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基于单片机的智能空气净化器的设计毕设论文
毕 业 设 计专业：班级学号： 学生姓名： 指导教师：二一 年月基于单片机的智能空气净化器的设计Design Of Intelligent Air Cleaner Based On MCU专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学 院：年月摘要随着生活的日益发展，人们的生活水平日渐提高，同时也伴随着很多问题的 产生，由于人们对工业发展所造成的负面影响预料不够，预防不及时，造成了现 在我们存在三大危机：资源短缺、环境污染、生态破坏。环境污染，如今重要的 有大气污染，土壤污染以及水体污染，每一个都与我们的生活息息相关，严重影 响着我们的生活质量，严重影响着我国可持续发展的政策，所以我国也非常重视 对环境的改造与还原，让我们重回一个没有污染的绿色环境，但这是一个长久的 事情，俗话说冰冻三尺非一日之寒，环境的优化非一朝一夕可以完成的。为了让 我们生活质量的提高，同时也免除我们因为环境污染受到伤害。 如今，本设计针对空气质量 PM2.5 设计了基于单片机的空气净化器，其中有 空气自动检测装置，当检测到空气污染达到一定程度时，本设计会自动开启风扇 排除污染空气，同时启动空气负离子发生器，净化空气。该系统操作简单适用于 小空间内的空气质量检测净化，让我们可以在一个良好的环境中工作，学习，休 息，娱乐。 关键词：环境污染;单片机;空气净化器;负离子发生器ABSTRACTWith the increasing development of life, people's rising living standards, but also with a lot of problems, because people are not expected negative impact on the industry is highly developed, to prevent negative, resulting in a pure in the three crises: shortage of resources, environmental pollution and ecological destruction we now. Environmental pollution, now important is air pollution, water and soil pollution, every are closely linked with our life, a serious impact on the quality of our lives, a serious impact on the sustainable development of our country's policy, so our country also attaches great importance to the environment change and reduction, let us return to a no pollution of the green environment, but this is a matter for a long time. As the saying goes, Rome was not built in a day, to optimize the environment of non can be done overnight. In order to improve the quality of our lives, but also avoid we because the environment pollution is hurt,. Now, I in indoor air quality of PM2.5 design based on MCU air purifier, including air automatic detection device, when the detected air pollution to a certain extent, the device will automatically start the exhaust fan to exclude air pollution, and start air negative ion generator and air purification. The system is simple and suitable for air quality detection and purification in small space, so that we can work in a good environment, learning, rest, entertainment. Key Words：Environmental pollution；Single chip microcomputer；Air cleaner； Negative ion generator目录1 引言 ............................................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景 ..................................................................................................... 1 1.1.1 大气污染现状 ............................................ 1 1.1.2 空气净化器发展史 ....................................... 2 1.2 课题研究意义 ..................................................................................................... 2 1.3 课题主要任务 .................................................................................................... 3 2 系统方案 ....................................................................................................................... 4 2.1 系统结构 ............................................................................................................. 4 2.2 装置结构组成 ..................................................................................................... 5 2.2.1 环境空气质量检测部分 .................................... 5 2.2.2 负离子空气净化器设备驱动部分 ............................ 5 2.3 声光报警系统电路的驱动部分 .................................... 6 2.4 系统功能设计 .................................................. 7 3 系统硬件设计 ............................................................................................................... 8 3.1 控制系统设计 .................................................. 8 3.1.1 STC12C5A60S2 单片机简介 ................................. 8 3.1.2 STC12C5A60S2 单片机的内部结构 ........................... 8 3.2 QS-01 空气质量传感器 ......................................... 10 3.2.1 QS-01 空气质量传感器简介 ............................... 10 3.2.2 QS-01 的结构 ........................................... 10 3.3 红外线控制 .................................................. 11 3.3.1 红外线装置简介 ......................................... 11 3.3.2 红外线遥控装置编码 ..................................... 12 3.4 液晶屏显示器 ................................................. 13 3.4.1 液晶显示器简介 ......................................... 13 3.4.2 液晶显示原理及分类 ..................................... 13 3.5 负离子空气净化器 ............................................. 15 3.5.1 负离子空气净化器的简介 ................................. 15 3.5.2 负离子发生器结构 ....................................... 16 4 软件设计 .................................................................................................................... 16 4.1 主程序设计 ................................................... 17I4.2 红外遥控设计 ................................................. 18 4.3 液晶屏显示设计 ............................................................................................... 18 4.4 QS-01 传感器工作设计 ......................................... 19 5 系统的调试及实验结果 ............................................................................................ 21 结论 ................................................................................................................................ 22 附 录 .............................................................................................................................. 23 参考文献 ........................................................................................................................ 36 致 谢 ........................................................................................................................ 37II天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计1 引言1.1 课题研究背景1.1.1 大气污染现状 随着生活的日益发展，人们的生活水平日渐提高，同时也伴随着很多问题的产 生，由于人们对工业发展做造成的负面影响预料不够，预防不及时，造成了现在我 们所要面临的三大危机：资源短缺、环境污染、生态破坏。环境污染，如今重要的 有大气污染，土壤污染以及水体污染，每一个都与我们的生活息息相关，严重影响 着我们的生活质量，严重影响着我国可持续发展的政策，所以我国也非常重视对环 境的改造与还原，让我们重回一个没有污染的绿色环境，但这是一个长久的事情， 俗话说冰冻三尺非一日之寒，环境的优化非一朝一夕可以完成的。生活中可以时时 看到的污染就是大气污染，PM2.5 一直危害着我们的健康。PM2.5 即细颗粒物，细 颗粒物指环境空气中直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。