室内空气质量净化器的设计
时间：2022-11-05 来源：博通范文网 本文已影响 人 
摘要：室内空气中的微粒、细菌、病毒和其它有害物质日积月累地损害着人们的身体健康。随着生活水平的提高，越来越多的人对室内环境状况提出了更高的要求，室内空气净化技术成为了环保领域的一个新的课题。本设计针对室内环境的技术指标需求，研究并设计出一种新型的、利用紫外线杀菌消毒的空气净化器控制系统。
关键词：空气净化；LM3S1F16；Cortex-M3
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）05-1202-02
室内环境泛指人们生活、劳动以及其他相对封闭的公共场所等。人的一生大约有80%～90%的时间是在室内度过的，因此室内空气质量的好坏对人们的身体健康明显高于室外环境。目前，改善室内空气质量的现行方法分为三种：源控制、通风和空气净化。源控制是改善空气质量最明显的方式，通风可减少室内污染物的浓度，空气净化是用来控制粒状物质、气体污染物，净化除尘系统具有着不可比拟的有效性和可靠性。空气净化器主要包括机械过滤吸附式、静电式、负离子式、紫外光式等。本设计中的净化器能够检测室内空气污染物的种类和浓度，实现紫外光线菌与通风功能的新型空气净化器，对室内空气净化技术的研究具有积极的意义。
1 系统结构
本室内空气净化器从人居舒适度角度，对室内空气中的CO，CO2，H2S，O2，氨气以及甲醛等有毒有害气体信息实时采集，利用红外线热释电传感器监测测室内人群的移动，利用紫外线的照射破坏致病体的DNA结构达到消毒灭菌的作用。当空气中的有害气体浓度高于标准值时自动启动换气装置，加快室内外空气流动，改善室内空气质量质量。
本空气净化系统包含有对室内温度、湿度等环境信息数据的采集，数据处理在采用具有Cortex-M3内核的ARM芯片LM3S1F16上进行，数据处理结果反映在显示屏上，在测量数据超出已设定的标准时，系统根据不同的情况对室内空气进行相应的换气和紫外杀菌杀毒。本系统的硬件部分主要由热释电红外检测模块、气体传感器阵列、信号调理电路、MCU对采集的数据进行分析和处理、显示模块、报警系统、紫外线杀毒和换气系统等组成。其主要功能模块如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 微制器选择
目前微处理器种类繁多， Cortex-M3内核系列是基于ARMv7架构，Thumb-2指令集结合非对齐数据存储和原子位处理等特性，轻易8位、16位器件所需的存储空间就实现了32位性能。LM3S1F16作为使用Cortex-M3为内核的其中一款产品，内含8个具有12位的ADC，2个标准和快速I2C ，3个UARTs ，CPU时钟达到80MHz，包含单周期384KB的FlashROM和48KB的SRAM，ROM中还包含StellarisWare®。在功耗方面包含了睡眠模式和深度睡眠模式，其目标是包含为工业应用，包括测试、测量设备、家庭和商业监测和控制、运动控制。综上，选择LM3S1F16作为本设计中的微控制器。
2.2 传感器阵列设计
所设计的空气净化器需能识别多种气体，因此系统中需要包含了大量的气敏传感器。
日本FIGARO公司生产的TGS系列气体传感器属属N型半导体类气体传感器，使用简单的电路即可将电阻的输出变换变换为相应气体的浓度输出信号。TGS2602是一款探测空气污染的传感器，可以探测很低浓度的H2S和氨气，也可以探测低浓度VOC。TGS2620对有机气体、挥发性气体和可燃性气体有较高的灵敏度，可用于CO的检测。
TGS4161是基于固态电解质检测原理的CO2传感器，具有低功耗、长寿命的优点，在测量范围内具有良好的线性度，并且具有较好的抗湿度性。
甲醛的检测传感器系统选择的是MQ138，其适宜醇类、醛类、芳族和酮类等有机溶剂的探测，具有寿命长、稳定性好和较高的灵敏度等特点。
