关于空气净化器的论文

摘要
室内空气中的微粒、细菌、病毒和其他有害物质日积月累地损害着人们的身体健康，特别对于那些长期处于室内环境的人。

随着生活水平的提高，人们对自己日常生活和工作的室内空气环境质量的要求和期望也在不断提高，室内空气净化技术成为了环境领域的一个新的课题。

尤其是在室内空气净化器诞生以后，各种不同类型的空气净化器如雨后春笋般涌现入市场，本论文则是在此背景下研究并设计出一种新型的、利用紫外线杀毒的空气净化器电路控制系统。

本论文研究的紫外线空气净化器的控制系统，是基于AVR单片机进行设计、开发与实现的。

首先，完成系统功能需求分析，选择合适的ATmegal28单片机，设计出课题研究的空气净化器控制系统的总体结构与工作原理框架；其次，利用TGS800气体传感器与LHi878热释电红外传感器分别检测室内空气质量和移动人体红外信号，并将采集信号输出给单片机端口，单片机根据检测到得各个模块的硬件电路设计，从硬件模块的总体结构出发，分别设计了电源控制、电机控制、紫外灯管控制、液晶显示器控制、红外遥控以及功能按键控制等模块的电路原理与实现，并在此基础上介绍了单片机控制系统的主要功能程序设计，完成了控制系统的试运行与调试。

本文研究的这款空气净化器是典型的利用紫外线对空气进行杀菌与消毒的产品，其两个传感器数据采集模块的集成是项目设计的重要创新点之一，他们集成使得本空气净化器具有自动采集与自动调整工作状态的功能，实现了产品的智能化、节能性与环保的特点。