它能在空气中悬浮较长时 间，其在空气中含量浓度越高，则空气污染越严重。虽然 PM2.5 只是地球大气成分 中含量很少的一部分，但它对空气质量和能见度等的影响不可忽视。与其他的大气 颗粒物相比，PM2.5 有如下特点：粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物 质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远。根据这些 特点看，PM2.5 对人体健康和大气环境质量的影响更大。 如今我们的生活节奏变快，网络时代的来临让我们的生活更加方便，足不出户 便可知天下事，不出一门，天下事物皆可送来。这样的生活节奏，让我们在非常长 的时间处于一个半封闭的空间内。虽然这样的生活非常方便，但是在如今的空气污 染下，虽然我们不出去，但是颗粒污染依然无声无息的发生在我们的身边，无论是 开门关门的瞬间，或是外出回来，或是朋友走访，都会在不知不觉间将污染颗粒带 到我们生活的空间，毕竟我们处于一个大的空间之中，地球！所以不可避免的会受 到伤害。 如今大气污染如此严重，我们要预防其的危害，预防的办法除了减少工业污 染，我们在家的时候也是可以做到的，有三种方法可以明显的预防 PM2.5： 1、过滤法 包括空调、加湿器、空气清新器等，优点是明显降低 PM2.5 的浓度，缺点是滤 膜需要清洗或更换。1天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计2、水吸附法 超声雾化器、室内水帘、水池、鱼缸等，能够吸收空气中的亲水性 PM2.5，缺 点是增加湿度，憎水性 PM2.5 不能有效去除。 3、植物吸收法 植物叶片具有较大的表面积，能够吸收有害气体和吸附 PM2.5，优点是能产生 有利气体，缺点是吸收效率低，有些植物会产生有害气体。 1.1.2 空气净化器发展史 空气净化器起源于消防用途，1823 年，约翰和查尔斯?迪恩发明了一种新型烟 雾防护装置，为的是保护消防员进行消防工作时免受烟雾的侵袭。 1854 年，一个名叫约翰斯?滕豪斯的人在前辈发明的基础上又取得新进展：通 过数次尝试，他了解到向空气过滤器中加入木炭可从空气中过滤出有害和有毒气 体。 第二次世界大战期间，美国政府对放射性物质开始进行研究，他们需要研制出 能够过滤出所有有害颗粒的方法，以保证室内的空气质量与安全，使科学家可以呼 吸，于是 HEPA 过滤器应运而生。在 20 世纪 50、60 年代，HEPA 过滤器一度非常流 行，很受防空洞设计和建设人员欢迎。 进入 20 世纪 80 年代，空气净化的重点已经向各种空气净化的多样性转变，如家 庭空气净化器。过去的过滤器显得非常单一，只能在去除空气中的恶臭和有毒气体 方面有良好的功能，但对于霉菌孢子、病毒或细菌则明显乏力，而新的家庭和写字 间用空气净化器，不仅能清洁空气中的有毒气体，还能净化空气，去除空气中的细 菌、病毒、灰尘、花粉、霉菌孢子等。 现在，空气净化器针对不同的效果与环境有了不同的的设计制作方式，并且每 一次技术的变革都为人们室内空气品质的改善带来显著效果。而这一切目的只有一 个：希望能净化室内空气来提高人们的生活质量。1.2 课题研究意义本次开发的空气净化器主要是：针对室内空气环境污染问题严重，通过空气质 量传感器检测室内空气环境质量，采用了单片机为微处理器，对采集模块输入的信 号进行有效的分析处理，从而达到净化室内空气，保持室内空气质量，为室内提供 一个空气洁净的环境的目的。 室内气净化器使用方便、不受时间、空间的过多限制，可随时净化室内空气、 清除有害气体，具有较强的杀菌、净化空气、除异味等功能，对于长时间在室内的 人们来说，本空气净化器显得尤为重要，它能使室内环境空气比外面更加清新和洁2天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计净，有益于人们精神集中、心情舒畅，更有益于健康。1.3 课题主要任务根据以上所述，以单片机为控制核心，接收到传感器的信号为开关，启动空气 净化装置。空气净化装置可以进行灵敏度的调节，设置不同的质量预警值，当达到 预警值时自动开启工作模式，也可以在特定情况下，手动开启净化装置，进行空间 内的空气净化。 主要研究工作有： 1、以单片机为核心，进行数据的处理与对设备的调试。 2、QS-01 传感器的应用 3、红外控制装置的应用 4、液晶屏显示的应用 5、负离子空气净化器的应用3天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计2 系统方案2.1 系统结构本课题设计由环境空气检测部分、A/D 数据转换部分、人机界面显示部分、继电 器电路驱动部分以及报警电路驱动部分， 环境空气质量检测通过 QS-01 传感器检测设 备空间的空气质量，根据环境质量的优劣，传感器的数据输出端输出响应的线性模拟 量电压，传感器 DATA 端输出的检测电压信号直接传输给 A/D 数据转换芯片 ADC0831， 模数转换芯片及外围驱动电路的搭建， 使得芯片接收到的模拟量电压信号 通过芯片内部的集成电路将模拟量信号转换成单片机可识别的纯数字量信号， 供单片 机进行数据的读取及数据处理。 通过单片机将传感器的实时数据进行预设报警值的对 比，得到相应的控制标志位，驱动相应的 IO 口输出高低电平，以实现外设继电器电 路的驱动，控制负离子空气净化装置和排风换气装置的工作以及系统报警电路的驱 动，实现声光报警。另外本设计为了体现系统的直观性，系统中还通过 LCD1602 作 为人机交互显示界面，由于 LCD1602 的显示功能驱动采用并行接口方式进行数据传 输，不仅保证数据的传输速度，更保证了数据传输的稳定性。系统结构图如图 2-1 所 示。图 2-1 系统结构图4天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计2.2 装置结构组成2.2.1 环境空气质量检测部分 本设计的环境空气质量检测传感器采用模拟量信号输出的 QS-01 传感器，该传 感器的额定工作电压为 DC5V，即在引脚 1 和引脚 3 之间接 5V 的工作电压，在引脚 2 接一个 5K-10K 的偏压电阻，调节传感器电压信号输出的灵敏度，具体电路连接电 路图如图 2-2 所示。为了保证 QS-01 传感器电压信号输出的稳定和精确性，在模块初 次上电工作时需要 10S 左右的预热时间，当模块处于正常工作状态时，引脚 1 和 3 之间的电压为加热电压。当传感器所处的环境空气质量发生变化时，传感器引脚 1 和 2 之间的电阻会根据空气质量的变化进行相应的线性变化， 随之两个引脚间的检测 电压也会相应变化，传感器周围的空气质量越差，及污染程度越高，则引脚 2 端的检 测电压会升高，传感器的检测电压通过模数转换芯片 ADC0831 进行信号转换，将模 拟量信号转换为单片机可识别的数字量信号，以便于单片机进行后续程序的运行，从 而实现环境空气质量污染程度的实时监测。