基于单片机的负离子空气净化系统设计

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本系统采用了STC89C52为系统的微处理器控制芯片，通过负离子空气净化器实现对室内空气杀菌、去除有害气体、保持空气清新等功能，进而达到提高室内空气质量的目的。系统整体采用了模块化的设计思想，依次对各模块进行了软硬件设计，然后将各模块整合到一起进行总体调试，最后实现净化功能。

本文主要任务是设计出一款基于单片机的微型负离子空气净化器，并采用了模块化思想，此系统主要包括：电源转化模块、数据采集模块、净化模块、显示输出模块与其它外围电路模块。

1、电源转化模块：本系统主要采用的51系列单片机，电源为DC5V，同时由于传感器需DC5V电源，因此，本系统的电源模块，主要由锂电池作为输入电源，通过LM7809、LM7805两个芯片进行稳压，通过滤波获得DC5V、DC5V直流电，以方便提供各个元器件的供电需求；

2、传感器模块：本系统采用MQ-2气敏传感器和PM2.5灰尘传感器，采集室内空气质量信息，通过对MQ-2传感器和PM2.5灰尘传感器的组成、特征分析，通过51单片机的接口电路，将其与单片机相连，将传感器的输入信号进行有效的数据处理，然后控制输出模块的相应功能。

3、风扇控制模块：风扇电机选用了直流电机，由于风扇电机电压需求单片机输出电压较大，因此不能直接采用单片机驱动，由继电器对整个风扇控制模块进行驱动，单片机输出控制命令，控制风扇的通断与转速；

4、负离子发生器模块：该模块能够释放负离子，负离子具有降尘、去异味、杀菌等作用，本文使用负离子发生器是成品，再对系统的接口和电源电路进行设计，通过单片机对其进行控制；

5、液晶显示模块：系统采用LCD12864液晶显示器来显示系统的工作状态等信息，包括了工作状态、气体浓度等，而负离子发生器，LCD12864液晶显示拥有相应的产品说明，所以仅仅需要设计好它与STC89C52的接口电路即可，除此之外都可以运用软件编程来实现；

6、A/D转换模块：将气体传感器传出的信号传输给单片机；

整体设计框图

MQ-2属于MQ系列半导体气敏电阻传感器的一种，它具有对被测气体高敏感度的特点，并能够直接与单片机进行相连，这种传感器所占空间较小，方便我们实现空气净化装置的微型化，外部共有六个引脚，其中四个用于信号取出，两个用于提供加热电流。

本设计选用的另一种传感器是夏普GP2Y1010AUOP型号PM2.5传感器，该传感器可以检测0.8um以上的颗粒物，是目前检测时间最短的检测器件，与以往的检测器相比，该传感器体积小，具有基本免维护、成本低廉的优点。

在风机的配合下，将大气中的灰尘颗粒进行区别，分离器将包含少部分粒子的颗粒过滤出去，被分离出来的颗粒通过PM2.5灰尘传感器的检测部分进行检测。

当传感器工作时，在红外发光管的照射的区域，PM2.5粒子将光子散射到光敏二极管检测区域，引起光敏二极管反向电流的变化，该变化通过放大器的处理，最终在输出端口上输出模拟电压信号，粒子散出的散射光的强度与其质量浓度成正比，所以由输出的模拟电压信号即可求得PM2.5粒子的质量浓度。

空气中浓度与传感器输出模拟电压峰值的关系(3.4)和(3.5)：

其中，为PM2.5的浓度，单位为mg/；为输出电压，为基准电压，单位均为mV。

AD转换电路

选用的是PCF8591转换器，PCF8591包含4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行总线接口。PCF8591上的地址引脚能够实现硬件地址编程，在同一个总线上能够连接8个PCF8591器件，而不需要其它的硬件设施。PCF8591器件上的，例如控制信号、输入输出的地址、数据信号全都可以由串行连接的形式进行传输。PCF8591的最大转化速率由总线决定。

PCF8591的A/D转换器是使用总线的识别方式进行的，然后各自采集上一个数据，当 A/D转换的操作完成的时候，它首先发送一个非应答的信号A，再发送一个结束的信号P来进行提示作用。当上电复位后控制字节状态为00H的时候， A/D转换需要对其它的控制字符进行相应的配置，在这个时候我们需要在读操作进行之前，完成相应控制字符的写操作。

PCF8591的A/D转换电路图

风扇控制电路

首先根据整体的设计方案，我们的空气净化器所占的空间要相对较小，所以体积和低功耗是我们首先要考虑的因素。而我们选择的该直流风机具有控制简单、功耗低、便于安装、价格便宜等特点。风机其各项指标为：额定工作电压为24V，工作电流为0.08A，功率约2W左右。

风扇控制模块电路图

负离子发生器电路

负离子发生器的主要功能是释放负离子，负离子发生器主要是将输入的交流或直流电通过EMI、雷击保护电路进行处理，然后通过脉冲式电路、高低压隔离等方式形成高压交流电，它能够利用此功能的粒子通过滤波的方式从而达到获取直流高压电的目的，当其与金属物质相连接的时候，从而产生了大量的电子，然而电子在空气中的存活时间很短，所以电子很快会被空气中的氧分子氧化，于是便形成了空气负离子。

负离子发生器组成图

主程序设计

系统通电后，第一步要对系统的参数进行初始化，第二步对端口的地址进行配置，读取两个传感器的数据采集信号后，点亮液晶显示器，让它进行工作；然后，单片机判断室内空气质量是否达标，若未达标，那么直接进入到系统的净化模块，开启风扇和负离子发生器，净化室内空气，直至室内的空气质量达标；若达标继续检测数据，如此循环下去，直至系统断电，停止工作。

数据采集程序设计

控制系统选用MQ-2气体传感器，能够检测空气中污染物的浓度，由本文节中的介绍可知，数据采集模块由微处理器端口控制通断，方便我们用来采集 ADC 模拟信号，端口采集到的信号的电压往往会值随着传感器检测到的空气质量变化而变化，因此，我们需要对采样来的信号的电压变化范围和幅度来判断室内的空气质量。在软件设计中定义了 ADC 参数对空气的质量进行一定程度上的判别，然后和PM2.5检测到的气体浓度一起当做净化空气的依据，检测到的结果会在液晶显示屏上显示出来。