  从电路原理图3-9可以看出,55L104G管的导通控制是通过ATmcgal28的PB6引脚来实现的,由单片机程序控制,当55L104G管导通时,电路对TGS800传感器进行加热,传感器可正常工作来采集数据;而当单片机发出断开指令的时候,TGS800则不被加热,传感器处于等待状态。

  图3-9 TGS800信号采集电路图

  表3-1 TGS800电路元器件清单

  标号 名称 规格

  R1 电阻 51KΩ

  R2 电阻 390Ω

  R40 电阻 390Ω

  UR1 可调电阻 100K

  Q1 场效应管 55L104G

  SN1 气体传感器 TGS800

  3.TGS800采集信号程序

  (1)采集信号处理程序

  由上图可知,单片机端口PF1为ADC的模拟输入引脚,在这里PFl被用作传感器采集信号的输出端口,根据TGS800传感器的特性知道,其输出端口的电压值将随着检测的空气质量不同而发生变化,单片机首先进行采样,并将根据电压的变化范围与幅度来判断当前空气质量。在本项目中,由外部可调电阻将传感器的输出电压范围设置在1V~4V,并且根据设计的需求,将空气质量分为了“优--很差"五个状态,单片机将根据检测端口的电压值变化范围来输出结果,自定义了AD转换参数v=adc-data,其程序的流程图如图3-10所示:

  图3-10 气体传感器采集信号处理程序流程图

  主要的判断语句实现如下:

  unsigned int v=adc_data;

  devices_init();

  TIMSK=0x04;

  ETIMSK=Ox00;

  timerl_init();

  ADMUX=ADC_VREF_TYPE&Oxff;

  ADCSRA=0x8F;

  while(1)

  {

  read_adc(AD_SE_ADC1);

  v=adc_data;

  if(5

  {

  DisplayList(0x91,text2[0]);

  if(model==1){

  w_speed=4;

  delay_ms(10);

  }

  };

  //类似语句省略

  if(v>700) ∥很差

  {

  DisplayList(0x91,text2[4]);

  if(mode==1){

  w_speed=O;

  delay_ms(10);

  }

  };

  (2)加热导通控制程序

  单片机引脚PB6是用来控制55L104场效应管状态导通功能的端口,当单片机程序给PB6端一个高电平信号的时候,场效应管即被导通,使得TGS800传感器被加热工作。在实现中,将其导通设置在初始化的程序中,当空气净化器开始工作的时候,即进行导通加热,实现的主要语句为:DDRB=0xff;PORTB=0xff。

  3.3

  红外传感器数据采集模块设计

  在本空气净化器的传感器数据采集系统中,除了气体传感器采集模块外,还设计了一种人体红外检测传感器数据采集模块,根据系统的总体设计需求,下面就来详细介绍红外传感器数据采集模块的设计与实现。

  3.3.1 红外传感器概述

  能够为人肉眼看得见的光线叫做可见光,可见光的波长为380~750nm的光线。可见光的波长从短到长依次是紫光-蓝光-绿光-黄光-橙光-红光,波长比红光更长的光,叫做红外线,或者红外光、红外。

  物体辐射出的红外线如图3-11所示,其波长随着温度的不同而不同,温度越高,辐射出的光的波长越短,根据这一点,可以使用红外传感器进行非接触式的温度测量。

  图3-11 不同温度下的红外线辐射波长图

  红外传感器主要有以下两种类型:

  (1)利用由入射光能量激励的电子,而产生的电导率变化或者电动势的量子型红外传感器,包括光敏二极管和光敏电阻器等。

  (2)利用基于黑体辐射的红外能量的吸收,而产生的温度变化的加热型红外传感器,包括热释电型红外传感器和热点堆等。

  其中,量子型红外传感器的灵敏度和响应速度都比较好,但是,它的灵敏度和响应速度都会受到光波波长的影响,而且有时候还需要对传感器进行冷却。加热型红外传感器与量子型红外传感器刚好相反,优点是不受波长的影响,而缺点则是灵敏度低,响应速度慢。但是,加热型红外传感器的灵敏度可以通过滤光片、菲涅耳透镜、多重反射镜等外围配件来改善,因此在本课题的空气净化器控制系统中使用了德国海曼公司的LHi878这款加热型红外传感器。