该空气净化器电路控制系统的成功研制，必将为室内空气污染控制与空气净化技术作出巨大的贡献。

关键词：空气净化器；A VR单片机；控制系统；紫外线；传感器
Abstract
Indoor air particles, bacteria, viruses and other harmful substances have damaged to people’s health, especially for those people in the indoor environment in a long time.With the improvement of living standards, people’s air environmental quality requirements and expectations of their daily lives and work own indoor have also increased misconduct. Indoor air purification technology has become a new field of environmental protection issues Especially after the birth of indoor air,so many different types of air purifier have sprung up into the marke.In this paper, a new circuit system of air purifier with ultraviolet disinfection has been developd in this context.
In this paper, the control system of ultraviolet air-purifier has been designed and developed based on AVR microcontroller. Firstly the requirements analysis of system functional has been completed. ATmegal28 microcontroller has been choosed to design the air purifier control system structure and working principle of the overall framework of this research project.Secondly, TGS 800 gas sensor And LHi878 pyroelectric infrared sensor have been used to detect indoor air quality and mobility of human IR signal.Hardware circuit design of each module of this circuit control system has been described priority in this paper.The overall structure of the hardware modules has been designed firstly, and then the circuit theory and implementation of the modules has been designed firstly, infrared remote control and function keys control have been designed. On this basis, the main function of microcomuter control system programming has been discribed, and the trial operation control system and debugging has been completed.
This type air-purifier which has been researched in this paper, is a typical indoor air- purifier for the ues of ultraviolet sterilization and disinfection product. The successful development of this air-purifier’s circuit control system, will make a significant contribution for door air pollution control and air purification technology inevitable.
Keywords: air-purifier; A VR microcontroller; control system; sensor
目录
第1章绪论 (1)
1.1 课题研究的背景 (1)
1.1.1 室内空气污染的现状 (1)
1.1.2 室内空气净化器的发展现状 (1)
1.2 研究内容 (3)
第2章空气净化器控制系统的总体设计 (5)
2.1 AVR单片机简介 (5)
2.2 ATmega128单片机 (6)
2.2.1 ATmega128的引脚配置 (6)
2.2.2 ATmega128主要特性 (7)
2.3 空气净化器控制系统总体设计 (7)
2.3.1 空气净化器功能概述 (8)
2.3.2 控制系统需求分析 (9)
2.3.3 系统总体结构设计 (10)
2.3.4 系统工作原理设计 (11)
第3章传感器数据采集模块设计与实现 (13)
3.1 数据采集系统 (13)
3.1.1 数据采集系统的类型 (13)
3.1.2 数据采集系统的结构配置 (13)
3.2 气体传感器数据采集模块设计 (14)
3.2.1 费加罗TGS气体传感器 (14)
3.2.2 TGS800传感器数据采集实现 (16)
3.3 红外传感器数据采集模块设计 (21)
3.3.1 红外传感器概述 (21)
3.3.2 热释电型红外传感器 (22)
第4章控制系统的硬件设计与实现 (24)
4.1 初控制系统硬件模块总体结构 (24)
4.2 选电源控制模块设计 (25)
4.2.1 电源模块结构 (25)
4.2.2 电源电路设计 (25)
4.3 电机控制模块设计 (27)
4.3.1 单相异步电动机 (27)
4.3.2 电容式启动设计 (27)
4.3.3 电机控制电路设计 (28)
4.4 灯管控制模块的设计 (29)
4.4.1 灯管驱动控制电路 (29)
4.4.2 灯管信号反馈电路 (30)
4.5 液晶显示器模块设计 (31)
4.5.1 12864显示器基本结构 (31)
4.5.2 12864显示器控制电路 (32)
4.6 红外遥控模块设计 (33)
4.6.1 红外发射模块 (33)
4.6.2 红外接收模块 (33)
4.7 按键模块的设计 (34)
4.7.1 复位按键电路 (34)
4.7.2 功能按键电路 (35)
第5章控制系统的软件设计与实现 (36)
5.1 控制系统程序总体结构 (36)
5.1.1 系统程序总体结构 (36)
5.1.2 系统程序主流程 (36)
5.2 系统初始化程序设计 (37)
5.3 显示器控制程序设计 (38)
5.3.1 基本操作指令与坐标 (38)
5.3.2 显示程序流程 (39)
5.3.3 显示程序实现 (40)
5.4 电机驱动与控制程序设计 (41)
5.5 灯管驱动与控制程序设计 (42)
5.6 红外遥控程序设计 (42)
5.7 功能按键控制程序设计 (43)
第6章结论 (44)
参考文献 (45)
致谢 (46)
附录 (47)
第1章绪论
1.1课题研究的背景
1.1.1室内空气污染的现状
随着生活水平的迅速提高，人们对自己日常生活和工作的室内空气环境质量的要求和期望也不断提高。

同时，建筑节能的要求却在现代科技的支持下，使室内建筑的密闭性越来越好，室内空气与室外空气的交换越来越少，极易导致室内污染物的积累，引发室内空气污染。

当前，室内空气污染被认为是继“煤烟型”、“光化学烟雾型”污染后的第三大类污染。

室内空气污染可以定义为：由于室内引入能释放有害物质的污染源或室内通风不佳而导致室内空气中有害物质，无论是数量上还是种类上不断增加，并引起人的一系列不适症状的现象。

通常所说的空气污染是指室内外的空气受到污染，我国的空气污染治理始于20世纪70年代，主要围绕工业污染源进行治理。

随着国家对环保投入的加大，国民环保意识的提高，特别是全国主要城市空气污染日报及预报的发布使各界、各阶层人士对环境的重视、尤其是人们自身生活范围环境的重视达到了前所未有的程度。

实际研究表明，室内环境污染往往比室外污染的危害更为严重，空气中的微粒、细菌、病毒和其他有害物质日积月累地损害着人们的身体健康，特别是长期处于封闭室内环境的人尤其如此。

统计发现，我国20世纪80年代以前，室内污染物主要是燃烧煤所产生的二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物。

