姜建國(guó) 田金艷 安昊盈

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.遼河油田曙光采油廠，遼寧 盤錦 124000)

工業(yè)發(fā)展致使全球空氣污染越來(lái)越嚴(yán)重。擁有潔凈、清新、自然舒適的工作和生活環(huán)境已經(jīng)成為人們的迫切需求[1]。在此，筆者基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)空氣凈化器控制系統(tǒng)[2，3]，進(jìn)行室內(nèi)微量甲醛氣體的檢測(cè)，并由單片機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。給出了系統(tǒng)電源、交流電機(jī)、紫光燈和負(fù)離子發(fā)生裝置及液晶顯示等模塊、其他輔助電路和部分軟件流程。

基于AVR單片機(jī)的空氣凈化器控制系統(tǒng)的核心硬件是由控制電路和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的主電路[4]?？刂齐娐酚葾VR控制電路、液晶顯示電路和蜂鳴器報(bào)警電路組成；驅(qū)動(dòng)電路主要由電源控制電路、紫光燈和負(fù)離子發(fā)生裝置和相應(yīng)的保護(hù)電路構(gòu)成?？諝鈨艋骺刂葡到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 空氣凈化器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 控制電路

空氣凈化器控制電路的核心是基于哈佛結(jié)構(gòu)的高速RISC微控制器Atmega128，具有速度快、價(jià)格低、可靠性高、I/O口線驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)及片內(nèi)集成外設(shè)資源豐富等特點(diǎn)。Atmega128單片機(jī)設(shè)有兩個(gè)具有比較和捕捉功能的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)具有互不干擾的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩路8位脈沖寬度的調(diào)制電路(PWM)，8路單端或差分輸入的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)，面向字節(jié)的兩線接口和兩個(gè)可編程串行口(USART)，其SPI串行接口可工作于主/從機(jī)模式下，還有獨(dú)立于片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器模塊[5]。單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路是能使單片機(jī)的工作所需的最少外圍電路，AVR單片機(jī)的 最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

1.2 液晶顯示電路

空氣凈化器控制系統(tǒng)由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)并控制SMG12864K型液晶顯示模塊。液晶顯示模塊控制電路如圖3所示，該模塊有20個(gè)引腳，所需直流驅(qū)動(dòng)電源電壓5V，與單片機(jī)并用。單片機(jī)的PG0～PG2口作為液晶控制端，控制數(shù)據(jù)的使能端和讀寫操作并控制液晶開關(guān)和顯示[6]；PA0～PA7控制顯示數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 液晶顯示模塊控制電路

1.3 蜂鳴器報(bào)警電路

蜂鳴器報(bào)警電路如圖4所示。系統(tǒng)或電路出現(xiàn)故障后通過(guò)程序自動(dòng)給單片機(jī)的PC0端口輸出高電平，PC0收到高電平時(shí)三極管高電平正向?qū)?，?V電源給蜂鳴器供電，蜂鳴器聲響報(bào)警同時(shí)發(fā)光二極管輔助報(bào)警。故障排除或者RESET后，PC0口的輸出為低電平，報(bào)警電路失電，蜂鳴器報(bào)警停止。

圖4 蜂鳴器報(bào)警電路

1.4 電源控制模塊電路

電源模塊為單片機(jī)、傳感器交流電機(jī)、紫光燈和負(fù)離子發(fā)生裝置提供電源。紫光燈和負(fù)離子發(fā)生裝置的供電電壓220V(AC)，直接由市電提供；電機(jī)采用110V(AC)供電電壓，選用變比為2∶1的E型220-110單相交流變壓器(額定功率30W、干式自然冷卻、三繞組、心式E型鐵心、效率78%)由220V(AC)變換得到；單片機(jī)的供電電壓5V(DC)，由交流電壓整流穩(wěn)壓得到；傳感器模塊和液晶顯示模塊的供電電壓5V(DC)，可由單片機(jī)I/O口直接輸出供電。

要獲得穩(wěn)定的5V(DC)電壓，第一步將110V電壓經(jīng)過(guò)交流變壓器變?yōu)?V(AC)；第二步用單相橋式全波整流電路將5V(AC)變成有效值為5V的連續(xù)電壓，波形為上半波電壓；第三步通過(guò)直流穩(wěn)壓電路將整流電路輸出的電壓穩(wěn)定為較理想的直流電壓。交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)壓器的工作原理如圖5所示。