  3.3.2 热释电型红外传感器

  热释电型红外传感器在温度变化时会产生电荷,它是一种利用所谓热释电效应的传感器。由于温度不变化的时候,没有信号产生,因此它又被称为微分型红外传感器。这种传感器可以分为热敏电阻式(检测敏感元件电阻随着红外线吸收的变化)、热电偶式(检测电动势)及热释电式(检测表面电荷)3种。

  1.热释电性红外传感器结构

  热释电型红外传感器的结构如图3-12所示,敏感元件通常采用PET(也可用其它材料),其上、下表面做成电极,表面上加一层黑色氧化膜,用于提高转换效率。由于它的输出阻抗极高,而且输出信号极其微弱,故在其内部装有场效应管(FET)及偏置厚膜电阻RG、RS,以进行信号放大与阻抗变换,传感器的内部封装电路如图3-14所示,3个引脚分别为VCC、GND和DATAOUT。

  在红外线的照射下,热释电型红外传感器的温度如果上升了△T,那么传感器表面的极化程度也会发生与温度升高幅度△T相对应大小的变化,热释电型红外传感器由此而产生信号电压AV,然而随着时间的延长,传感器边面会重新吸附空气中的离子并相互抵消,从而达到中和状态。

  (a)外部结构

  (b) 内部结构

  图3-12 热释电型红外传感器结构示意图

  图3-13 热释电型红外传感器内部电路图

  2.LHI878红外传感器

  LHi878热释电型红外传感器是德国海曼公司的产品,其内部封装电路如图3-14所示,内部含一个附有源跟随连接的场效应管的双元件热电陶瓷元件,具有高响应、低噪音的性能,主要应用于人体移动红外检测、非接触红外测量,其频率响应的曲线如图3-14所示:

  图3-14 LHi878频率响应曲线图

  LHi878红外传感器的主要技术参数如下:

  工作电压范围:2~15V

  工作温度范围:40~85℃

  储存温度范围:40~85℃

  响应率:3300-4000 V/W(100℃,1Hz)

  独立输出:典型值为5KΩ,最大值为l0KΩ

  第4章控制系统的硬件设计与实现

  前面章节介绍了两个传感器数据采集系统,为空气净化器的控制系统提供了空气质量采集信号与人体移动红外信号,为系统完成了信息自动采集功能的设计。本章将根据系统的总体设计内容,基于ATmegal28单片机详细地介绍控制系统主要的硬件部分,主要包括了系统的电源控制模块、电机驱动与控制模块、液晶显示控制模块、紫外光灯管控制模块、功能按键模块以及JTAG仿真电路、AVR ISP程序下载电路模块。

  4.1初控制系统硬件模块总体结构

  由空气净化器控制系统的需求分析可知,其控制系统的硬件模块主要是对其硬件功能电路进行设计,主要的电路包括了系统的电源控制电路、电机驱动与控制电路、紫外灯管驱动与控制电路、液晶显示器控制电路、红外遥控接收电路、功能按键电路以及JTAG仿真电路、单片机程序下载电路等,硬件模块总体结构如图4-1所示。

  图4-1 控制系统硬件模块总体结构图

  由结构图可以看出,电源控制、电机驱动控制、灯管驱动控制是属于系统的驱动控制部分的,在硬件设计中将其设计到驱动控制电路板上;而传感器数据采集控制、显示器控制、红外遥控、功能按键以及JTAG仿真、ISP下载电路都是属于单片机主控制模块,将这些设计在主控制电路板上,下面对各个硬件模块进行详细地分析与设计。

  4.2选电源控制模块设计

  4.2.1 电源模块结构

  电源电路是整个控制系统的供电核心,空气净化器的电源经外部变压器输入了110V的交流电压,但是本控制系统由于受到元气件工作电压的影响,其供电类型有三种,一是110V交流电,一是5V的直流电压,一是9V的直流电压,因此设计了电源控制模块的结构如图4-2所示,将电源模块分为三个子模块。