90年代初期，由于室内吸烟、燃煤、烹调以及人体呼出的二氧化碳等149种有害物质对室内的污染，引发了室内空气换气剂的销售热潮。

到90年代末，随着住宅的改革和国民生活水平的提高，特别是建材业的高速发展和装修热的兴起，由装饰材料造成的污染成了室内污染的主要来源，尤其的空调的普遍使用，要求建筑结构有良好的密闭性能，以达到节能的目的，而现行设计的空调系统多数新风量不足，在这种情况下造成了室内空气质量的进一步恶化。

室内空气污染的现状在时刻提醒我们，对于室内空气地解决室内空气质量问题已逐渐被人们所关注，也是环保科技中一项重要的研究课题。

1.1.2室内空气净化器的发展现状
室内净化技术是近二十年来随着现代科学技术，现代工业的发展而逐步形成
的一门综合性新技术。

目前，改善室内空气质量的现行方法分为三种：源控制、通风和空气净化。

源控制是改善空气质量最明显的方式，这在室外环境中使用得非常成功，也是发达国家很多城市室外空气质量明显改善的主要原因；通风可减少室内污染物的浓度，这种方式使各种污染物的减少程度并无差别，但通风空调装置与系统功能的改进和提高则是这项工程中必不可少的部分；空气净化作为一种治理手段与通风相似，都是早空气被污染后去减少的污染物，空气净化器作为一种治理手段与通风相似，都是在空气被污染后去减少污染物，空气净化系统是用来控制粒状物、气体污染物，对大的固定污染物，净化除尘系统具有着不可比拟的有效性和可靠性，空气净化的方式有很多种，主要分为杀菌和消毒，杀菌方法包括了：高温干燥杀菌、高压蒸汽杀菌、气体杀菌、过滤杀菌、放射线杀菌等，消毒方法则包括了：煮沸和常压蒸汽消毒、低温消毒法、紫外线照射法与药剂消毒法，众多方法各有所长。

室内空气净化器是实现空气净化的最直接、便捷的仪器，随着室内空气污染性质的不断变化与污染程度地加大，室内空气净化器技术也得到了快速地发展。

目前空气净化器产品有以下几种：机械过滤式、机械过滤吸附式净化器、静电式净化器，是一种小型空气过滤器，空气经风机加压，通过过滤材料，从而净化颗粒污染物，只能除去一定大小的颗粒污染物，总体净化效果不佳。

机械过滤吸附式净化器，分别采用不同的净化机理取出颗粒污染物和气态污染物，这种净化器将普通空气过滤技术与活性炭吸附技术结合起来，总体上改善了净化性能，但活性炭存在吸附饱和状态，比较麻烦，因而没有得到广泛应用。

在欧美、日韩等国，利用了紫外线的原理的家用电器已经非常普及。

在国内一直长期应用于医疗卫生等领域。

例如近几年的SARS（非典），禽流感，手足口病等规模型的传染病，一直作为医疗机构重要的预防消毒手段。

室内紫外光空气净化器在安全、环保、效果方面获得重大突破，专为居家使用量身定做，更符合家庭消毒标准。

本课题的研究，正是采用工业设计理论中A VR单片机的智能控制方式，并结合传感器的数据采集功能，设计出能够实现紫外光线菌与室内通风功能的新型空气净化器，对室内空气净化技术的研究具有重要的促进意义。

紫外光空气净化器内置过滤网紫外光杀菌层状态显示模块状态控制按键传感器数据采集微风扇引风洁净空气
室内空气1.2 研究内容
根据《空气净化器设备控制板软硬件的设计与研制》项目的需求分析，本课题研究的主要内容为紫外线空气净化器控制系统的硬件设计与实现。

(1)主要实现功能
课题所研究的空气净化器的功能实现过程如图1-1所示。

室内空气经过微风扇引风进入空气净化系统中，由传感器进行空气质量数据采集，并结合按键控制模块调节净化工作状态，通过液晶显示器显示其状态信息，随后空气经过内置过滤网，在自动/手动设定的工作状态下，使用紫外线进行杀菌，得到新鲜空气。