图 2-2 QS-01 传感器电路原理图2.2.2 负离子空气净化器设备驱动部分 负离子空气净化装置通过双电极片之间的电弧将空气中的污染物颗粒击穿并吸 附在电极片上，实现空气的净化。由于负离子空气净化装置的额定工作电压为5天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计DC12V，单片机无法直接通过 IO 口对其进行驱动，因此需要额外的电压隔离或继电 器对净化装置进行驱动，本设计采用继电器驱动电路实现驱动电压的转换，将单片机 IO 口输出的 5V 电压转换成净化装置所需要的 12V 电压，以保证设备的正常运行， 如图 2-3 所示。当单片机的 P2.3 管脚（即 QA1 引脚）输出高点平时，驱动三极管 Q1 导通，则继电器线圈得电，产生磁性，将触点吸合以驱动净化装置，实现单片机控制 净化器装置的工作运行。图 2-3 空气净化原理图2.3 声光报警系统电路的驱动部分在系统中，声光报警的作用是进行听觉和视觉的双重感官提醒，因此在设计过程 中使用蜂鸣器和 LED 指示灯作为声光报警系统的元件。由于蜂鸣器是直流电压驱动 器件，只需要给蜂鸣器供上额定的电压就能驱动蜂鸣器发出响声。单片机驱动蜂鸣器 有两种方式：一种是通过单片机输出 PWM 直接对蜂鸣器进行驱动，另一种是通过单 片机的 IO 电平翻转产生不同的驱动波形对蜂鸣器进行驱动。因为蜂鸣器的工作电流 比较大，所以无法直接通过单片机的 IO 口进行驱动，一般需要通过放大电路才能驱 动蜂鸣器发出声响。驱动电路如图 2-4 所示。 LED 报警指示功能的驱动电流较小，因此可以使用单片机的 IO 引脚进行直接驱6天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计动，具体驱动电路如图 2-4 所示。图 2-4 声光报警驱动电路2.4 系统功能设计整个系统供电后，单片机进入工作模式，为了保证单片机采集 QS-01 传感器数 据的准确性， 单片机在上电之后需要 10S 左右的初始化延时， 因为空气传感器需要一 定时间的预热才能进入正常的工作状态，当空气传感器预热完成后，将进入连续工作 模式，即实时的检测空间环境中空气质量的污染程度，并将检测的实时数据发送到 ADC0831 模数转换芯片进行传感器信号的处理，直接发送到单片机，为单片机后续 执行相关程序提供准确的参考依据。当单片机采集到实时的检测数据之后，单片机会 通过 8 位的并行接口将相应的数据发送到 LCD1602 液晶显示屏上进行直观的显示， 液晶显示屏上面会显示当前空气质量的数值，设定的预警值，负离子空气净化装置和 排风扇等相关设备的运行状态显示，为使用者提供更加直观的观察系统运行状态。当 单片机检测到空气传感器发送的数据超过设定的预警值时， 单片机会立即发送相应的 应急处理命令，驱动继电器电路和声光报警电路，即打开负离子空气净化装置和排风7天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计扇，改善空气质量，直到环境空气质量的指标数据低于设定的预警值，系统恢复正常 工作状态。3 系统硬件设计3.1 控制系统设计3.1.1 STC12C5A60S2 单片机简介 STC12C5A60S2 单片机是由 STC 公司生产的一款高性能单片机， 该单片机不仅具 有速度快，超强的抗干扰能力以及极低的功率损耗性能决定了该芯片的高性价比，是 目前市场上较为普遍的主流型单片机产品，而且该型号单片机被称为 8051 单片机的 增强版， 因为该单片机的编程和指令代码与 8051 完全兼容， 不仅速度提高了 8-12 倍， 而且芯片内部集成了 2 路 PWM 和 8 路 ADC 接口，其功能能够完全符合本系统设计 的要求。 3.1.2 STC12C5A60S2 单片机的内部结构 本系列单片机的内部结构如图 3-1 所示。其中包括中央处理器（CPU） 、程序存 储器（Flash） 、数据存储器（SARM） 、定时/计数器、UART 串口、串口 2、I/O 接口、 高速 A/D 转换、SPI 接口、PCA、看门狗及片内 R/C 振荡器和外部晶体振荡电路等模 块。STC12C5A60S2 系列的单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模 块，可称的上一个片上系统。8天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计图 3-1 STC12C5A60S2 系列内部结构框图在本次的设计当中，单片机最小系统图如下所示：图 3-2 单片机最小系统9天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计3.2 QS-01 空气质量传感器3.2.1 QS-01 空气质量传感器简介 QS-01 是一种二氧化锡半导体气体传感器，对各种空气污染源都有很高的灵敏 度，并且可以快速响应，给传感器采用塑料外壳，有 3 个引脚，可在极低的功耗情况 下获得极好的感应特性，这款产品非常适用于空气品质控制系统、排风电扇和空气净 化器。 3.2.2 QS-01 的结构 气敏半导体材料分布在铝基上，铝基上引出电极，在基底背面镀上了一层氧化钌 作为加热器，他们都被封装在了塑料壳中。图 3-3 传感器元件图 3-4 结构10天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计图 3-5 管脚排列图 3-6 电路3.3 红外线控制红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。 由于红外线遥控装置具有 体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、 音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备 中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能 有效地隔离电气干扰。 3.3.1 红外线装置简介 通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片 来进行控制操作，如图 3-7 所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED 红外发 送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。11天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计键盘编码调制 遥控发射器LED光/电放大解调解码遥控接收器图 3-7 红外遥控系统框图3.3.2 红外线遥控装置编码 红外线编码是数据传输和家用电器遥控常用的一种通讯方法， 其实质是一种脉宽 调制的串行通讯。