一種基于AVR單片機(jī)的空氣凈化器控制系統(tǒng)

1、第33卷 第9期 2011-9( 上) 【109】收稿日期： 2011-05-23作者簡介： 段仲麒 （ 1962 - ）， 男，江蘇常州人 ，講師 ，本科 ，研究方向?yàn)殡娮有畔⑴c自動(dòng)化控制。0 引言空氣凈化技術(shù)是近二十年來隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展而逐步形成的一門綜合性新技術(shù) 。 室內(nèi)空氣凈化器是實(shí)現(xiàn)空氣凈化的最直接、便捷的儀器，隨著室內(nèi)空氣污染性質(zhì)的不斷變化與污染程度的加大，室內(nèi)空氣凈化器技術(shù)也得到了快速地發(fā)展。目前空氣凈化器產(chǎn)品有以下幾種 ： 機(jī)械過濾式凈化器、 機(jī)械過濾吸附式凈化器、靜電式凈化器、負(fù)離子凈化器和紫外光空氣凈化器等 。 紫外光空氣凈化器， 是利用了紫外線的原理通過紫

2、外線的照射，穿透微生物的細(xì)胞膜，破壞各種病菌，細(xì)菌 ， 寄生蟲以及其他致病體的 dna 結(jié)構(gòu) ， 毀壞其核酸分子鍵， 使細(xì)菌當(dāng)即死亡或不能繁殖后代，從而達(dá)到消毒滅菌的作用。本文采用工業(yè)設(shè)計(jì)理論中avr 單片機(jī)的智能控制方式 ， 并結(jié)合傳感器的數(shù)據(jù)采集功能， 設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)紫外光線菌與室內(nèi)通風(fēng)功能的新型空氣凈化器 ， 對室內(nèi)空氣凈化技術(shù)的研究具有重要的促進(jìn)意義 。1 空氣凈化器設(shè)計(jì)1.1 空氣凈化器總體設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)是控制工作在單相額定電壓110v家用和類似用途的空氣凈化器， 凈化器主要功能是對室內(nèi)空氣中的固態(tài)、氣態(tài)污染物進(jìn)行通風(fēng)、過濾和消毒，通過紫外光燈管發(fā)射的紫外線進(jìn)行殺菌 。功能需求模塊如

3、圖1所示 。圖1 空氣凈化器控制系統(tǒng)功能需求模塊圖傳感器數(shù)據(jù)采集模塊利用傳感器對外部信號(hào)進(jìn)行采集與處理功能的實(shí)現(xiàn)， 分為運(yùn)動(dòng)傳感器與化學(xué)傳感器兩個(gè)分支。 運(yùn)動(dòng)傳感器為lhi878 熱釋紅外傳感器， 用于檢測移動(dòng)的人體紅外信號(hào)源；化學(xué)傳感器為tgs 氣體傳感器， 用于檢測甲烷和丙烷等可燃性氣體、 一氧化碳 、硫化氫等有毒氣體， 以及酒精等各種氣體濃度。電源電路模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的供電核心， 空氣凈化器的電源經(jīng)外部變壓器輸入了110v 的交流電壓，電源電路首先將電壓進(jìn)行降壓， 轉(zhuǎn)換為 12v 電源 ，然后經(jīng)過橋式整流與直流變換得到12v的直流電源，為其它模塊提供 5v工作電壓 。紫外光燈管的導(dǎo)通控

4、制是利用atmega 128單片機(jī)指令來實(shí)現(xiàn)的。其控制電路同樣是通過單片機(jī)控制可控硅驅(qū)動(dòng)光耦moc3023 來實(shí)現(xiàn)的，一種基于 avr 單片機(jī)的空氣凈化器控制系統(tǒng)a air puri? er control system based on avr mcu段仲麒duan zhong-qi（常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，常州 213016）摘 要： 隨著生活水平的提高，人們對自己日常生活和工作的室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的要求和期望也在不斷提高。本文設(shè)計(jì)出一種新型的、利用紫外線殺菌消毒的空氣凈化器電路控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)選擇合適的atmega128 單片機(jī)，利用 tgs800 氣體傳感器與 lhi878熱釋電紅