图1-1 空气净化器功能实现过程图
可以看出，控制系统需要实现的净化器主要功能包括：
1．净化器分为四种工作模式：自动模式，高速模式，省电模式，睡眠模式；
2．工作的室内空间可分为：X-Large ，Large ，Medium ，Small 与X.Small ；
3．当前空气质量状态：Good-Poor ，共分为5个档位显示空气质量好坏；
4．灯管与过滤网状态显示服务：灯管Lamp 与过滤网Filter 的当前状态分为Service On ，Service Soon 与On 三种状态；
5．仪器工作定时设置：分为1-6小时的6个档位的定时设置。

(2)主要设计模块
具体设计的内容包括：紫外光空气净化器控制系统的总体结构设计，将系统分为了电源控制模块、传感器数据采集模块、电机控制模块、紫外灯管控制模块、液晶显示器模块与其它辅助电路模块。

1．系统电源模块：空气净化器输入的110V 的交流电经过变压器输出12V ，再经桥式整流、虑波后得到9V 直流电，给LHi878红外传感器电路供电，而同时由三
端稳压芯片L7805降压到5V给单片机、TGS传感器及其它器件供电；
2．传感器数据采集模块：费加罗TGS 800气体传感器工作原理、结构与特性分析，并选择场效应管导通控制的加热方式，设计出TGS传感器的数据采集电路，并使用ATMEGA 128单片机对其输出信号进行程序处理，转换到调整电机工作状态的输出信号；海曼LHi 878加热型红外传感器的结构分析以及菲涅耳透镜的使用方法，设计出LHi 878红外传感器的数据采集电路，包括对于采集信号的放大、滤波的处理，同样通过ATMEGA 128单片机接口处理传感器的最终输出信号，完成控制程序的编写；
3．电机控制模块：本项目研究中，根据风扇的特点与工作需求采用了交流单相异步电机，其控制模块的设计是围绕电机特性，采用ATmegal28单片机通过可控硅驱动光耦MOC3023驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机程序将根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；
4．紫外光灯管的控制：主要是通过ATMEGA 128单片机通过可控硅驱动光耦MOC3023，驱动Philips紫光灯管，并通过PS2707三极管型交流输入输出光电耦合器反馈灯管的工作状态信号，判断出灯管是否正常工作，课题要求完成其电路设计与程序的编写；
5．液晶显示器模块：主要是采用了SMGl2864液晶显示器来显示空气净化器工作时的信息，包括了工作模式、房间大小、定时设置、灯管状态、过滤网状态以及空气质量指标等信息，课题中要求设计出显示器的工作电路，并完成显示器程序的编写与调试；
第2章空气净化器控制系统的总体设计
单片机(又称微处理器)是在一片硅片上集成了中央处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM或Flash)、定时器/计数器以及多种I/O接口的单芯片微型计算机。

A VR单片机是Atmel公司于1997年推出的一款基于RISC指令架构的高性能、低功耗的8位单片机。

本课题设计中的A VR单片机采用的是基于A VR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器ATmegal28，本章的研究将完成基于A VR 单片机的空气净化器控制系统总体分析与设计。

2.1AVR单片机简介
A VR单片机是一款基于RISC指令架构的8位单片机RISC(ReducedInstructuin Set Computer，精简指令集计算机)是20世纪90年代开发出来的，综合了半导体集成技术和软件性能的新结构。

A VR单片机采用RISC结构，具有1MIPS/MHz的高速运行处理能力。

A VR单片机运用Harvard结构，在前一条指令执行的时候就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。

在其他的RISC以及类似RISC结构的单片机中，外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达12倍。

A VR 单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，它是8位单片机中第一个真正的RISC 结构的单片机。

由于A VR单片机采用了Harvard结构，所以它的程序存储器和数据存储器是分开组织和寻址的，寻址空间分别为可直接访问8MB的程序存储器和8MB的数据存储器。

同时，由32个通用工作寄存器所构成的寄存器组被双向映射，因此，可以采用读写寄存器和读写片内快速SRAM存储器两种方式来访问32个通用工作寄存器。

同时，A VR单片机采用低功率非挥发的CMOS工艺制造，内部分别集成Flash、E2PROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器，除了可以通过SPI口和一般的编程器对A VR单片机的Flash程序存储器和E2PROM数据存储器进行编程外，绝大多数的A VR单片机还具有线编程(ISP)的特点，为学习和使用A VR单片机带来了极大的方便。

A VR单片机的内部结构如图2-1所示：
4k*16程序存储器程序计数器程序计数器4k*16程序存储器512*8数据SRAM 指令寄存器指令译码器控制线8位数据总线控制寄存器中断单元SP1单元串行8位定时器/计数器16位定时器计数器程序计数器程序计数器512*8 EPROM 图2-1单片机的内部结构图
2.2 ATmega128单片机 2.2.1 ATmega128的引脚配置 ATmegal28单片机的引脚配置如图2-2所示： 图2-2 ATmegal28单片机引脚配置
2.2.2ATmega128主要特性
A VR ATmegal28内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。

所有的寄存器都直接与运算逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。

ATmegal28的主要特性如下：
(1) 高性能、低功耗的A VR的8位微处理器
(2) 先进的RISC结构
133条指令一一大多数可以在一个时钟周期内完成
32X8通用工作寄存器+外设控制寄存器
工作于16 MHz时性能高达16MIPS
(3)非易失性的程序和数据存储器
128K字节的系统内可编程Flash，寿命：10000次写/擦除周期
具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内编程，真正的读一修改一写操作
4K字节的EEPROM，寿命：100000次写/擦除周期
(4)JTAG接口(与IEEE 1149．1标准兼容)
遵循JTAG标准的边界扫描功能
支持扩展的片内调试
通过JTAG接口实现对Flash，EEPROM，熔丝位和锁定位的编程
(5)外设特点
两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
两路8位PWM
8路lO位ADC
(6)特殊的处理器特点
上电复位以及可编程的掉电检测
片内经过标定的RC振荡器
6种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby模式
2.3空气净化器控制系统总体设计
课题研究的控制系统是控制工作在单相额定电压110V家用和类似用途的空
气净化器，净化器主要功能是对室内空气中的固态、气态污染物进行通风、过滤和消毒，通过紫外光灯管发射的紫外线进行杀菌，下面将对空气净化器的功能进行概述，并对整个控制系统进行总体设计。

2.3.1 空气净化器功能概述
空气污染物是指由于人类活动或自然过程排入空气的并对人类或环境产生有害影响的那些物质。

一般分为固态污染物和气态污染物两大类，固态污染物常见的有粉尘、烟雾等(通常称为颗粒物)；气态污染物常见的有装修污染产生的甲醛、苯、氨、挥发性有机物等。

紫外光空气净化器，其主要的消毒灭菌方式是利用了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。

与此同时，紫外光空气净化器必须完成空气过滤、通风以及自动采集空气质量、室内人体红外指标的功能。

结合课题《空气净化器设备控制板软硬件的设计与研制》的需求，本项目需要设计的紫外光空气净化器具有自身独特的空气净化技术与控制系统，其主要功能结结构如图2-3所示：
图2-3 空气净化器功能结构图
从图中可以看出系统的主要执行功能如下：
(1)控制面板上电源开关POWER(ON/OFF)按键，可以打开和关闭空气净化器，包括打开/关闭紫外线灯管、电机与液晶显示器；
(2)控制面板上的房间大小(Room Size)按键，可手动选择空气净化器工作的环境，将房间大小分为：特小(X.Small)、小(Small)、中等(Medium)、大(Large)、特大(rge)五个等级；
(3)控制面板上的工作模式(Mode)按键，可以手动选择仪器的工作模式，将模式分为：自动模式、超级模式、省电模式与睡眠模式四种；
电源开关控制房间大小调节工作模式选择定时设置
红外遥控设置
计数器复位
紫外光空气净化器
打开/开关系统可调节五个等级可调节四种模式30分钟区间设置遥控调节功能过滤网复位
紫光灯复位
(4)控制面板上的定时(TimeSet)按键，可以设置空气净化器的工作时间，定时设置从30分钟--60分钟--360分钟，以30分钟为一区间进行设置；
(5)面板上紫外线灯管(LAMP)和过滤网(FILTER)状态按键，是在计时器信息显示它们使用寿命已至，并将其更换后，将计时器进行复位的操作功能；
(6)红外遥控装置，通过遥控器可以控制净化器的工作状态，对净化器工作模式进行调节，用红外遥控代替按键操作；
(7)电机(Motor)工作状态随着传感器检测信号与按键控制信号的变化而改变，在不同的状态下，电机转速不同。

例如：在超级模式下，电机转速较快；而在省电模式下，电机转速较为缓慢。

2.3.2 控制系统需求分析
空气净化器(Air Cleaner)定义为：对室内空气中的固态污染物、气态污染物等具有一定去除能力的电器装置。

根据项目的实际需求，紫外光空气净化器是利用了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。

根据以上设计的紫外线空气净化器的功能概述，设计控制系统的需求模块如下图2-4所示：
图2-4 空气净化器控制系统功能需求模块图
由上图可将空气净化器控制系统分为以下主要模块进行详细的设计：
(1)传感器数据采集模块：
该模块是利用传感器对外部信号进行采集与处理功能的实现，分为运动传感
紫外光空气净化器
紫外光灯管控制模块
显示器控制模块
按键控制模块红外遥控模块
其他辅助电路模块
交流电机控制模块
传感器数据采集模块
电源电路模块
器与化学传感器两个分支。

运动传感器为LHi878热释红外传感器，用于检测移动的人体红外信号源，当人体对空气净化器发射的红外信号变强的时候，电机转速加快，加强空气净化幅度；化学传感器为TGS气体传感器，用于检测甲烷和丙烷等可燃性气体、一氧化碳、硫化氢等有毒气体，以及酒精等各种气体浓度，当室内的气体浓度发生变化的时候，TGS传感器输出不同的电压增量，由A VR单片机进行信号处理，并对应状态调整电机的转速；
(2)电源电路模块：
该部分是整个控制系统的供电核心，空气净化器的电源经外部变压器输入了110V的交流电压，电源电路首先将电压进行降压，转换为12V电源，然后经过桥式整流与直流变换得到12V的直流电源，随后使用LM7805得到5V直流电压，经LM7809得到9V直流电压，并直流滤波后将9V为LHi878传感器模块供电，为其它模块提供5V工作电压；
(3)电机控制模块：
项目中采用的电机为电容式启动的单相异步交流电机，电机工作在110V交流电源下，并由单片机提供驱动信号，由ATMEGA 128单片机通过可控硅驱动光耦MOC3023驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机程序将根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；
(4)显示器控制模块：
采用了SMGl2864液晶显示器，型号为SMG 12864G2-ZK,这是128X64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形。

液晶显示器的主要功能负显示空气净化器的工作信息，包括了工作模式、房间大小、紫外灯管与过滤网工作状态、空气质量、定时设置等信息，通过ATmegal28单片机的控制,实现数据的I/O交换。

(5)红外遥控模块：
红外遥控模块一般分为两个部分，红外发射器与接收电路，由于项目中委托企业已经设计出了红外发射器部分，并提供了每个按钮发射的红外波形与时序，在本文中只需设计出红外接收电路，与红外遥控程序即可。

2.3.3系统总体结构设计
根据空气净化器的功能需求，控制系统的核心控制芯片采用了A VR单片机系列的ATmegal28高档单片机。

ATmegal28为基于A VR RISC结构的8位低功耗CMOS 微处理器，由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

控制系统的总体结构如下图2-5所示，在设计中将空气净化器的电路控制系统分为了传感器。