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关于空气净化器的论文二

  图4-5 电容式单相异步机的启动线路图

  4.3.3 电机控制电路设计

  1.电机选型

  电机名称:MES(swiss made)

  电机型号:MUl5A 9180

  电机类型:单相交流异步电机(电容启动式)

  工作电压:110v/120V

  工作频率:50/60Hz

  额定功率:75W

  平均转速:2500/min

  启动电容:8uF/200V/0.65A

  2.控制电路

  由单相异步交流电机的特性,对于电机的驱动采用高低电压驱动方法,即不论电动机工作的频率如何,在绕组通电的开始用高压供电,使绕组中的电流迅速上升,而后用低压来维持绕组中的电流。电机的引脚如图4-6所示,VCC接110V交流电的火线,GND为接地,CAP接启动电容,Data为控制信号输入端。

  图4-6 单相电机引脚图

  当空气净化器通电时图4-6中电机MOTOR的l脚接110V交流电,2脚接地,3脚为高电平状态,4脚接通启动电容;单片机通过PE3引脚发出低电平信号后,此时电机被启动运转。单片机驱动程序发出的驱动信号经过MOC3023的M端口,将转化的信号输出到Q4管,将该管导通,信号输出到MOTOR引脚端,电机即被驱动。

  图4-7中MOC3023(六个脚)是一种可控硅驱动光耦,1K电阻&为Q4的门极提供限流作用;在驱动光耦中,发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管,转换为电信号输出,由于没有直接的电气连接,这样既耦合传输了信号,又有隔离干扰的作用。

  4.4灯管控制模块的设计

  本论文研究的空气净化器的主要原理是利用紫外光灯管进行杀菌,利用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,同时加以过滤网净化空气。微风扇在电机带动的情况下,实现仪器的通风作用,使得空气形成流动,经过过滤网在紫外光灯管发射的紫外线下进行杀菌、消毒。

  4.4.1 灯管驱动控制电路

  在项目中采用的紫外光灯管是Philips的8W紫光灯,额定工作电压为110V,波长范围为254-365nm。对于该紫外光灯管,其控制模块比较简单,除了如上按键K3对其使用寿命的计时与复位处理外,紫外光灯管的导通控制则是利用单片机指令来实现的。其控制电路同样是通过单片机控制可控硅驱动光耦MOC3023来实现的,其控制电路如图4-7所示。

  图4-7 紫外光灯管驱动电路原理图

  与电机驱动的方式相同,MOC3023(六个脚)它是一种可控硅驱动光耦,单片机引脚PE2发出低电平信号后,经过MOC3023直接输出到LINE端口,将紫外光灯管导通驱动,BALLASTl为连接电抗镇流器的引脚。

  4.4.2 灯管信号反馈电路

  灯管信号反馈电路的作用是将紫外灯管当前的状态信号检测、输出给单片机引脚PB4,PS2707是三极管型交流输入NPN输出光电耦合器,与MOC3032的功能类似,发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出,既耦合传输了信号,又有隔离高压的作用。

  如图4-8所示,接线端LAMP为灯管的状态检测引脚,BALLASTI与BALLAST2为电抗镇流器引脚两端。当灯管被驱动正常工作的时候,PS2707的3、4端被导通,引脚PB4端的电压值为低电平;而当灯管发生异常,例如灯管灯丝损坏、工作寿命已尽等情况时,PS2707的3、4端断开,PB4将获取到一个高电平信号,单片机程序将会提醒用户及时检查设备或更换紫外灯管。

  图4-8 紫外光灯管状态反馈电路原理图

  4.5

  液晶显示器模块设计

  由空气净化器控制系统的需求分析可以知道,当仪器通电正常运行时,其显示器就显示出空气净化器的各种信息,包括了:工作模式、房间大小、空气质量、电机转速、定时信息、过滤网状态与灯管状态信息。