圖5 交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)壓器的工作原理

1.5 紫光燈和負(fù)離子發(fā)生裝置

筆者選用15W一體紫光燈，無(wú)需外接鎮(zhèn)流器，額定工作電壓220V(AC)，主波峰值365nm。紫光燈管的控制模塊較簡(jiǎn)單，當(dāng)啟動(dòng)空氣凈化機(jī)時(shí)紫光燈點(diǎn)亮，此后單片機(jī)根據(jù)傳感器檢測(cè)空氣中有毒氣體的濃度，通過(guò)單片機(jī)的I/O PF4端口輸出電平控制燈的亮滅。發(fā)光二極管作用于光敏二極管，共同起到電氣隔離保護(hù)作用。此處選用W-10型聚碳酸酯負(fù)離子發(fā)生器[7]，功率25W。負(fù)離子發(fā)生器和紫光燈共用控制電路，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 紫光燈和負(fù)離子發(fā)生器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.6 保護(hù)電路

當(dāng)系統(tǒng)受到相對(duì)高壓時(shí)，首先報(bào)警，同時(shí)切斷控制系統(tǒng)電源。開關(guān)斷開后發(fā)光二極管繼續(xù)導(dǎo)通，直到人工處理故障。之后需恢復(fù)系統(tǒng)正常工作，同時(shí)手動(dòng)閉合上述斷路開關(guān)，此過(guò)壓保護(hù)的工作原理如圖7所示，為了更好地保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，在接入公共交流電時(shí)要確保良好的接地。

圖7 過(guò)壓保護(hù)工作原理

默認(rèn)狀態(tài)下，如果電源提供的電壓低于4.5V就無(wú)法滿足控制系統(tǒng)的正常工作，保護(hù)電路也會(huì)斷電。欠壓時(shí)，4.5V干電池使發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光報(bào)警，同時(shí)導(dǎo)通光敏二極管，開關(guān)受到磁力斷開。人工手動(dòng)排除故障后系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

2 軟件部分

2.1 主程序

主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，包括I/O引腳功能、系統(tǒng)時(shí)鐘、外設(shè)時(shí)鐘、外部中斷和內(nèi)部中斷、A/D采樣時(shí)間周期、顯示器初始化、事件管理器等的設(shè)置，以及循環(huán)等待中斷。

2.2 數(shù)據(jù)采集子程序

傳感器模塊利用甲醛傳感器將甲醛含量V轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)，由于單片機(jī)的I/O口只能識(shí)別數(shù)字量，因此在把信號(hào)送入單片機(jī)接口前需經(jīng)放大和濾波并由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理后送入單片機(jī)[8，9]。數(shù)據(jù)采集子程序的工作流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集子程序的工作流程

2.3 電機(jī)控制子程序

電機(jī)控制子程序包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序(圖9)和電機(jī)調(diào)速子程序兩部分(圖10)[10，11]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序通過(guò)調(diào)整占空比將電機(jī)轉(zhuǎn)速分為優(yōu)、良、中、差擋位，分別對(duì)應(yīng)甲醛含量的取值范圍(圖8)。當(dāng)甲醛含量高時(shí)，電機(jī)處于低速擋位，便于紫光燈和負(fù)離子發(fā)生裝置充分殺菌。

圖9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序流程

圖10 電機(jī)調(diào)速子程序流程

2.4 紫光燈和負(fù)離子發(fā)生子程序

如圖11所示，整個(gè)系統(tǒng)上電，紫光燈和負(fù)離子發(fā)生器模塊初始化后確保紫光燈和負(fù)離子發(fā)生器得電，當(dāng)空氣中的不良?xì)怏w濃度達(dá)到“差”級(jí)別時(shí)，即刻進(jìn)行殺菌消毒；當(dāng)傳感器檢測(cè)到的空氣質(zhì)量為“優(yōu)”時(shí)，單片機(jī)發(fā)出高電平信號(hào)，紫光燈和負(fù)離子發(fā)生器停止工作。再次啟動(dòng)空氣凈化器時(shí)，紫光燈和負(fù)離子發(fā)生器循環(huán)工作。

圖11 紫光燈和負(fù)離子工作流程

2.5 報(bào)警和保護(hù)子程序

由于單片機(jī)的供電電壓為5V(DC)，電機(jī)的供電電壓為110V(AC)，空氣凈化器在工作過(guò)程中如果誤操作容易燒毀單片機(jī)。為此設(shè)計(jì)保護(hù)電路模塊對(duì)低壓模塊進(jìn)行系統(tǒng)上電保護(hù)。報(bào)警和保護(hù)模塊投入運(yùn)行，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常，保護(hù)模塊就切斷被保護(hù)對(duì)象的電源，報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于AVR單片機(jī)的空氣凈化器控制系統(tǒng)，可以對(duì)室內(nèi)空氣中的甲醛氣體進(jìn)行檢測(cè)，由單片機(jī)處理采樣數(shù)據(jù)，針對(duì)不同含量的甲醛，對(duì)紫光燈和負(fù)離子發(fā)生裝置與交流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，從而達(dá)到殺毒滅菌的目的。

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