家电遥控中常用的红外线编码电路有 μPD6121G 型 HT622 型和 7461 型等。 红外线通讯的发送部分主要是把待发送的数据转换成一定格式的脉冲， 然后驱动 红外发光管向外发送数据。接收部分则是完成红外线的接收、放大、解调，还原成同 步发射格式相同（但高、低电位刚好相反的脉冲信号。这些工作通常由一体化的接收 头来完成，主要输出 TTL 兼容电平。最后通过解码把脉冲信号转换成数据，从而实 现数据的传输。图 3-8 是一个红外线遥控制系统的原理框图。图 3-8 红外遥控系统示意图图 3-9 示出该红外遥控系统的编码格式。 图中， μ PD6121G 遥控器的二进制 “0” 由 0.56ms 的间隔加 0.565ms 的脉冲表示；二进制“1”由 0.56ms 的间隔加 1.685ms 的脉冲表示。 每次发送的 32 二进制码可分成两部分， 其中前 16 位是遥控器辨识码， 主要用于区别不同遥控器，后 16 位是操作码。这两个部分的后 8 位都是前 8 位的 反码，用作数据校验。每帧数据以 9ms 的间隔加 4.5ms 的脉冲作为数据头。12天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计图 3-9 脉冲编码格式3.4 液晶屏显示器3.4.1 液晶显示器简介 在我们的生活中，对于液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品 不可缺少的器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到， 显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式 有以下几种：发光管、LED 数码管、液晶显示器。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点： 1、显示质量高 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光， 而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质 高且不会闪烁。 2、数字式接口 液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。 3、体积小、重量轻 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的， 在重量上 比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 4、功耗低 相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上，因而耗电 量比其它显示器要少得多。 3.4.2 液晶显示原理及分类 1 液晶显示原理 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电 就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路13天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄 像机、PDA 移动通信工具等众多领域。 2 液晶显示器的分类 液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式 等。 除了黑白显示外， 液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。 如果根据驱动方式来分， 可以分为静态驱动（Static） 、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。 3 液晶显示器各种图形的显示原理: （1）线段的显示 点阵图形式液晶由 M× N 个显示单元组成， 假设 LCD 显示屏有 64 行， 每行有 128 列， 每 8 列对应 1 字节的 8 位， 即每行由 16 字节， 共 16× 8=128 个点组成， 屏上 64× 16 个显示单元与显示 RAM 区 1024 字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置 的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由 RAM 区的 000H――00FH 的 16 字节的内容 决定， 当 （000H） =FFH 时， 则屏幕的左上角显示一条短亮线， 长度为 8 个点； 当 （3FFH） =FFH 时， 则屏幕的右下角显示一条短亮线； 当 （000H） =FFH， （001H） =00H， （002H） =00H，??（00EH）=00H， （00FH）=00H 时，则在屏幕的顶部显示一条由 8 段亮 线和 8 条暗线组成的虚线。这就是 LCD 显示的基本原理。 （2）字符的显示 用 LCD 显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 6× 8 或 8× 8 点阵组成，既要 找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节，还要使每字节的不同位 为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字 符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工 作在文本方式，根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 RAM 对应 的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 （3）汉字的显示 汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一 般用字模提取软件） ，每个汉字占 32B，分左右两半，各占 16B，左边为 1、3、5?? 右边为 2、4、6??根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加 1，送第二个字 节，换行按列对齐，送第三个字节??直到 32B 显示完就可以 LCD 上得到一个完整 汉字。 在本设计中 LCD1602 液晶屏接口如下图所示：14天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计图 3-10 LCD602 液晶屏接口3.5 负离子空气净化器3.5.1 负离子空气净化器的简介 负离子空气净化器既是负离子产生源又是空气净化装置。 