  4.5.1 12864显示器基本结构

  空气净化器单片机控制系统的显示模块采用SMGl2864液晶显示器,型号为SMGl2864G2-ZK,这是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块,可显示汉字及图形,内置国标GB2312码简体中文字库(16×16点阵)、128个字符(8×16点阵)及64×256点阵显示RAM(GDRAM);可与CPU直接接口,提供两种界面来连接微处理机。

  SMGl2864液晶显示器的模块引脚说明如下表4-2所示:

  表4-2 SMGl2864液晶显示器引脚说明

  引脚 名称 方向 说明

  1 VSS - 电源负极

  2 VDD - 电源正极

  3 V0 - LCD偏压输入

  4 RS(CS) H/L 数据/命令选择端

  5 R/W(STD) H/L 读/写控制信号

  6 E(SCLK) H.H/L 使能信号

  7 DB0 I/O 数据0

  8 DB1 I/O 数据1

  9 DB2 I/O 数据2

  10 DB3 I/O 数据3

  11 DB4 I/O 数据4

  12 DB5 I/O 数据5

  13 DB6 I/O 数据6

  14 DB7 I/O 数据7

  15 PSB H/L H:并行数据模式 L:串行数据模式

  16 NC - 空脚

  17 /RST H/L 复位端

  18 NC - 空脚

  19 LED+ - 背光源正极

  20 LED- - 背光源负极

  其主要技术参数如表4-3所示:

  表4-3 SMG 12864液晶显示器技术参数

  显示容量 128*64点阵 点尺寸 0.48*0.48mm

  工作电压 4.8~5.2V 模块最佳工作电压 5.0V

  工作电流 4.0mA 背光源颜色 白色

  背光源工作电流 <150.0Ma 蓝膜负显STN

  4.5.2 12864显示器控制电路

  由上可知,SMGl2864液晶显示器共20引脚,液晶模块由外部提供+5V电源,脚3是显示器的对比度调节,连接到UR2电位器上,以便获取显示器最佳的显示效果;第17脚是LCD屏的复位功能引脚;第19和20引脚分别为显示器背光的正负极,LED+和LED.同样由+5V电源提供;片选信号RS、读写控制信号RW、使能信号E分别接到ATmegal28单片机的PG0.PG2引脚上;液晶显示器的DB7-DBo为数据信号引脚,接在了ATmegal28的PA7.PAo输入输出接口上,设计出的显示器模块的控制电路如图4-9所示:

  图4-9 SMGl2864液晶显示器控制电路图

  电路中Q2为2N3904三极管。其作用是当空气净化器POWER。关闭时,除了将显示器进行清屏处理,还将关闭显示器的背光,利用ATmegal28单片机提供的电平信号,将决定是否导通三极管的集电极,从而控制显示器背光灯管的开关导通状态。

  4.6

  红外遥控模块设计

  根据常用的红外遥控装置,本系统的红外遥控装置共分为两个部分:红外发射模块与红外接收模块,应用编/解码专用集成电路芯片来进行遥控操作。

  4.6.1 红外发射模块

  红外发射模块即遥控器的信号发射端,发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器;接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。红外遥控器发射电路的功能组成,其中的编码器即调制信号,按遥控器用途的编码方式可以很简单、也可以很复杂。

  4.6.2 红外接收模块

  红外接收模块主要是利用常用红外接收头,接收发射器输出的红外信号,并利用解码器进行解码,将模拟信号转化为数据信号,输入单片机引脚,进行遥控程序的处理,控制空气净化器的运行。

  本系统的红外接收模块采用通用的38KHz红外信号接收头,其结构如图4-13所示,这是一种小型专用IC,宽角度及长距离接收,抗干扰能力强,能抵御环境光线干扰,低的工作电压。GND和VCC分别接地和+5V电压,OUT引脚为红外信号的输出端口。

  图4-10 红外接收头引脚示意图

  红外接收头的输出信号的解码是利用BC7210解码芯片来完成的,这是一款低成本通用红外遥控解码芯片,可以完成目前应用最广泛的多种红外遥控编码的解码,BC7210共有20个引脚。其工作电压可选择+5V,支持并行或串行的编码输出,采用数字滤波技术,高抗干扰,无误码。

  根据以上设计选型,控制系统设计的红外接收电路如图4-15所示。IC为红外接收头,其输出信号传送到BC2710的IR引脚,BC2710经过解码将数据量信息由D5、D6、D7、ACT输出到单片机端口上。这是PC27l O的RC5模式时无用码方式的电路原理,在这种情况下,每收到一个红外遥控按键信号,BC2710串行输出2个字节,第一个为地址码,第二个字节的低5位为数据码,最高位为翻转位,芯片的晶振采用的是49S的4MB晶振。

  图4-11 红外接收电路原理图

  表4-4 红外遥控电路元器件清单

  标号 名称 规格

  IC 红外探头 38KHz

  R1 电阻 4.7KΩ

  U6 解码芯片 BC2710

  Y2 晶振 4MB

  C1C2 电容 20pF

  4.7按键模块的设计

  4.7.1 复位按键电路

  按键是最简单的单片机输入设备,通过按键输入相应的数据或命令,可实现人机对话功能。在空气净化器控制系统的设计中,根据系统的设计需求,设计灯管状态复位按键K3与过滤网状态复位按键K2,如图4-12所示。

  图4-12 复位按键的电路原理图

  K2、K3为过滤网和紫外光灯管的状态复位按键,分别接到单片机的PDl、PDo引脚上,PDo与PDl为单片机的中断处理引脚,通过中断的处理,将计数器的设计复位到初始状态,重新计时。

  4.7.2 功能按键电路

  功能按键的设计主要包括:开关“POWER”按键、工作模式按键、房间大小按键、定时按键,其电路设计如下图4-13所示。

  图4-13 功能按键的电路原理图

  由图可以知道,按键Kl为空气净化器的“POWER”键,控制仪器的开关状态,连接到ATmegal28的PD3引脚上进行中断处理,当按键被触发一次则为开机工作,再次触发则关闭;K4则为仪器的工作模式调节按键,连接到单片机PE6引脚进行程序处理,每触发一次则调整工作模式一次;K5是进行房间大小情况调整的按键,接PE5中断引脚;K6是对空气净化器的工作进行定时处理的按键,接PE4脚,利用了外部中断输入的功能,设置空气净化器的工作时间区间。图中所有的按键均为四引脚的按键型开关,保护电阻的阻值为330欧姆。

  第5章控制系统的软件设计与实现

  5.1控制系统程序总体结构

  5.1.1系统程序总体结构

  根据系统的功能需求分析与硬件模块的设计结果,紫外线空气净化器对于软件程序的需求可以分为以下几个部分:端口初始化程序、传感器采集信号处理程序、显示器控制程序、电机驱动程序、紫外灯管驱动程序、红外信号处理程序、按键功能程序,其总体结构的设计如图5-1所示。

  图5-1 控制系统程序总体结构图

  可以看出,单片机主要的驱动程序为电机与灯管的驱动控制,而其它部分则为单片机的主控制部分。而事实上,每个部分都是紧密相关的,每个功能模块对于程序的整体设计都是非常重要的,都是通过ATmegal28单片机程序,才能使空气净化器控制系统运行起来。

  5.1.2系统程序主流程

  紫外线室内空气净化器控制系统的主程序流程如图5-2所示,控制系统通上电源并开机工作后,系统进行参数的初始化,分配端口地址,读取两个传感器的数据检测信号,点亮液晶显示器工作;随后将根据红外遥控和功能按键的指令,执行系统的遥控与按键子程序,调整空气净化器的工作模式,进而改变电机的转速、紫外光灯管的导通,使整个电路控制系统进入正常运转的状态。

  图5-2 控制系统程序主流程图

  由控制系统的程序主流程可以看出,系统的程序设计主要是围绕电路硬件设备与系统的功能需求进行的。系统在经过程序的初始化设置后,将进入控制电路的循环中,检测信号、判断信号、发出正确指令,以达到控制紫外线室内空气净化器工作参数的目的。

  5.2 系统初始化程序设计

  控制系统的初始化程序,即对相应的系统参数进行初始化,包括堆栈设定、载入定时器中断初值、各标志位初始化、工作模式参数、各变量初始化、显示程序运行、端口初始化设置;在初始化的过程中,空气净化器的外部表现为电机运行的导通、紫外灯管的导通、显示器点亮工作,初始化程序的流程如图5-3所示,为开机后的初始读取程序的运行流程。

  图5-3 系统初始化程序流程图

  在初始化的流程中,单片机主要功能端口的初始化语句如下:

  DDRA=0xff; //端口初始化

  PORTA=0xFF;

  DDRB=0xff;

  DDRD=0xf0;

  PORTD=0xFF;

  DDRG=0xff;

  PORTG=(1<<3);

  PORTE=0xFF; //按键开关使用的初始化

  DDRE=0x0F;

  PORTE &=(1<<(3));

  PORTE &=(1<<(2));

  PORTF=0x00;

  DDRF=0x00;

  5.3 显示器控制程序设计

  5.3.1 基本操作指令与坐标

  (1)基本操作指令

  SMG12864液晶显示器的显示资料RAM提供64*2个位元组的空间,最多可以控制4行16字(64个字)的中文字型显示,当写入显示资料RAM时,可以分别显示CGROM、HCGROM与CGRAM的字型;ST7920A可以显示三种字型,分别是半宽的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGROM字型,三种字型的选择,由在DDRAM中写入的编码选择,在0000H—0006H的编码中将自动的结合下一个位元组,组成两个位元组的编码达成中文字型的编码(A140一D75F),各种字型详细编码如下:

  1.显示半宽字型:将8位元资料写入DDRAM中,范围为02H-7FH的编码;

  2.显示CGRAM字型:将16位元资料写入DDRAM中,共有0000H,0002H,0004H,0006H四种编码;

  3.显示中文字形:将16位元资料写入DDRAMK,范围A1A1H-F7FEH编码。与本文相关的SMGl 2864液晶的清除显示、显示状态和睡眠选择的操作指令如下列表5-1所示:

  表5-1 SMGl2864液晶主要操作指令

  CODE RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

  清楚显示 L L L L L L L L L H

  显示状态 L L L L L H S/C R/L X X

  睡眠选择 L L L L L L H SL X X

  清除显示的指令代码为01H,功能为清除显示屏幕,把DDRAlD位址计数器调整为“00H”;显示状态的功能为:10H/14H:光标左/右移,18H/1CH:整体显示左右移动,光标跟随移动,AC值不变;睡眠选择的功能:SL=1:脱离睡眠模式,SL=0:进入睡眠模式。

  (2)汉字显示坐标SMG 12864的汉字显示坐标如表5-2所示:

  表5-2 SMG 12864的汉字显示坐标

  X坐标

  Line1 80H 81H 82H 83H 84H 85H 86H 87H

  Line 90H 91H 92H 93H 94H 95H 96H 97H

  Line 88H 89H 8AH 8BH 8CH 8DH 8EH 8FH

  Line 98H 99H 9AH 9BH 9CH 9DH 9EH 9FH

  5.3.2 显示程序流程

  SMGl2864液晶显示器在本空气净化器控制系统中的作用是显示仪器工作的主要参数信息,根据系统的需求分析,显示器需要显示的内容包括:工作模式、房间大小、空气质量、电机转速、定时信息、过滤网状态与灯管状态信息。显示器控制程序的流程如图5-4所示,需要注意的是,显示器程序在此并不是孤立的,而是与传感器数据采集信号、电机与灯管的运转状态相互关联、相互影响的。

