基于单片机的智能空气净化器的设计毕设论文.docx

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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：

二〇一年月

基于单片机的智能空气净化器的设计

DesignOfIntelligentAirCleanerBasedOnMCU

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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

ABSTRACT

Withtheincreasingdevelopmentoflife,people'srisinglivingstandards,butalsowithalotofproblems,becausepeoplearenotexpectednegativeimpactontheindustryishighlydeveloped,topreventnegative,resultinginapureinthethreecrises:

shortageofresources,environmentalpollutionandecologicaldestructionwenow.Environmentalpollution,nowimportantisairpollution,waterandsoilpollution,everyarecloselylinkedwithourlife,aseriousimpactonthequalityofourlives,aseriousimpactonthesustainabledevelopmentofourcountry'spolicy,soourcountryalsoattachesgreatimportancetotheenvironmentchangeandreduction,letusreturntoanopollutionofthegreenenvironment,butthisisamatterforalongtime.Asthesayinggoes,Romewasnotbuiltinaday,tooptimizetheenvironmentofnoncanbedoneovernight.Inordertoimprovethequalityofourlives,butalsoavoidwebecausetheenvironmentpollutionishurt,.

Now,IinindoorairqualityofPM2.5designbasedonMCUairpurifier,includingairautomaticdetectiondevice,whenthedetectedairpollutiontoacertainextent,thedevicewillautomaticallystarttheexhaustfantoexcludeairpollution,andstartairnegativeiongeneratorandairpurification.Thesystemissimpleandsuitableforairqualitydetectionandpurificationinsmallspace,sothatwecanworkinagoodenvironment,learning,rest,entertainment.

KeyWords：

Environmentalpollution；Singlechipmicrocomputer；Aircleaner；Negativeiongenerator

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。

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

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

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2-2QS-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

3.1.1STC12C5A60S2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。

3.1.2STC12C5A60S2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。

图3-1STC12C5A60S2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

3.2QS-01空气质量传感器

3.2.1QS-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。

3.2.2QS-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

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。

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，μPD6121G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。

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（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）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：

图3-10LCD602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

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: