德州學(xué)院機電工程學(xué)院 翟龍濤 李慶才 高勇善

基于單片機控制的PM2.5空氣凈化器的設(shè)計與研究

德州學(xué)院機電工程學(xué)院 翟龍濤 李慶才 高勇善

基于單片機控制的PM2.5空氣凈化器是以STC12C5A60S2單片機為核心，以高性能負離子發(fā)生器、積塵除塵管道、火焰?zhèn)鞲衅?、報警器、LCD1602液晶顯示屏、數(shù)字溫濕度傳感器模塊DHT11、GSM短信模塊、PCF8591模塊、超高速無葉風(fēng)扇等電路元件為執(zhí)行系統(tǒng)，對周圍的環(huán)境進行檢測處理，旨在解決霧霾問題的同時，給人們的生活帶來最大的便利。

單片機；空氣凈化器；PM2.5

隨著社會的發(fā)展，霧霾問題出現(xiàn)在了人們的視野中，給人類的生存發(fā)展帶來了不容小覷的影響。其中，導(dǎo)致霧霾的罪魁禍首就是PM2.5，PM2.5體積小、但活性極強并且極易攜帶病毒和重金屬物質(zhì)，被人體吸入后，給人們的健康帶來了極大的影響。針對霧霾問題所帶來的問題，本文設(shè)計了一款集多功能為一體的智能PM2.5空氣凈化器，旨在解決霧霾問題的同時，給人們的生活帶來最大化的便利。

1　系統(tǒng)簡介

1.1系統(tǒng)的組成

本文所設(shè)計的PM2.5空氣凈化器是以STC12C5A60S2單片機為核心，以高性能負離子發(fā)生器、積塵除塵管道、火焰?zhèn)鞲衅?、報警器、LCD1602液晶顯示屏、數(shù)字溫濕度傳感器模塊DHT11、GSM短信模塊、PCF8591模塊、超高速無葉風(fēng)扇等電路元件為執(zhí)行系統(tǒng)，對周圍的環(huán)境進行檢測處理。PCF8591模塊將采集到的信息傳送給單片機，單片機通過預(yù)先設(shè)置好的程序?qū)λ邮艿降男畔⒆龀鱿鄳?yīng)的反應(yīng)，進而實現(xiàn)不同的功能。

1.2主要執(zhí)行系統(tǒng)的介紹

(1)高性能負離子發(fā)生器

負離子發(fā)生器是將輸入的電信號經(jīng)EMI處理電路及保護電路處理后，經(jīng)一些列的電路轉(zhuǎn)換后，將直流負電壓釋放到載體的尖端，通過尖端放電原理，利用尖端直流高壓產(chǎn)生高電暈，進而釋放出大量的電子（e-），由于電子固有的特性，它會主動結(jié)合空氣中的灰塵、PM2.5顆粒、細菌等極小的顆粒，結(jié)合后會使得結(jié)合物的質(zhì)量升高，在萬有引力的作用下才生沉降，所以它無法長久的存在于空氣中，正是基于這一特性，來達到空氣凈化、消毒殺菌的目的。對于尖端電離產(chǎn)生的小粒徑負離子，對人體而言，也具有醫(yī)療保健功效：具有促進細胞新陳代謝、改善心肺特性、增強機體免疫能力等功能，因而我們選用性能高的負離子發(fā)生器。

(2)積塵除塵管道

圓柱形通道管與積塵箱的配合，構(gòu)成了積塵除塵通道。灰塵降落管道的選用，首先要考慮防止灰塵的二次污染，即：圓柱形通道管應(yīng)使得灰塵降落過程中受阻最小化，防止灰塵不能降落到指定的積塵箱內(nèi)，造成二次污染，因而我們選用圓柱形落塵管道。積塵箱我們選用推拉槽式的積塵箱，這樣的積塵箱即方便收集從積塵除塵通道降落下來的塵埃，又方便將收集到的塵埃進行清理。

(3)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊

本裝置采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來對周圍環(huán)境的溫濕度進行檢測，DHT11是一款包含已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它具有一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，是一個溫濕度一體化測量的傳感器，它具有耗能低、響應(yīng)時間快、測量精度相對較高等特點，3.3V至5.5v的直流工作電壓可以滿足STC12C5A60S2對它的控制，DHT11傳感器將采集到的信息傳送到單片機，單片機根據(jù)接收到的信息在單片機系統(tǒng)內(nèi)部將其轉(zhuǎn)化為可視的數(shù)字變量，再將數(shù)據(jù)傳送到LCD1602液晶顯示屏上，將數(shù)據(jù)顯示出來。

(4)LCD1602液晶顯示屏

本裝置采用LCD1602液晶顯示屏對溫濕度等信息進行顯示，它可以同時顯示16x02即32個字符，我們根據(jù)實際的需要，在1602顯示屏上下分別設(shè)置顯示溫度、濕度與相對應(yīng)的參數(shù)。

(5)火焰?zhèn)鞲衅髂K

火焰?zhèn)鞲衅魇且豢顚鹧嫣貏e敏感的傳感器件，可用于檢測一定范圍內(nèi)的火光情況，常與報警器結(jié)合用作火災(zāi)報警。它配有可調(diào)精密電位器，可以用來調(diào)節(jié)它的靈敏度，以適應(yīng)不同場合不同光源的檢測。

(6)GSM短信模塊

GSM短信模塊我們采用SIM900A模塊，該模塊支持2G、3G、4G手機卡，擁有短信、數(shù)據(jù)、彩信和上網(wǎng)等功能。5V供電，可以直接與單片機相連，屬于低耗能裝置，待機電流只需80MA左右，休眠低至10MA，因而適用范圍廣，適合在本套裝置中使用。

2　功能介紹及工作原理

2.1凈化除塵

本裝置是以STC12C5A60S2單片機為控制核心，配以相應(yīng)的程序，用來對電路中信息的處理和對執(zhí)行電路的控制，具有超高速、低耗能，抗干擾極強的特點，是傳統(tǒng)8051單片機運行速度的8—12倍左右，在本套裝置中處于的核心地位。高性能負離子發(fā)生器、積塵除塵管道與超高速無葉風(fēng)扇設(shè)在空氣凈化器內(nèi)部，通過超高速無葉風(fēng)扇的高速轉(zhuǎn)動使得空氣凈化器的內(nèi)部形成真空，此時便會與外界大氣形成壓差，由于大氣壓強瞬間大于空氣凈化器內(nèi)部的壓強，就會導(dǎo)致含灰塵、PM2.5離子、細菌等小顆粒的空氣進入負離子發(fā)生器中，在負離子發(fā)生器中經(jīng)過尖端放電過程后，空氣中的有害小顆粒經(jīng)結(jié)合、沉降、積淀后，通過積塵除塵管道進入到積塵箱中，凈化后的空氣由凈化器的出口排除，以到達凈化空氣的作用。

2.2火災(zāi)報警

PM2.5空氣凈化器為居家生活所必備，除具有凈化除塵功能外，還具有火災(zāi)報警的功能。此功能是由安裝在空氣凈化器外部的火焰?zhèn)鞲衅骱蚉CF8591模塊檢測火災(zāi)的信息，經(jīng)處理送達單片機，通過與之前設(shè)定好的程序動作進行比較，進而做出相應(yīng)的反應(yīng)?；鹧?zhèn)鞲衅?、報警器、GSM短信模塊的結(jié)合使用，是實現(xiàn)智能火災(zāi)報警功能的前提。GSM短信模塊與報警器直接與單片機相連，通過聲音報警與電話報警雙向報警功能進行報警：如若家庭發(fā)生因線路老化或其他因素

引發(fā)的火災(zāi)后，系統(tǒng)采集到火災(zāi)信息后，通過報警器發(fā)出報警聲與撥通戶主手機進行雙重報警為保障，以保證火災(zāi)信息能夠及時送達主人，讓主人及時處理火災(zāi)情況，已達到損失最小化的目的。

2.3溫度檢測

空氣凈化器的溫度檢測功能主要由DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊與PCF8591模塊配合使用來對外部溫濕度采集，為防止干擾信號的產(chǎn)生，需在電源引腳（VCC、GND）之間加上一個0.1UF的電容用做去耦濾波。當系統(tǒng)采集到外部環(huán)境的溫濕度信息時，將采集到的信息送達STC12C5A60S2中，再將信息轉(zhuǎn)化成人為可見的數(shù)字量顯示在LCD1602液晶顯示屏上。LCD1602液晶顯示屏可分為上下兩行顯示，我們讓其分別顯示溫度、濕度的數(shù)字變化。

3　裝置綜述

本裝置采用STC12C5A60S2單片機為控制系統(tǒng)，對空氣凈化器的電路元件進行控制。裝置上電即工作，通過負離子發(fā)生器與超高速風(fēng)扇的協(xié)調(diào)配合對“吸”入的空氣進行處理，已到達凈化空氣的作用；DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊與PCF8591模塊的配合用于對環(huán)境溫濕度信息的采集處理，再將參數(shù)信息送達單片機進一步加工處理，將環(huán)境的溫濕度參數(shù)通過LCD1602液晶顯示屏顯示出來，可以實現(xiàn)良好的人機交互；由與單片機連接的火焰?zhèn)鞲衅鳌CF8591模塊、報警器以及GSM短信模塊用于對家庭火災(zāi)信息的檢測報警，一旦檢測到火災(zāi)便可通過報警器的聲音報警以及GSM短信模塊的電話報警雙重報警機制進行報警，通知戶主及時處理火災(zāi)信息，以確保損失最小化。

4　結(jié)束語

對于霧霾嚴重的今天來說，環(huán)境溫濕度多變與火災(zāi)多發(fā)仍是一個不容忽視的問題。本文所設(shè)計的PM2.5空氣凈化器正是基于這一現(xiàn)存問題與智能家居一體化的設(shè)計思路研制的，是一款集空氣凈化、溫濕度檢測與火災(zāi)檢測等功能與一體的智能家居裝置，是居家生活不可或缺的好幫手。

[1]梁馭辰,倪源蔚,俞熹.空氣凈化器對于PM2.5的凈化特性研究[M].大學(xué)物理,2015.

[2]羅群.室內(nèi)外細顆粒物污染及空氣凈化[M].大連理工大學(xué),2014.

2015年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(項目編號201510448056)的資助。

翟龍濤（1993—），男，山東煙臺人，大學(xué)本科，主要從事新能源開發(fā)與利用方面的研究。