5、外傳感器分別檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量和移動(dòng)人體紅外信號(hào)，并將采集信號(hào)輸出給單片機(jī)端口，單片機(jī)根據(jù)檢測到的信號(hào)自動(dòng)調(diào)整和控制空氣凈化器。該系統(tǒng)經(jīng)過試運(yùn)行和調(diào)試，效果明顯，值得推廣。關(guān)鍵字： 空氣凈化器； avr 單片機(jī)；紫外線；傳感器中圖分類號(hào) ：tp273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：b 文章編號(hào) ：1009-0134(2011)9( 上)-0109-02doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.9(上).34【110】 第33卷 第9期 2011-9( 上)通過 atmega128單片機(jī)通過可控硅驅(qū)動(dòng)光耦moc3023， 驅(qū)動(dòng) philips紫光燈管 ，并根據(jù)燈管的工作狀態(tài)反饋信號(hào)，判

6、斷出燈管是否正常工作并完成電路設(shè)計(jì)與程序的編寫；紅外遙控模塊一般分為兩個(gè)部分 ，紅外發(fā)射器與接收電路，由于項(xiàng)目中委托企業(yè)已經(jīng)設(shè)計(jì)出了紅外發(fā)射器部分，并提供了每個(gè)按鈕發(fā)射的紅外波形與時(shí)序，在本文中只需設(shè)計(jì)出紅外接收電路 ， 與紅外遙控程序即可。1.2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)使用兩個(gè)不同類型的傳感器，用于采集外界信號(hào)，分別是熱釋電型紅外傳感器與空氣質(zhì)量檢測傳感器。1.2.1 氣體傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)為了提高系統(tǒng)中傳感器的使用壽命，節(jié)省控制系統(tǒng)的消耗， 在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，我們采用的是間接加熱方式，使用了 55l104g 場效應(yīng)管 ，對于傳感器的電路進(jìn)行導(dǎo)通與切斷的控制。55l104g管的導(dǎo)通

7、控制是通過atmega128 的pb6引腳來實(shí)現(xiàn)的，由單片機(jī)程序控制，當(dāng)55l104g 管導(dǎo)通時(shí) ， 電路對 tgs800 傳感器進(jìn)行加熱，傳感器可正常工作來采集數(shù)據(jù)；而當(dāng)單片機(jī)發(fā)出斷開指令的時(shí)候，tgs800則不被加熱 ，傳感器處于等待狀態(tài)。單片機(jī)端口為adc 的模擬輸入引腳，在這里被用作傳感器采集信號(hào)的輸出端口，根據(jù) tgs800傳感器的特性知道，其輸出端口的電壓值將隨著檢測的空氣質(zhì)量不同而發(fā)生變化， 單片機(jī)首先進(jìn)行采樣 ，并將根據(jù)電壓的變化范圍與幅度來判斷當(dāng)前空氣質(zhì)量 。1.2.2 紅外傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)lhi878熱釋紅外傳感器， 用于檢測移動(dòng)的人體紅外信號(hào)源， 本空氣凈化器項(xiàng)目中

8、設(shè)計(jì)的lhi878 傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊所使用的放大電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)捕捉到移動(dòng)的紅外源（如走動(dòng)中的人體） 時(shí) ， 傳感器的信號(hào)放大電路輸出通道4所采集的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)經(jīng)由lm358 和其外圍元件所組成的兩級(jí)放大電路放大后輸出至整形電路。紅外信號(hào)經(jīng)過濾波和放大處理后仍為不規(guī)則的帶尖峰的脈沖信號(hào)。 要想單片機(jī)能得到可靠穩(wěn)定的信號(hào) ，還需要對 dataout1進(jìn)行整形處理 ?？紤]到設(shè)計(jì)的便利與節(jié)約性，在程序的處理中，不再對信號(hào)進(jìn)行采樣， 而是直接采用單片機(jī)的查詢進(jìn)行處理，當(dāng)單片機(jī) pd2 端口檢測到脈沖信號(hào)的時(shí)候，通過查詢程序，直接調(diào)整交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也即發(fā)生脈沖信號(hào)的時(shí)，電機(jī)將保持在“高速 ”狀

