楊 乾，董玉德，陳光超

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥230006）

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化的進(jìn)展，越來(lái)越多的人生活在隔絕自然通風(fēng)、相對(duì)封閉的人工環(huán)境中，而具有多樣性、累加性等特點(diǎn)的室內(nèi)空氣污染越來(lái)越嚴(yán)重，每年引起死亡人數(shù)多達(dá)11.1萬(wàn) .改善IAQ 室內(nèi)空氣品質(zhì)）的措施當(dāng)中，室內(nèi)空氣凈化器是一種行之有效的方法［2］.

空氣凈化器對(duì)室內(nèi)空氣中的粉塵、香煙煙霧等固態(tài)污染物及醛類、苯類等氣態(tài)污染物有一定的去除能力［3］，是集合嵌入式技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)和凈化技術(shù)的家用電器.從20世紀(jì)開(kāi)始，對(duì)空氣凈化技術(shù)的研發(fā)得到了極大重視，出現(xiàn)了如HEPA高效過(guò)濾、光觸媒催化分解等新的空氣凈化技術(shù)，新一代的空氣凈化器可凈化對(duì)象增多，既可以過(guò)濾灰塵等顆粒物，還可以有效地分解氣態(tài)污染物，具有明顯的殺菌效果.全球知名的空氣凈化器生產(chǎn)廠商多集中于北美、歐洲和日本，如美國(guó)霍尼韋爾、日本松下、夏普等，其產(chǎn)品多使用數(shù)種凈化技術(shù)及傳感技術(shù)，占據(jù)著國(guó)內(nèi)大部分市場(chǎng).國(guó)內(nèi)對(duì)空氣凈化器的研究較晚，在技術(shù)上與國(guó)外有著較大的差距，產(chǎn)品多存在功能單一、凈化效果不理想等問(wèn)題，因此研發(fā)一種技術(shù)先進(jìn)、功能全面、凈化效率高的空氣凈化器極有必要.

實(shí)現(xiàn)空氣凈化器的凈化功能及其他附屬功能，凈化器控制系統(tǒng)是不可或缺的要素之一.本文所設(shè)計(jì)的空氣凈化器控制系統(tǒng)以高速8位ATmega128微控制器為控制芯片，以氣體傳感器、PM 2.5傳感器、溫濕度傳感器構(gòu)成空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊，以此為核心的空氣凈化器可應(yīng)用于家庭環(huán)境、辦公環(huán)境及實(shí)驗(yàn)室，能夠有效地檢測(cè)及提高室內(nèi)空氣品質(zhì).

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)用于空氣凈化器，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣中VOCs、PM2.5的分解、過(guò)濾，選用的凈化技術(shù)有：活性炭吸附技術(shù)、HEPA高效過(guò)濾技術(shù)和光觸媒催化分解技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中使用活性炭濾芯、HEPA濾芯及納米TiO2光催化殺菌網(wǎng)，其中光催化殺菌網(wǎng)需要紫外燈配合使用.附屬功能包括室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互及熱釋電紅外檢測(cè)等.多功能空氣凈化器控制系統(tǒng)的功能如圖1所示.

圖1 多功能空氣凈化器控制系統(tǒng)功能Fig.1 The functions of the control system of multi－functional air cleaners

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)選用TGS2600氣體傳感器、PM 2.5傳感器DN7C3JA001和QM1H0P0073溫濕度傳感器對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)（PM 2.5、VOCs、溫濕度）進(jìn)行采集，自動(dòng)模式下，根據(jù)PM 2.5和VOCs濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速.選用LHi878熱釋電紅外傳感器檢測(cè)人體移動(dòng)紅外信號(hào).通過(guò)CY8CMBR3116觸摸屏控制器實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵功能，使用BC7210紅外解碼芯片解碼紅外信號(hào)，通過(guò)LCD12864實(shí)現(xiàn)顯示功能.電源電路將220V AC轉(zhuǎn)換為12V DC，為控制系統(tǒng)供電.驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)8W 185/254nm紫外燈［4］及后傾式外轉(zhuǎn)子離心風(fēng)機(jī).控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示.

TGS2600的傳感元件為氣敏電阻，可檢測(cè)某些氣體污染物，如烷類、CO、H2S，本設(shè)計(jì)用其檢測(cè)室內(nèi)VOCs含量.TGS2600以Sn O2厚膜氣敏元件為核心，工作原理基于接觸粒界勢(shì)壘理論，內(nèi)置加熱器，以加速氣體的吸、脫過(guò)程，為此設(shè)計(jì)以55L104G場(chǎng)效應(yīng)管為核心的加熱電路［5］，實(shí)現(xiàn)傳感器的間接加熱.TGS2600突出的優(yōu)點(diǎn)是其壽命為半永久性，其靈敏度特性隨時(shí)間的增長(zhǎng)和四季的變化在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)［6］，所以在精度要求不嚴(yán)苛的情況下可不必考慮傳感器的校準(zhǔn)，為保證傳感器的精度要求，設(shè)計(jì)可通過(guò)TGS2600數(shù)據(jù)采集電路中的電位器對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行微調(diào).