主要构件是负电晕放电 区和通风风扇。电晕线上加有负高压,形成负电晕放电,在其周围形成空间电荷区,产 生大量的负离子,负离子随着气流进入室内,起着空气质量调节和净化作用,负直流高 压电源接到电晕线上,对地线开始电晕放电。电晕线周围的空气在高压下电离,其中, 正离子在强大的负电压电场下,被吸引至电晕线上,负离子则向正极方向移动,一部分 达到网状电极,另一部分在风机的作用下,进入到外部空气,这部分负离子部分与空气 中的粉尘结合,迅速下降,起到净化空气的作用。图 3-11 电晕放电示意图15天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计3.5.2 负离子发生器结构 负离子浓度和臭氧浓度是负离子发生器的两个主要性能参数。 其中负离子的浓度 决定着净化效率,而臭氧浓度则决定着负离子发生器是否能被选用。前者越高越好 , 后者越低越好。这里采用线网状电极电晕放电,电极结构与负离子浓度和臭氧浓度有 一下关系: (1)负离子浓度、臭氧浓度、电晕电流随着放电电压的升高增加; (2)其它条件相同,电晕线加热(加热电压在电晕线承受范围内)可以提高负离子 浓度、增加电晕电流,而降低臭氧浓度; (3)其它条件相同,电极间距减小(保证在该结构下起晕电压、火花放电电压之 间有足够的变化空间),负离子浓度、臭氧浓度、电晕电流都上升,反之则下降; (4)其它条件相同,接地电极线间距增大,负离子浓度、臭氧浓度、电晕电流下 降,反之上升; (5)其它条件相同,电晕线并联时各参数都要高于电晕线串联时的情况; (6)其它条件相同,电晕线长度增大,负离子浓度上升,臭氧浓度和电晕电流降 低。4 软件设计软件是计算机系统的大脑，没有软件的计算机就像没有大脑的人一样，不能充分 发挥它的功能。在本次设计的控制系统中，硬件设备的功能是通过软件来赋予其意义 的，如系统要控制负离子空气净化装置，首先要通过有线串行通信程序来完成控制功 能，其次在定义按键功能，通过编程完成 LED 数码显示等等，综上所诉，软件是控 制系统中的一个非常重要组成部分。 本次设计的控制系统的软件程序包括：风扇开关控制程序、负离子空气净化开关 控制程序、报警扫描控制程序、传感器数据采集程序、液晶屏显示控制程序、红外遥 控程序以及按键功能程序等。 本着软件设计的基本方法此次设计控制程序的软件设计 方法是利用传统的结构化分析与设计方法来完成的。 结构化程序设计方法虽然是早期 的程序设计方法，但该方法还一直被广泛地使用。结构化系统分析与设计贯穿整个软 件设计过程，遵循“自顶向下，逐步求精”的基本原则。16天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计空气净化 控制系统风扇 开关 控制负离 子空 气净 化开 关控 制报警 扫描 控制传感 器数 据采 集液晶 屏显 示控 制红外 遥控按键 功能图 4-1 空气净化控制系统软件程序总体结构图4.1 主程序设计本系统在接通电源后，首先对所有模块进行初始化配置，延时5S对传感器预热处 理，预热时间到达后系统模块进入正常工作模式。首先是QS-01传感器正常开启后对 传感器检测区域进行数据的收集，并将检测到的数据传送到单片机，单片机读取到监 测初始数据后需要经过数据处理函数，对数据进行处理并与设定的预警值进行比较， 将比较后所得到的标志位数据进行报警电路和设备驱动电路的触发， 并将实时数据传 送到LCD1602液晶显示屏进行实时环境状态参数的显示。 如果检测到的环境参数超过预警值时， 单片机IO口将驱动继电器电路工作， 继电 器电路工作后会接通负离子空气净化装置和排风装置， 通过运行相关净化装置使室内 的空气质量保持到安全阈值范围，此时，显示屏上显示检测的空气污染程度已经低于 基础设定，风扇以及负离子空气净化装置停止工作。可以通过本地设置和红外遥控设 定预警值，同时本设计也设定了手动启动程序，不论传感器检测到的数据是否超过基 础值，当你手动打开时，都可以进行空气净化过程，风扇和负离子空气净化装置可以 单独开启。同样，当设备工作的时候也可以手动停止设备的运行，当按下停止遥控按 钮时，风扇和负离子空气净化装置同时停止。 具体工作流程如下图所示：17天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计开始初始化延时5S气体传感器 数据采集LCD显示检测 数据中断设定预警 值信号 YN更新预警值N判断是否超过 预警值Y报警和继电器驱动 函数图 4-2 主程序工作流程图4.2 红外遥控设计在本次的设计当中，当系统启动时，在一定范围内可以通过红外遥控器对该设 备进行控制。 并且遥控器也可以设定系统的预警值和开启或关闭风扇以及负离子空气 净化装置。4.3 液晶屏显示设计本设计采用的是LCD1602液晶显示屏， 单片机将检测并处理完成的传感器数据实 时发送到液晶屏，然后显示屏通过一个直观的数据显示出来，使操作人员可以更直观 的观测到所想检测的空气质量数据。18天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计开始 定义管脚 设置显示模式设置输入模式传送显示地址 传送显示数据返回图 4-3 液晶屏显示流程图4.4 QS-01 传感器工作设计QS-01传感器，当接通电源后，该传感器启动并预热完成后开始工作，通过内部 的电路检测所在空间的空气污染程度，然后将这种模拟量传送到单片机，单片机内部 的AD转换电路将其转换为单片机可识别的数字量， 单片机根据接收到的数据进行相关 函数的运行。19天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计开始初始化预热延时3S配置ADC通道函 数数据线性计算数据读取延时图 4-4 QS-01 传感器工作流程图20天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计5 系统的调试及实验结果1、焊接硬件电路板。 2、给单片机烧写控制一个I/O点亮LED灯的测试程序确保单片机最小系统能够正 常工作。 3、给单片机烧写读取QS-01空气质量传感器数据的C程序，通过串口调试助手打 印到电脑上，以确保QS-01空气质量传感器与单片机硬件电路连接正确。 4、给单片机烧写读取LCD1602液晶显示器液晶显示程序数据的C程序，通过串口 调试助手打印到电脑上，以确保LCD1602液晶显示器与单片机硬件电路连接正确。 5、将单片机、QS-01空气质量传感器、LCD602液晶显示屏、继电器驱动电路、报 警电路的所有驱动程序，进行整合，烧写入单片机进行整个系统的调试。 6、系统地功能调试完成后，对相应的外管的设计安装。 7、经过整个系统的测试，系统地功能基本实现了本课题设计的初衷。21天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计结论本设计已经成功，虽然过程比较坎坷，但结果是好的，在设计中虽然遇到了很多 困难，但是每次认真努力解决之后，那一份的收获也是巨大的。