9、態(tài)下運(yùn)行 。1.3 硬件模塊設(shè)計(jì)硬件模塊主要是對其硬件功能電路進(jìn)行設(shè)計(jì)， 主要的電路包括了系統(tǒng)的電源控制電路、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制電路、 紫外燈管驅(qū)動(dòng)與控制電路、液晶顯示器控制電路、紅外遙控接收電路、功能按鍵電路以及jtag 仿真電路和單片機(jī)程序下載電路等 ， 硬件模塊總體結(jié)構(gòu)如圖2所示 。圖2 控制系統(tǒng)硬件模塊總體結(jié)構(gòu)圖由結(jié)構(gòu)圖可以看出，電源控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 、 燈管驅(qū)動(dòng)控制是屬于系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制部分的，在硬件設(shè)計(jì)中將其設(shè)計(jì)到驅(qū)動(dòng)控制電路板上； 而傳感器數(shù)據(jù)采集控制、 顯示器控制、紅外遙控 、功能按鍵以及jtag 仿真 、 isp下載電路都是屬于單片機(jī)主控制模塊，將這些設(shè)計(jì)在主控制電路板上 。1

10、.4 軟件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析與硬件模塊的設(shè)計(jì)結(jié)果 ，紫外線空氣凈化器對于軟件程序的需求可以分為以下七個(gè)部分：端口初始化程序、 傳感器采集信號(hào)處理程序、 顯示器控制程序、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 、紫外燈管驅(qū)動(dòng)程序、 紅外信號(hào)處理程序和按鍵功能程序 ，其總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖3所示 ?？梢钥闯?， 單片機(jī)主要的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)殡姍C(jī)與燈管的驅(qū)動(dòng)控制，而其它部分則為單片機(jī)的主控制部分 。 而事實(shí)上 ， 每個(gè)部分都是緊密相關(guān)的，每個(gè)功能模塊對于程序的整體設(shè)計(jì)都是非常重要的， 都是通過 atmega128 單片機(jī)程序， 才能使空氣凈化器控制系統(tǒng)運(yùn)行起來。第33卷 第9期 2011-9( 上) 【111】圖3 控制系

11、統(tǒng)程序總體結(jié)構(gòu)圖2 結(jié)束語本文研究的紫外線空氣凈化器屬于新型的，半智能式的空氣凈化產(chǎn)品，儀器的控制系統(tǒng)基于avr 單片機(jī)進(jìn)行軟硬件模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)，并且創(chuàng)新式地設(shè)計(jì)了氣體傳感器與紅外傳感器數(shù)據(jù)采集模塊 ，分別用于采集室內(nèi)空氣質(zhì)量和移動(dòng)人體紅外信號(hào)強(qiáng)弱， 以完成儀器隨外部環(huán)境自動(dòng)調(diào)整工作狀態(tài)的功能。 此紫外光室內(nèi)空氣凈化器控制系統(tǒng)的基本功能已實(shí)現(xiàn)，且試驗(yàn)運(yùn)行基本穩(wěn)定， 待進(jìn)一步的測試后推廣。參考文獻(xiàn) ：1 張妍 ,李振海 . 室內(nèi)空氣凈化器性能指標(biāo)的探討j環(huán)境與健康雜志 , 2007, (06).2 王峰 ,張吉光 ,許娜 . 室內(nèi)空氣污染的主要控制技術(shù)j環(huán)境衛(wèi)生工程 , 2009, (05).

