空氣凈化器設(shè)計

1、 空氣凈化器的設(shè)計與制作指導(dǎo)老師 張冠芬摘要：采用雙波長等離子空氣凈化技術(shù)，依靠AVR單片微控制器原理，以atmega8單片機為控制核心，檢測交流過零點，控制可控硅實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速；使用一體化紅外接收頭，進(jìn)行遙控解碼，實現(xiàn)紅外遙控；驅(qū)動步進(jìn)電機，實現(xiàn)擺風(fēng)葉擺動，完成空氣凈化器設(shè)計制作，達(dá)到了凈化空氣、改善人們居住環(huán)境的目的。它主要使用于通風(fēng)不足的室內(nèi)環(huán)境與空氣品質(zhì)差的公共環(huán)境等。關(guān)鍵詞：AVR單片機；雙波長等離子凈化技術(shù)；可控硅調(diào)壓；紅外遙控解碼研究背景在我們生活的大多數(shù)場所，為了節(jié)省能源，其建筑都是密封的。即使在安裝空調(diào)系統(tǒng)的前提下，通常新風(fēng)量約占空調(diào)總風(fēng)量的15左右，其余的85都是室內(nèi)的回風(fēng)，

2、因此室內(nèi)的大部分空氣都在往返循環(huán)使用，所以室內(nèi)常積有許多諸如病毒、霉毒、細(xì)菌、真菌、煙塵、異味、化學(xué)物以及轉(zhuǎn)潢后的甲醛、笨、氨等污染，使室內(nèi)空氣質(zhì)量更加惡化，污染更加嚴(yán)重。在衛(wèi)生部組織開展的全國公共場所中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生狀況監(jiān)督檢查結(jié)果也表明，合格率僅為6.2。人們在這樣的環(huán)境下生活工作，嚴(yán)重危害健康和生命。雙波長光氫等離子凈化技術(shù)，就能在不改變現(xiàn)有通風(fēng)和人員照常工作的動態(tài)狀況下，迅速殺菌，消毒，同時提高環(huán)境空氣的含氧量。1設(shè)計原理采用雙波長等離子空氣凈化技術(shù)，依靠AVR單片微控制器原理，以atmega8單片機為控制核心，檢測交流過零點，控制可控硅實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速；使用一體化紅外接收頭，進(jìn)行遙控

3、解碼，實現(xiàn)紅外遙控；驅(qū)動步進(jìn)電機，實現(xiàn)擺風(fēng)葉擺動，完成空氣凈化器設(shè)計制作，達(dá)到了凈化空氣、改善人們居住環(huán)境的目的。它主要使用于通風(fēng)不足的室內(nèi)環(huán)境與空氣品質(zhì)差的公共環(huán)境等。2系統(tǒng)設(shè)計2.1設(shè)計總要求： 該凈化器主要實現(xiàn)功能有：該凈化器實現(xiàn)殺菌凈化功能，用戶使用遙控器進(jìn)行操作。可設(shè)定凈化器工作時間，定時1、2、3個小時，循環(huán)選擇。可調(diào)整風(fēng)機風(fēng)速，分為高風(fēng)速，中速，低速，循環(huán)選擇?？勺詣痈淖冿L(fēng)向，具有擺風(fēng)功能，結(jié)構(gòu)圖如下圖1：主控 板交流風(fēng)扇電 機擺風(fēng)葉步進(jìn)電機空氣凈化裝 置紅外遙控12v變壓器220V供電 圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2模塊設(shè)計方案比較論證根據(jù)凈化器設(shè)計要求，系統(tǒng)模塊主要分為：主控電路模塊，

4、狀態(tài)顯示模塊，交流電機調(diào)壓調(diào)速模塊，紅外遙控模塊，步進(jìn)電機驅(qū)動模塊，空氣凈化模塊。1.2.1主控板 方案1：主控板采用ATMEGA的atmega8，ATmega8主要特性如下： 高性能、低功耗的 8 位AVR 微處理器 ，先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu) 130 條指令 ， 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，32個8 位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作于16 MHz時性能高達(dá)16MIPS ，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器，非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器，8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash 擦寫壽命: 10,000 次，具有獨立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)， 通過片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作

5、，512 字節(jié)的EEPROM 擦寫壽命: 100,000 次 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM。方案2：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高體積小，易于進(jìn)行擴展等優(yōu)點，但擦出次數(shù)少，一般用于大系統(tǒng)的控制電路中。方案3:與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、 1000次擦寫周期、 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 、 三級加密程序存儲器 、 32個可編程I/O口線 、三個16位定時器/計數(shù)器 八個中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標(biāo)識符。經(jīng)分析論證，