TGS2600傳感器反映VOCs濃度的是傳感器電阻，傳感器阻值和VOCs濃度之間的關(guān)系在一定范圍內(nèi)可由下面的氣體濃度方程表示［7］

式中，Rs為傳感器電阻，A為常數(shù)，C為VOCs氣體濃度，α為Rs曲線的斜率.

DN7C3JA001用來(lái)測(cè)定室內(nèi)空氣的PM2.5值，檢測(cè)時(shí)間僅為10s，與以往的PM2.5檢測(cè)器相比，該傳感器將分流器和利用LED的高精度傳感器結(jié)合并小型化，其檢測(cè)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)高精度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)的重合度較好，抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)精度高，具有基本免維護(hù)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)［8］.圖3所示為DN7C3JA001的外部控制和信號(hào)接入電路.單片機(jī)需提供傳感器周期為10ms、高脈沖寬度為0.32ms的采樣脈沖；傳感器輸出信號(hào)為不規(guī)則的電壓信號(hào)，電壓峰值出現(xiàn)在采樣脈沖出現(xiàn)高脈沖后的0.28ms，此時(shí)進(jìn)行采樣.

QM1 H0P0073的檢測(cè)范圍寬，通過(guò)I2C通信方式直接輸出補(bǔ)償后的溫度、濕度數(shù)字信息，用戶不需要對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，即可得到準(zhǔn)確的溫濕度信息，其外圍電路較簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)電容.該傳感器應(yīng)答MCU后，通過(guò)I2C發(fā)送給MCU的字節(jié)中，前兩個(gè)字節(jié)是濕度數(shù)據(jù)，后兩個(gè)字節(jié)是溫度數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換才能得到實(shí)際的溫濕度值，其轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，RH為相對(duì)濕度值，%；HD［13∶0］為存放濕度數(shù)據(jù)的字節(jié)；T為攝氏溫度值，℃；TD［13∶0］為存放溫度數(shù)據(jù)的字節(jié).

圖2 多功能空氣凈化器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)Fig.2 The hardware design of the control system of multi－functional air cleaners

圖3 DN7C3JA001外部電路連接圖Fig.3 The external connection circuit of DN7C3JA001

LHi878捕捉到移動(dòng)的紅外源（如走動(dòng)中的人體）時(shí)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，與紅外熱釋電處理芯片BISS0001構(gòu)成被動(dòng)式熱釋電紅外開(kāi)關(guān)［8－9］.圖4為熱釋電紅外開(kāi)關(guān)電路，內(nèi)置3.3V電源，選用SGM2019－3.3（YJ33）電源芯片.BISS0001檢出有效觸發(fā)信號(hào)后啟動(dòng)延遲定時(shí)器，導(dǎo)通三極管Q7.光敏電阻U7檢測(cè)環(huán)境照度，R28可調(diào)節(jié)BISS0001內(nèi)部放大器的增益，輸出延遲時(shí)間由R35和R27調(diào)整，觸發(fā)封鎖時(shí)間由R33、R51和C23調(diào)整.

基于CapSense觸摸感應(yīng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的觸摸按鍵電路，根據(jù)電容感應(yīng)的原理和松弛振蕩器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)觸摸感應(yīng)，具有外圍元件少，單個(gè)按鍵的靈敏度可調(diào)整，一個(gè)芯片可同時(shí)實(shí)施多個(gè)觸摸式按鍵等優(yōu)點(diǎn)［10］，因此觸摸按鍵單元設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，靈敏度高，集成為一塊電路板與控制電路相連.觸摸按鍵模塊與MCU的通訊也是通過(guò)I2C.

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是利用MCU輸出的低電平導(dǎo)通信號(hào)來(lái)實(shí)的，輸出脈沖的“占空比”越大，電機(jī)端電壓越小，轉(zhuǎn)速越?。?1］.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中使用光電耦合器MOC3023接收單片機(jī)的控制指令，通過(guò)控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止控制風(fēng)機(jī)，既實(shí)現(xiàn)小電平控制高電壓，又起到隔離干擾的作用.紫外燈驅(qū)動(dòng)原理跟電機(jī)相似.

圖4 熱釋電紅外開(kāi)關(guān)電路Fig.4 The circuit of pyroelectric infrared switch

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)上電后等待電源打開(kāi)，電源打開(kāi)后進(jìn)行相關(guān)初始化和讀取EEPROM中的參數(shù)數(shù)值后，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集換算后的結(jié)果在LCD上顯示，自動(dòng)模式下根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量采集值運(yùn)算得到風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài).用戶可通過(guò)觸摸按鍵或紅外遙控決定控制系統(tǒng)工作狀態(tài).通過(guò)紅外人體檢測(cè)中斷程序檢測(cè)室內(nèi)人員活動(dòng)，有人員活動(dòng)時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行提速，一段時(shí)間后恢復(fù)原速度.當(dāng)按下關(guān)機(jī)鍵后，將工作狀態(tài)各參數(shù)存儲(chǔ)進(jìn)EEPROM中，然后進(jìn)行關(guān)機(jī)操作.