12、3 閆朝文 ,張麗 ,孫東寧 .基于 cpld 的光催化空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ,2010,(11).子齒輪比設(shè)置中， 將輸入脈沖倍頻數(shù)設(shè)為10， 分頻數(shù)設(shè)為 1，對應(yīng)參數(shù)號(hào)分別為pr34 和pr35。伺服電機(jī)自帶編碼器經(jīng)4倍頻后 ，分辨率可達(dá) 10000p/r，電子齒輪比設(shè)置后 ，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器每接收 1000 個(gè)脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周 ，plc脈沖發(fā)送頻率低于最高值 。5.2 點(diǎn)動(dòng)模式點(diǎn)動(dòng)模式下，系統(tǒng)選擇驅(qū)動(dòng)器工作在速度模式，電機(jī)按驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)定速度運(yùn)行。 運(yùn)行點(diǎn)動(dòng)模式時(shí) ，為避免自動(dòng)、 點(diǎn)動(dòng)間的信號(hào)影響， 首先要通過驅(qū)動(dòng)器x3 輸入點(diǎn) ， 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器混合模式切換 。 系統(tǒng)中只使用一個(gè)內(nèi)部速度，即

13、點(diǎn)動(dòng)模式下，控制電機(jī)以單一速度運(yùn)行。設(shè)計(jì)電機(jī)以 2000r/m的速度運(yùn)行，加減速時(shí)間設(shè)為500ms ，由參數(shù)號(hào)pr24設(shè)置得到 。5.3 回參考點(diǎn)伺服控制系統(tǒng)中， 復(fù)位功能可一定程度上減小由系統(tǒng)慣性、 脈沖丟失 、 絲杠與機(jī)械構(gòu)件間的聯(lián)接空隙等因素帶來的運(yùn)動(dòng)控制偏差。 本系統(tǒng)中，參考點(diǎn)設(shè)置在絲杠中間位置， 復(fù)位功能由系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)。 參考點(diǎn)處設(shè)有接近開關(guān)， 其兩端分別設(shè)置機(jī)械傳感器， 位置反饋信號(hào)接到s7-200端。系統(tǒng)復(fù)位過程描述如下：當(dāng)參考點(diǎn)兩側(cè)的機(jī)械傳感器檢測到工作臺(tái)經(jīng)過時(shí)，反饋信號(hào)由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑?plc 內(nèi)部置位 。 復(fù)位指令下達(dá)后，根據(jù)機(jī)械傳感器信號(hào)，在 plc端進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)向判

14、斷 ，電機(jī)以回原點(diǎn)第一速度運(yùn)行； 碰到機(jī)械傳感器下降沿時(shí)， 電機(jī)改為第二速度慢速靠近參考點(diǎn)， 碰到參考點(diǎn)接近開關(guān)時(shí)， 電機(jī)停止 ， 系統(tǒng)復(fù)位結(jié)束 。6 結(jié)束語本文介紹的交流伺服系統(tǒng)以適應(yīng)工業(yè)控制需求為出發(fā)點(diǎn)，融入了 plc 、觸摸屏和總線通訊，有較好的工程使用價(jià)值。 系統(tǒng)通過觸摸屏進(jìn)行調(diào)節(jié)控制 ，使操作簡單 ；利用 plc直接對伺服電機(jī)進(jìn)行位置和速度控制， 省略了定位模塊， 節(jié)約了成本。 搭建的系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行可靠 ，取得了滿意的效果 。參考文獻(xiàn) ：1 于殿勇 ,劉興義 .基于 plc與觸摸屏控制的搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用 j.制造業(yè)自動(dòng)化 ,2009,31(8):121-123/127.2 席曉東 ,王偉明 . plc和伺服系統(tǒng)在高速管材剪切裝置中的應(yīng)用 j.塑料 ,2003,1(32):59-61.3 向曉漢 .西