6、考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，可靠性，以及最重要的抗干擾能力等，最終決定采用方案1。2.2.2狀態(tài)顯示方案1 :用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。由于數(shù)碼管顯示速度快，編程簡單，顯示效果簡潔，但體積較大，顯示大量字符時不實用。方案2 用LCD液晶進(jìn)行顯示。其顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，編程較難。適用于顯示大量數(shù)據(jù)，同時支持顯示多鐘字符。方案3 采用led發(fā)光二極管。經(jīng)分析，因為受到機器外殼的形狀限制。顯示面板較小，因此采用led發(fā)光二極管，簡單明了的對功能狀態(tài)示意顯示。采用方案3。2.2.3交流電機調(diào)壓調(diào)速模塊風(fēng)機風(fēng)速的調(diào)節(jié)需通過改變電機電壓， 使用可控硅實現(xiàn)交流電壓調(diào)節(jié)。可控硅它是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個PN

7、結(jié)，對外有三個電極如圖2，第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號圖2可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷?，關(guān)鍵是多了一個控制極G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。 圖2 可控硅BTB12 可控硅的觸發(fā)電路主要有下面兩種形式：1、導(dǎo)通角觸發(fā)調(diào)壓的速度比較快，但是會對電網(wǎng)造成很大的諧波干擾；2、過零觸發(fā)幾乎沒有諧波干擾，但系統(tǒng)響應(yīng)時間至少半個交流周期。  經(jīng)分析：考慮因為使用單片機控制可控硅，系統(tǒng)相應(yīng)時間可在0.02m內(nèi)，故采用過零觸發(fā)，如圖3。 圖3過零觸發(fā)電路過零觸發(fā)電路圖3用

8、于檢測交流電的過零點。當(dāng)過零時，可控硅打開，同時電路給單片機觸發(fā)信號，單片機收到信號后，延時一段時間馬上關(guān)斷可控硅。通過改變延時的長短，改變通電時間，進(jìn)而改變電機電壓。2.2.4 紅外遙控模塊紅外遙控采用一體化紅外遙控接收頭如圖4，它將紅外接收管(光電二極管)、放大器、濾波器及解調(diào)器集成在個硅片上,不僅尺寸小、無需外部元件,并且具有抗光電干擾性能好(無需外加磁屏蔽及濾光片)、并有接收角度寬等特點。圖4一體化紅外遙控接收頭2.2.5步進(jìn)電機驅(qū)動模塊方案1 采用l298N，成本高，安裝不方便。方案2 采用ULN2003圖5步進(jìn)電機驅(qū)動模塊ULN2003及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖步進(jìn)電機采用ULN2003驅(qū)

9、動圖5。ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個硅NPN 達(dá)林頓管組成。該電路的特點如下：ULN2003 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行。經(jīng)分析論證，選用方案二。22.6空氣凈化裝置雙波長光氫等離子空氣凈化器工作原理：雙波長光氫等離子空氣凈化器如圖6，當(dāng)細(xì)小的顆粒物隨氣流通過高壓電離區(qū)（采用先進(jìn)技術(shù)，輸出8000V的直流高壓電，形成強電

10、場）時，被高壓電場帶上正電荷，帶正電荷的粒子通過帶負(fù)電荷的集塵板（輸出4000V的恒流電壓）時，被吸附在集塵板上，附在顆粒表面上的細(xì)、病毒、微生物處于正離子的包圍中，迅速獲得飽和電量而發(fā)生點解，在這個過程中，細(xì)菌的細(xì)胞壁會被正電子擊穿并破壞細(xì)胞電解質(zhì)、從而被殺死。而這一過程中殘余的細(xì)菌、病毒以及空氣當(dāng)中的可會發(fā)性有機污染物繼續(xù)被光氫等離子體所殺滅、降解、最終產(chǎn)物僅為無毒無害的H2O與CO2，如此循環(huán)往復(fù)，室內(nèi)的空氣得以凈化，從而提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。圖6 雙波長光氫等離子空氣凈化器3硬件電路設(shè)計3.1電氣原理圖電氣原理圖1主要包括主控芯片電路，電源電路，過零檢測電路，步進(jìn)電機驅(qū)動電路，接口插件等。

11、 圖7電氣原理圖1 電氣原理圖2主要包括：可控硅調(diào)壓電路，交流電機控制電路，凈化器控制電路，接口插件等，如下圖8：圖8電氣原理圖2電氣原理圖3如下圖9主要包括紅外接收電路、led顯示電路、接口插件等。圖9電氣原理圖33軟件設(shè)計控制程序使用C語言開發(fā)，編程軟件AVR-GCC，仿真軟件AVRstudio7.5。單片機的C語言編程開發(fā)，具有可移植性好，易懂易用的特點，適合較大程序的開發(fā)。 3.1程序流程圖開始紅外檢測開機鍵是否按擺風(fēng)葉鍵是否按擺風(fēng)風(fēng)速鍵是否按設(shè)定風(fēng)速定時鍵是否按設(shè)定工作時間結(jié)束否否否否是是是是是是是是 圖13程序流程圖3.2紅外遙控解碼程序while (INT); /等待低電平 do

12、 time = time_count_highlevel(); if (error != 0) goto ERROR_SET; while (time < 5000); for (i = 0;i < 5;i+) time = time_count_highlevel(); if (error != 0) goto ERROR_SET; if (time <1000) word_high = word_high << 1; word_high+; else word_high = word_high << 1; if (word_high = 0x1b)

13、 for (i = 0;i < 7;i+) time = time_count_highlevel(); if (error != 0) goto ERROR_SET; if (time < 1000) word_low = word_low << 1; word_low+; else word_low = word_low << 1; 3.3過零檢測調(diào)壓程序if(!(GIFR&(1<<INTF0)/外部中斷，過零檢測* GIFR|=_BV(INTF0); uu=1; if(uu=1)/調(diào)速子程序* t2+; t23+;if(t2=su)

14、 t2=0; PORTC|=_BV(PC0); if(t23=su+1)uu=0;t23=0;t2=0;if(n=0)su=43;PORTC&=_BV(PC3);PORTC|=_BV(PC4);else if(n=1)su=33;PORTC|=_BV(PC3);PORTC&=_BV(PC4);else if(n=2) su=13;PORTC&=_BV(PC3);PORTC&=_BV(PC4);else if(n>=3)n=0;PORTC&=_BV(PC0); 全部程序見附錄1：4整機調(diào)試4.1硬件電路的調(diào)試硬件電路最嚴(yán)重的就是干擾問題，光氫凈化器的

15、啟動裝置，在通電啟動時會產(chǎn)生瞬時高壓，同時產(chǎn)生電磁干擾，偶爾能夠迫使程序復(fù)位，為解決此問題，采取了很多辦法：在芯片的電源管腳添加濾波電容，修改了PCB布線，禁用單片機外部復(fù)位引腳等，這些改進(jìn)效果不明顯，沒有能夠徹底的解決問題，到最后發(fā)現(xiàn)，在光氫凈化器的電源線上加電磁環(huán)能有效的改善干擾現(xiàn)象，經(jīng)測試，在加有電磁環(huán)后，程序再沒有出現(xiàn)過復(fù)位現(xiàn)象。4.2程序調(diào)試程序設(shè)計也遇到了很多問題，紅外解碼時，無法正確譯碼，收到的紅外指令無法正常執(zhí)行，后來經(jīng)過多次的修改，在每次大循環(huán)后，通過增加延時解決了此問題。調(diào)壓程序部分，也遇到了很多問題，交流過零點檢測很容易的實現(xiàn)了，但使用可控硅調(diào)壓是時發(fā)現(xiàn)，交流電動機在低速

16、時有震動的現(xiàn)象，且震動的很厲害，后來發(fā)現(xiàn)，在中斷服務(wù)函數(shù)嵌套延時函數(shù)是很不對的，特別是延時時間較長時，后來把延時函數(shù)改寫為累計計數(shù)的方式實現(xiàn)，震動現(xiàn)象有很大的改善。經(jīng)過不斷的測試，改進(jìn)。最終能夠?qū)崿F(xiàn)所有要求功能，較穩(wěn)定的運行。5整機功能指標(biāo)5.1功能指標(biāo)“定時”功能：按遙控器上的“定時”鍵，可用于設(shè)定殺菌凈化器的關(guān)機時間，分別為1小時，2小時，3小時，無定時，如此反復(fù)，且機身相應(yīng)指示燈亮，凈化器定時關(guān)機后，按“開/關(guān)”可以再次啟動凈化器?！皰唢L(fēng)”功能：當(dāng)開機掃風(fēng)片下擺打開后，按一下遙控器上的“掃風(fēng)”鍵，掃風(fēng)片上下擺動，再次按時，掃風(fēng)片停止擺動?！帮L(fēng)速”功能：可用于設(shè)定凈化器風(fēng)機風(fēng)速，分別為低速

17、、中速、高速，按“風(fēng)速”鍵循環(huán)操作，機身相應(yīng)指示燈亮。開機默認(rèn)為低速?！伴_/關(guān)”功能：按一下遙控器上的“開/光”鍵，聽到“嘀”的一聲后，殺菌器啟動，掃風(fēng)片下擺打開，開機指示燈亮。停止使用時，再按一下“開/關(guān)”鍵，聽到“嘀”的一聲后，殺菌凈化器停止運行，掃風(fēng)片上擺關(guān)閉。510秒后指示燈滅，殺菌凈化器徹底關(guān)機。5.2樣機照片圖14樣機照片6結(jié)論 通過這次的創(chuàng)新，做好一件作品需要堅持，遇到困難是肯定的，出現(xiàn)問題也是無法避免的，只能通過不斷的嘗試，找到解決的辦法，當(dāng)以后再遇到時可以馬上解決，就不再是困難。軟硬件設(shè)計要相互的補充，只要硬件沒問題，程序肯定是可以寫出來的，但硬件的合理設(shè)計會讓程序設(shè)計更簡單更穩(wěn)定。軟件的的合理設(shè)計會簡化硬件電路，減少成本。參考文獻(xiàn)：1馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用原理M.1版.北京航空航天大學(xué)出版社.2006:200-260.2劉海成.avr單片機原理及測控工程應(yīng)用M.1版.北京航空航天大學(xué)出版社.2007:150-170.3 胡燁.protell 99se電路設(shè)計與仿真教程M. 2