  图4-2 电源控制模块总体结构图

  从结构图中可以看到,该电源模块主要得到了三种电压,110V交流电压是用来为紫外光灯管进行供电的,9V直流电压是为LHi878红外传感器以及其放大与保护电路进行供电,而5V直流电压则是为单片机、气体传感器、液晶显示器以及控制系统的其它辅助电路供电。

  4.2.2 电源电路设计

  由电源模块结构知道,电源电路首先将电压进行降压,转换为12V电源,然后经过桥式整流与直流变换得到12V的直流电源。设计控制系统部分使用的直流电源电路原理如图4-3所示,根据主控制电路上元器件的特性,红外传感器正常工作需要9V电源,而单片机等其它分支电路都需要直流5V供电。

  从电路原理图可以看出,外部输入电压为110V/50Hz的交流,经过变压器Tl进行降压,得到12V交流电,从电路原理图可以看出,外部输入电压为110V/50Hz的交流,经过变压器Tl进行降压,得到12V交流电,随后经由二极管D5、D6、D7、D8和电容C4组成整流滤波电路得到12V直流电压,其中而二极管选用SlAB型,电容选用25V/3300μF的铝电解电容。使用稳压芯片将12V变换为5V和9V的直流电压。

  从图中可以看出,三端稳压芯片LM7805的OUT端输出的5V直流电压经过电容C2滤波后,为TGS800传感器电路、单片机电路、显示器电路等模块供电;而使用具有+9V电压输出的三端稳压芯片LM7809得到9V直流电,进行直流滤波后将9V为LHi878传感器电路模块供电。

  图4-3 电源控制电路原理图

  表4-1 电源控制电路元器件清单

  标号 名称 规格

  T1 变压器 110V-24V/12V

  D5-D8 整流二极管 S1AB

  U3 稳压芯片 LM7809

  U4 稳压芯片 LM7805

  C4 电容 3300μF

  C2 C3 电容 10μF

  4.3

  电机控制模块设计

  根据系统的总体设计需求分析可知,本空气净化器控制系统中,采用的是交流单相异步屯动机,电机的驱动与控制模块是藏个系统至关重要的部分,电机将在单片机的控制下带动微风扇的转动,使室内空气形成循环,调整空气净化器的工作状态与杀菌效果。本节将介绍该电机的结构、原理、特性以及驱动电路设计。

  4.3.1 单相异步电动机

  单相异步电动机中,专用电机占有很大比例,它们的结构各有特点,形式繁多。但就其共性而言,电动机的结构都由固定部分——定于、转动部分——转于、支撑部分——端盖和轴承等三大部分组成。其基本结构如图4-4所示:

  图4-4 单相异步电动机基本结构图

  单相异步电动机的主要部件包括:机座、铁心、绕组、离心开关或起动继电器;单相异步电动机定子绕组常做成两相:主绕组(工作绕组)和副绕组(启动绕组)。在单相异步电动机中.除了电容运转电动机外,在起动过程中,当转子转速达到同步转速的70%左右时,常借助于离心开关,切除单相电阻起动异步电动机和电容起动异步电动机的起动绕组,或切除电容起动及运转异步电动机的起动电容器。离心开关一般安装在轴伸端盖的内侧。

  4.3.2 电容式启动设计

  本系统中采用的电动机为电容分相启动的单相异步电机,电容分相肩动是在启动绕组中串接电容C.然后与主绕组(工作绕组)其同接到同一个单相电源上。工作绕组的阻抗是电感性,其电流落后于电源电压一个相角θl,而串接了电容的启动绕组的阻抗是容抗性的,其电流超前于电源电压一个相角θ2。电容的参数选取合适,可以使θl+θ2=90°,即可使启动绕组的电流超前于工作绕组的电流90°电位角,在单相异步电动机气隙内建立起椭圆度较小的旋转磁场,从而可获得比较好的启动性能,启动电流小,启动力矩较大。

  电容启动电动机通常以安装在定子上的电容器箱或外壳为特征标识,如图4-6所示。在启动绕组中添加电容能够提高两相场效应,电容的使用意味着,当电机启动时,能够产生更大的扭力,它把启动期间所需要的电流减小到大约为电动机正常运行所需电流的1.5倍,而分相电动机在启动时所需的电流则大于正常运行时所需电流的3或4倍。

空气净化器图片

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