最后的调试当中，出 现一些状况，虽然一开始很是迷茫，但在老师和同学一起的帮助写终于解决了问题， 也让我明白了很多，设计是一个系统，人与人也是一个系统，元件之间又互相增益与 影响，人与人之间也是的。 室内空气净化系统主要由单片机和外围驱动电路构成， 单片机的开发和研究功能 非常的强大，只有你想不到的，没有你做不到的，所以，遇到问题不要着急烦躁，静 下来，好好想想问题的关键，最后总能解决的。本设计工作时能不停地监测周围的空 气质量，并针对不同的情况做出不同的应对，该系统经过反复调试后运行良好。本设 计属于小型设计，便于携带，节能环保，建议广泛应用在家庭、办公室、豪华会所等， 具有较好的实际应用价值。22天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计附 录电路设计原理图：23天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计24天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计程序如下： #include&control.h& #include&hongwai_rec.h& #include&drive.h& #include&stc_eeprom.h& #include&qs_01.H& sbit key=P3^2; sbit key_add=P3^4; sbit key_plus=P3^5; exte extern unsigned char set_void ext0_init() {EA=1; EX0=1;//enable IT0=1;//mode} void keyset() interrupt 0 { EX0=0; set_com=1;IE0=0; EX0=0; } // ad_show();25天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计void fan_show(bit a) { if(a==1) { lcd_pos(1,5); lcd_wdat('N'); delay_ms(3); lcd_wdat(' '); delay_ms(3); } else { lcd_pos(1,5); lcd_wdat('F'); delay_ms(3); lcd_wdat('F'); delay_ms(3); } } void fres_show(bit a) { if(a==1) { lcd_pos(1,14); lcd_wdat('N'); delay_ms(3); lcd_wdat(' '); delay_ms(3); }26天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计else { lcd_pos(1,14); lcd_wdat('F'); delay_ms(3); lcd_wdat('F'); delay_ms(3); } } void check_auto() { result=ad_change(0x00)/10; if(result&=max) { ad_show(); fres_show(1); fan_show(1); led_switch(1); buzzer_switch(1); qa_u_switch(1); qa_o_switch(1); } else { ad_show(); fres_show(0); fan_show(0); led_switch(0);27天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计buzzer_switch(0); qa_u_switch(0); qa_o_switch(0); } } void max_set_local() { led_switch(1); delay_ms(200);delay_ms(200); while(set_com==1) { if(key_add==0){delay_ms(50);if(key_add==0)max_add();} if(key_plus==0){delay_ms(50);if(key_plus==0)max_plus();} if(key==0){delay_ms(200);if(key==0){led_switch(0);IE0=0;EX0=1;set_com=0;}} ad_show(); }}void check() { if(set_com==0)check_auto(); if(set_com==1)max_set_local(); if(set_com==3)ad_show();} #include&drive.h& sbit led=P2^0;28天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计sbit buzzer=P2^1; sbit qa_u=P2^2; sbit qa_o=P2^3; void led_switch(bit a) { led=a; } void buzzer_switch(bit a) { buzzer=~a; } void qa_u_switch(bit a) { qa_u=~a; } void qa_o_switch(bit a) { qa_o=~a; } #include&hongwai_rec.h& #include&drive.h& #include&stc_eeprom.h& #include&control.h& extern unsigned char set_ exte sbit dat=P3^3; void delay() { for(i = 0; i& 116; i++)29天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计{_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_(); } } //IapWriteByte(1, max) //写 EEPROM//IapEraseSector(1) // 擦除 EEPROM 扇区 //BYTE IapReadByte(WORD addr) void max_show() { char a,b; ad=IapReadByte(1); a=ad/10+48; b=(ad%10)+48; lcd_pos(2,12); lcd_wdat(a); delay_ms(3);30//读 EEPROM天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计lcd_wdat(b); delay_ms(3); lcd_wdat(' '); delay_ms(3); lcd_wdat(' '); delay_ms(3);} void max_add() { max=max+1; if(max&99)max=0; IapEraseSector(1); // 擦除 EEPROM 扇区 IapWriteByte(1, max); //写 EEPROM max_show();} void max_plus() { max=max-1; if(max&1)max=99; IapEraseSector(1); // 擦除 EEPROM 扇区 IapWriteByte(1, max); //写 EEPROM max_show(); } void motor_work() { fan_show(1); qa_u_switch(1);31天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计set_com=3; } void motor_stop() { fan_show(0); qa_u_switch(0); set_com=0; } void fresh_work() { fres_show(1); qa_o_switch(1); set_com=3; } void fresh_stop() { fres_show(0); qa_o_switch(0); set_com=0; } void rec_init() { dat=1; EA=1; EX1=1; IT1=1; } void delay1() {32天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop _();_nop_();}void key_serve() interrupt 2 { unsigned char i,j; unsigned char sisi,rec_dat[4]; EA=0; EX1=0; delay_ms(5); if(dat==0) while(dat==0);// else { EA=1; IE1=0; EX1=1; } {delay_ms(1);i++;if(i&10){EX1=0;}}//等待低电平 9 毫秒 buzzer_switch(1); while(dat==1);//等待高电平 4.5 毫秒 buzzer_switch(0); for(j=0;j&4;j++) { for(i=0;i&8;i++)33{delay_ms(1);i++;if(i&6){EX1=0;}}天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计{ rec_dat[j]&&=1; // buzzer_switch(1);while(dat==0); // buzzer_switch(0);delay(); if(dat==1){rec_dat[j]|=0x01;while(dat==1);} else{rec_dat[j]|=0x00;} } } if(rec_dat[2]==0xa2){motor_work();} if(rec_dat[2]==0x22){motor_stop();} if(rec_dat[2]==0xe2){fresh_work();} if(rec_dat[2]==0xc2){fresh_stop();} if(rec_dat[2]==0xe0){max_plus();} if(rec_dat[2]==0xa8){max_add();}// send_byte(rec_dat[0]);delay_ms(1); // send_byte(rec_dat[1]);delay_ms(1); send_byte(rec_dat[2]);delay_ms(1); // send_byte(rec_dat[3]);delay_ms(1); delay_ms(200); dat=1; EA=1; IE1=0; EX1=1; }//A2 62 E2 22 02 C2 E0 A8 90 68 98 B0 30 18 7A 10 38 5A 42 4A 5234天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计//A2 62 E2 22 02 C2 E0 A8 90 68 98 B0 30 18 7A 10 38 5A 42 4A 52 //A2 62 E2 22 02 C2 E0 A8 90 68 98 B0 30 18 7A 10 38 5A 42 4A 5235天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计参考文献[1]康华光 电子技术基础模拟部分第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.6. 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[17]侯玉宝、李成群，基于 Proteus 的51系列单片机设计与仿真 [M].北京：电子工 业出版社，2008.36天津职业技术师范大学 2015 届本科生毕业设计致谢感谢崔老师，在我书写论文时细心的指导，在整个毕业设计中，感谢你们给我的 帮助， 在我迷惑时， 给我解除困惑， 在我不知如何继续时给我鼓励。 每次向您咨询时， 您不仅仅是回答我的问题，而是在引导我思考，您交给我的不是一份答案，而是一种 学习的过程，学习的方法。在我找不到资料的时候，是您放下手中的工作，帮助我查 询资料；在我设计陷入困难的时候，是您引导我找出问题。真的很感谢您在这个过程 中不辞辛苦，不怕麻烦的一直帮助着我。 感谢自动化学院的每个老师，在我需要帮助时，您没有拒绝我的请求，不管我是 不是您的学生，只要我去问，只要您知道，您一定会细心的教导我，告诉我，有时哪 怕我问的专业不是您的专业，您没有生气，而是帮我向其他的专业老师咨询，将我带 到其他老师那里请教问题，您的关爱，同样是我这次论文之路上不可或缺的。 感谢我身边的同学们，在我最需要帮助的时候，你们无私的伸出了援助之手，同 样的时间里，你们放弃了自己写论文作毕设的时间帮助我，真的感谢你们，没有你们 的帮助，我没有办法及时完成我的设计，没有你们给的意见和灵感，我的设计不会这 么的完美，真心的谢谢你们，这次我不仅完成了论文与设计，而且收获了这份难得友 谊。 真诚的感谢所有帮助过我的老师，同学，家人和朋友们，这次的设计与论文，不 只是属于我，也属于你们。你们的精神我会在日后的生活中传递下去，我会将自己的 一份力献给国家，在别人需要帮助的时候，一定会尽自己最大的努力去帮助别人。 大学即将结束了，五年的生活教会了我很多，我会带着我所学到的知识，我所积 累的经验，你们的关心与关爱，建设好我以后的人生道路的！37
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