控制系統(tǒng)設(shè)定了紫外燈及濾芯使用到期報(bào)警提示功能，將紫外燈及濾芯的使用時(shí)間保存在EEPROM中，以避免數(shù)據(jù)在關(guān)機(jī)下的缺失，在CVAVR編譯器中其設(shè)置及寫入程序如下：

同時(shí)本程序提供設(shè)置功能，不僅可以設(shè)置紫外燈及濾芯使用期限，還可以設(shè)置顯示語(yǔ)言及PM2.5傳感器的基準(zhǔn)值，同樣保存在EEPROM中.

3.2 傳感器采集程序

以PM2.5傳感器采集程序?yàn)槔?，DN7C3JA001的檢測(cè)時(shí)間為10s左右，為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，本程序選用20s的檢測(cè)時(shí)間，在20s內(nèi)取100次采樣值再取其平均值.為了傳感器的正常工作，開(kāi)辟了一個(gè)定時(shí)器0，沒(méi)有預(yù)分頻，頻率為16MHz，則定時(shí)時(shí)間為（256－6）/16M＝15.625μs.

在定時(shí)器0溢出中斷程序中使用了兩個(gè)累加變量count1和count 2，實(shí)現(xiàn)20s內(nèi)取100次采樣值且需滿足采樣時(shí)間的要求，將100次的采樣值存入數(shù)組PM25［100］中.PM2.5數(shù)據(jù)處理程序中首先對(duì)100次的采樣值取平均值PM25Value，然后與PM2.5基準(zhǔn)值VS－PM25比較，避免異常值，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算得到PM2.5值，換算部分程序如下：

隨著使用時(shí)間的增加，DN7C3JA001的檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)有小范圍內(nèi)的誤差，可通過(guò)重置PM2.5基準(zhǔn)值VS－PM25來(lái)校準(zhǔn)傳感器，PM2.5基準(zhǔn)值可在潔凈空氣中使用官方提供的PM2.5傳感器校準(zhǔn)板測(cè)量而得到.

3.3 人機(jī)交互界面程序設(shè)計(jì)

人機(jī)交互主要通過(guò)屏幕顯示及按鍵觸摸來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)界面的構(gòu)成主要分為兩部分：工作界面與設(shè)置界面，主要運(yùn)用LCD12864的字庫(kù)顯示功能.無(wú)人工操作時(shí)顯示工作界面，主要顯示空氣質(zhì)量參數(shù)及風(fēng)速，當(dāng)人機(jī)交互時(shí)進(jìn)入設(shè)置界面，可設(shè)置模式、定時(shí)等.另外本設(shè)計(jì)還提供工廠界面，可在工廠界面上選擇顯示語(yǔ)言及設(shè)置PM2.5基準(zhǔn)值.

4 凈化效果實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證凈化器的凈化效果，在30m3環(huán)境艙中進(jìn)行VOCs和PM2.5的凈化實(shí)驗(yàn)，艙內(nèi)溫度要求保持在22℃～28℃，相對(duì)濕度保持在40%～60%［12］.實(shí)驗(yàn)通過(guò)LONGSTON CLH－2000 PM2.5粉塵監(jiān)測(cè)儀、博華康生TVOC檢測(cè)儀檢測(cè)VOCS、PM2.5的濃度變化，并對(duì)凈化效果進(jìn)行評(píng)價(jià).

分別向凈化后的環(huán)境艙內(nèi)釋放VOCs和PM2.5污染物，污染物混合均勻后，測(cè)定污染物初始質(zhì)量濃度，VOCs的初始質(zhì)量濃度要確保在4.8mg/m3～7.2mg/m3范圍內(nèi)，PM2.5的初始濃度要控制粒徑≥0.3μm的顆粒物濃度為2 000 000個(gè)/L左右.將凈化器置于環(huán)境艙內(nèi)，選擇自動(dòng)模式，相隔固定的時(shí)間測(cè)定污染物濃度若干次.同樣條件下，不開(kāi)啟凈化器，以相同方法測(cè)定污染物的自然衰減［13］.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 凈化效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The experimental results of purification effect

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T18801—2008空氣凈化器》中提供的計(jì)算方法，由圖5中數(shù)據(jù)計(jì)算得，本凈化器對(duì)VOCs污染物的潔凈空氣量CADR為56.4m3/h，凈化效能η＝1.03m3/（h×W）；對(duì)PM2.5的CADR為121.68m3/h，η＝2.22m3/（h×W）.根據(jù)凈化效能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本凈化器對(duì) VOCs、PM2.5的凈化效能等級(jí)均為A.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ATmega128的多功能空氣凈化器控制系統(tǒng)，從總體設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)VOCs、PM2.5等室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并可以根據(jù)上述的變化自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)工作狀態(tài).通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在多種凈化方式的配合下，可有效地凈化VOCs和PM2.5.

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