  图5-4 显示器控制程序流程图

  5.3.3 显示程序实现

  根据12864液晶的硬件设计,将ATmea9128单片机的A组端口作为显示数据的输入;随后将写入指令,将LCM进行初始化,调用了显示器的基本操作函数WriteCommandLCM()的五个指令,分别为:

  WriteCommandLCM(0x38); //三次显示模式设置,不检测忙信号

  WriteCommandLCM(0x08); //关闭显示

  WriteCommandLCM(0x01); //显示清屏

  WriteCommandLCM(0x06); //显示光标移动设置

  WriteCommandLCM(0x0C); //显开及三次显示模式设置,不检测忙信号

  对于显示器需要显示的几个基本信息进行定义,定义每种信息可能显示的所有字符,再显示器控制主函数中进行调用。其显示的主函数DisplayList()如下:void Display List(unsigned char X,char DDdta) //显示器显示主程序

  {

  unsigned char length;

  unsigned char i=0;

  char p;

  p=DData;

  length=stelen(p);

  WriteCommandLCM(X);

  WriteCommandLCM(0x06);

  WriteCommandLCM(0x0C);

  WriteCommandLCM(X);

  For(i=0;i

  {

  WriteDataLCM(DData[i]);

  i++;

  WriteDataLCM(DData[i]);

  }

  }

  5.4 电机驱动与控制程序设计

  由硬件模块的设计可以知道,本论文研究中使用的交流单相异步电机,电机的驱动是利用单片机输出的低电平导通信号来实现的,提供给电机低电平驱动信号的是PE3端口,执行导通的语句为:PORTE=0xFF;DDRE=0x0F。

  图5-6电机驱动与控制程序流程图

  电机驱动与控制程序的流程如图5-6所示。在电机的运行过程中,需要根据空气净化器的工作状态来调整电机的转动速度。AVR单片机端口将通过按键与传感器检测信号来判断仪器需要的工作状态。PE3端口将依此来调整输出的高低电平持续时间即“占空比”来调整电机转速。占空比越大,电机驱动电流越小,转速减慢:占空比越小,电机驱动电流越大,转速加快。根据占空比的大小,电机转速被分为了一档、二档等六个档位;此外,对电机设置定时控制,当时钟达到预设的关电机的时闻时,电机将会停止工作。

  5.5 灯管驱动与控制程序设计

  紫外灯管的驱动同样是利用低电平导通信号的输出来实现的,输出驱动信号的引脚为PB4,执行导通的初试化语句为:DDRB=0x;PORTB=0xff。

  图5-7 灯管驱动与控制程序流程图

  灯管驱动与控制的流程如图5-7所示,首先对灯管发出驱动信号,再判断灯管的异常检测信号,如有异常发生,则中断控制子程序,等待返回重新初始化;否则点亮灯管正常运行。

  5.6 红外遥控程序设计

  由于本论文中研究的红外遥控模块主要为接收部分,因此,在红外遥控程序的设计中只介绍接收程序的设计流程。红外发射器发射出红外射线,由红外接收头IC接收,并输出波形,通过BC2710解码芯片,将一组数据信号传送到Atmegal 28单片机的PBo、PBt、PB2端口上,图5-8为红外遥控程序流程图。

  图5-8红外遥控程序流程图

  5.7 功能按键控制程序设计

  从上面的电路分析可以得知,按键的控制程序主要是进行外部中断的处理过程,空气净化器控制系统的按键主要有六个,包括了电源开关Kl、工作模式选择K4、房间大小设置K5、定时设置K6以及灯管与过滤网的状态复位K3、K2,按键的程序设计主要是通过中断来实现的,当发生按键操作的时候,单片机引脚将根据信号进行程序处理。

  图5-9 功能按键控制程序流程图

  第6章

  结 论

  空气净化技术是环保领域的一个新的课题,尤其是室内空气净化器诞生后,各种不同方式的空气净化器如雨后春笋般涌现入市场。本论文研究的紫外线空气净化器属于新型的,半智能式的空气净化产品,仪器的控制系统基于AVR单片机进行软硬件模块设计与开发,并且创新式地设计了气体传感器与红外传感器数据采集模块,分别用于采集室内空气质量和移动人体红外信号强弱,以完成仪器随外部环境自动调整工作状态的功能。基于AVR单片机的空气净化器控制系统设计,从总体结构到系统原理,再到硬件电路与功能程序设计,形成了完整的模块化设计过程。

  本控制系统的开发历时一年,主要完成的工作如下:

  (1) 对于空气净化器的控制系统进行具体的需求分析,设计出控制系统的功能结构与总体结构框架,完成控制系统的工作原理设计,进行项目开发的设备选型,尤其是对AVR单片机的选择。

  (2) 根据空气净化器控制系统的功能需求,设计出两款不同作用的传感器数据采集电路系统:TGS800气体传感器与LHi878红外传感器数据采集系统,分别用于检测室内空气质量与移动人体红外信号,完成了数据采集系统的硬件电路原理与信号处理程序的设计。

  (3)在总体设计的基础上,对控制系统的硬件部分进行模块化的设计,分别完成了电源控制模块、电机控制模块、紫外灯管控制模块、液晶显示器控制模块、功能按键模块与AVR ISP电路集成,搭建了控制系统的硬件环境。

  (4)根据硬件控制电路的设计,对于空气净化器的功能进行编程,设计出较佳的程序流程,使用C语言进行AVR单片机的嵌入式编程,分别完成传感器采集数据处理程序、电机与灯管驱动程序、显示器控制程序、按键功能中断程序以及系统主程序的编写,完成控制系统软件程序的运行与调试工作。

  参考文献

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  [14] 孙钦,李杰等,负离子空气净化器电源的研制.军械工程学院学报,2006

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  [17] 郭宗仁,吴亦锋,郭永编著,可编程控制器应用系统设计及通信网络技术.北京,人民邮电出版社,2002

  致 谢

  本文是在肖立萍老师悉心指导下完成的。从论文的选题到相关材料的收集,从论文框架的设计到具体内容遣词造句,每一章节都凝聚着老师的心血。在此,学生表示最诚挚的谢意。肖老师严谨的治学态度、积极的人生观、学术上孜孜追求的精神以及对学生无微不至的关怀,都给我留下了终生难忘的印象,必然将对我以后的学习和生活产生重要影响。

  在完成整个论文期间,对各位老师、同学、朋友、亲人辛勤劳动以及他们在治学和人品上给予我的深刻影响,我同样铭记在心,并表示由衷的感谢。

  在此,我向所有在学业上、生活上帮助、理解、支持我的老师、同学、朋友和亲人致以最真诚的谢意。

  最后,感谢各位专家、学者在百忙之中审阅我的拙作。

  附 录

  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);

  }

  };

  ********************************************************

  Display List(unsigned char X,char DDdta) //显示器显示主程序

  {

  unsigned char length;

  unsigned char i=0;

  char p;

  p=DData;

  length=stelen(p);

  WriteCommandLCM(X);

  WriteCommandLCM(0x06);

  WriteCommandLCM(0x0C);

  WriteCommandLCM(X);

  For(i=0;i

  {

  WriteDataLCM(DData[i]);

  i++;

  WriteDataLCM(DData[i]);

  }

  }

  ********************************************************

  DDRA=0xff; //端口初始化

  PORTA=0xFF;

  DDRB=0xff;

  DDRD=0xf0;

  PORTD=0xFF;

  DDRG=0xff;

  PORTG=(1<<3);

  PORTE=0xFF; //按键开关使用的初始化

  DDRE=0x0F;

  PORTE &=(1<<(3));

  PORTE &=(1<<(2));

  PORTF=0x00;

  DDRF=0x00;

空气净化器

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