空气净化器设计

空气净化器的设计与制作

指导老师张冠芬

摘要：采用双波长等离子空气净化技术，依靠AVR单片微控制器原理，以atmega8单片机为控制核心，检测交流过零点，控制可控硅实现调压调速；使用一体化红外接收头，进行遥控解码，实现红外遥控；驱动步进电机，实现摆风叶摆动，完成空气净化器设计制作，达到了净化空气、改善人们居住环境的目的。它主要使用于通风不足的室内环境与空气品质差的公共环境等。

关键词：AVR单片机；双波长等离子净化技术；可控硅调压；红外遥控解码

研究背景

在我们生活的大多数场所，为了节省能源，其建筑都是密封的。即使在安装空

调系统的前提下，通常新风量约占空调总风量的15％左右，其余的85％都是室内的

回风，因此室内的大部分空气都在往返循环使用，所以室内常积有许多诸如病毒、

霉毒、细菌、真菌、烟尘、异味、化学物以及转潢后的甲醛、笨、氨等污染，使室

内空气质量更加恶化，污染更加严重。在卫生部组织开展的全国公共场所中央空调

通风系统卫生状况监督检查结果也表明，合格率仅为6.2％。人们在这样的环境下生

活工作，严重危害健康和生命。双波长光氢等离子净化技术，就能在不改变现有通

风和人员照常工作的动态状况下，迅速杀菌，消毒，同时提高环境空气的含氧量。

1设计原理

采用双波长等离子空气净化技术，依靠AVR单片微控制器原理，以atmega8单片机为控制

核心，检测交流过零点，控制可控硅实现调压调速；使用一体化红外接收头，进行遥控解码，

实现红外遥控；驱动步进电机，实现摆风叶摆动，完成空气净化器设计制作，达到了净化空气、

改善人们居住环境的目的。它主要使用于通风不足的室内环境与空气品质差的公共环境等。

2系统设计

2.1设计总要求：

该净化器主要实现功能有：该净化器实现杀菌净化功能，用户使用遥控器进行

操作。可设定净化器工作时间，定时1、2、3个小时，循环选择。可调整风机风速，

分为高风速，中速，低速，循环选择。可自动改变风向，具有摆风功能，结构图如

下图1：

图1系统结构图

2.2模块设计方案比较论证

根据净化器设计要求，系统模块主要分为：主控电路模块，状态显示模块，交

流电机调压调速模块，红外遥控模块，步进电机驱动模块，空气净化模块。

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 微处理器，先进的RISC 结构 130 条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期，32个8 位通用工作寄存器，全静态工作，工作于16 MHz时性能高达16MIPS ，只需两个时钟周期的硬件乘法器，非易失性程序和数据存储器，8K 字节的系统内可编程Flash 擦写寿命: 10,000 次，具有独立锁定位的可选Boot 代码区，通过片上Boot 程序实现系统内编程，真正的同时读写操作，512 字节的EEPROM 擦写寿命: 100,000 次 1K字节的片内SRAM。

方案2：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高体积小，易于进行扩展等优点，但擦出次数少，一般用于大系统的控制电路中。

方案3:与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz 、三级加密程序存储器、 32个可编程I/O 口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

经分析论证，考虑系统稳定性，可靠性，以及最重要的抗干扰能力等，最终决定采用方案1。

2.2.2状态显示

方案1 :用数码管进行显示。由于数码管显示速度快，编程简单，显示效果简洁，但体积较大，显示大量字符时不实用。

方案2用LCD液晶进行显示。其显示内容丰富、清晰，显示信息量大，编程较难。适用于显示大量数据，同时支持显示多钟字符。

方案3采用led发光二极管。

经分析，因为受到机器外壳的形状限制。显示面板较小，因此采用led发光二极管，简单明了的对功能状态示意显示。采用方案3。

2.2.3交流电机调压调速模块

风机风速的调节需通过改变电机电压，使用可控硅实现交流电压调节。

可控硅它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极如图2，第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N 型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号图2可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。

图2 可控硅BTB12

可控硅的触发电路主要有下面两种形式：

1、导通角触发调压的速度比较快，但是会对电网造成很大的谐波干扰；

2、过零触

发几乎没有谐波干扰，但系统响应时间至少半个交流周期。

经分析：考虑因为使用单片机控制可控硅，系统相应时间可在0.02m内，故采用

过零触发，如图3。

图3过零触发电路

过零触发电路图3用于检测交流电的过零点。当过零时，可控硅打开，同时电路给单片机触发信号，单片机收到信号后，延时一段时间马上关断可控硅。通过改变延时的长短，改变通电时间，进而改变电机电压。

2.2.4 红外遥控模块

红外遥控采用一体化红外遥控接收头如图4，它将红外接收管(光电二极管)、放大器、滤波器及解调器集成在个硅片上,不仅尺寸小、无需外部元件,并且具有抗光电干扰性能好(无需外加磁屏蔽及滤光片)、并有接收角度宽等特点。

图4一体化红外遥控接收头

2.2.5步进电机驱动模块

方案1 采用l298N，成本高，安装不方便。

方案2 采用ULN2003

图5步进电机驱动模块ULN2003及其内部结构方框图

步进电机采用ULN2003驱动图5。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7 K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。