氧气含量也是衡量室内空气质量的主要指标。根据系统设计需要选用英国的Alphasense公司研制O2-A2氧气传感器。其测量范围0～30%，输出为80～120μA的电流信号，使用电压并联负反馈对信号进行转换和放大后送入A/D转换器。
环境的温湿度是人体对环境舒适度的重要需求，环境的温度和湿度是影响传感器测量的重要环境因素。本系统中选用了SHT11温湿度传感器模块，其内部将温湿度传感器、信号放大和调理电路、A/D、I2C等接口电路集成，输出分辨率可调，具有良好的稳定性。
人体检测电路是由热释红外传感器P2288-02来实现，信号处理电路采用B1S0001作为人体红外信号处理芯片。传感器P2288-02为双元型被动式热释电人体红外传感器，它采用平衡检差方式工作，只感应7.14m波长的活动人体红外辐射线，不会受温度环境及可见光的影响。传感器加装菲涅尔透镜可感应10m以内的人体红外辐射线。人体红外信号处理芯片B1S0001由运放、电压比较器、状态控制器延长时间定时器及封锁时间定时器等构成数模混合专用集成电路，使其具有很高的放大倍数，也能有效抑制负载切换过程中产生的干扰。
优化的传感器阵列平衡了传感器间的交叉敏感特性和选择性，较好的去除冗余和相关，提高了系统的识别能力。
2.3 人机交互硬件结构
ZLG7290按键数码管驱动器是广州周立功单片机发展有线公司针对仪器仪表行业推出的一款驱动芯片，可驱动8位共阴数码管或64个独立LED和64个按键，内置有连击计数器，可控扫描位数并且可控任一键的连击次数，提供键盘中断信号，无需外接元件即可直接驱动LED，该芯片抗干扰能力强，在工业测控中被广泛使用。
声光警示部分采用高亮闪烁放光极管和长音型喇叭，这样微控制器就只需要提供一个电平信号而不需要过多的占用微控制器资源就能分别完成声光警示效果。
2.4 灯管驱动控制电路
本设计中采用Philips的8W紫光灯，额定工作电压为110V，波长范围为254-365nm。对于该紫外光灯管，其控制模块比较简单，由微控制器控制可控硅驱动光耦MOC3023对其实现导通控制。灯管信号反馈电路是将三极管型交流输入NPN输出光电耦合器PS2707接至电抗镇流器引脚两端，而当灯管发生异常，例如灯管灯丝损坏、工作寿命已尽等情况时，PS2707将获取到一个高电平信号送给微处理器，进而提醒用户及时检查设备或更换紫外灯管。
2.5 换气系统
室内空气的污染源来源复杂，种类多。在室内的空气流动性差，导致污染源所散发出的有毒有害气体在室内积累，浓度不断提升。对于室内环境空气质量的调节主要除了及时清除污染源外，通风是较好的改善室内空气质量的方法。本系统中电机在微控制器的控制下带动电机的转动，使室内外空气交换或室内空气循环，调整空气净化器的工作状态与杀菌效果。
本设计中采用的是交流单相异步电动机，对于电机的驱动采用高低电压驱动方法，即不论电动机工作的频率如何，在绕组通电的开始用高压供电，使绕组中的电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。本系统中通过光耦隔离方式，发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管，转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，保护了MCU的端口。
3 系统程序设计
本监测器的主要程序设计主要包含了硬件系统的初始化，包括开机后初始化LM3S1F16，系统显示、警示模块、紫外杀菌系统和通风系统的自检，本过程由人工通过按键指引和判断对系统自检进行确认。系统确认通过后，传感器基本达到热平衡，气体感测系统开始工作。系统先读取当前环境的温湿度情况，气敏传感器实时将数据反馈到微控制器，LM3S1F16驱动片内A/D转换器工作，分别多次读取各传感器的信息并进行转换，转换结果经过软件进行数据平滑滤波并计算，得出单位时间内的各传感器的所主要感应的气体浓度。检测数值即时更新至12864显示器上。检测过程中可以使用按键随时根据需要更改报警限值。红外热释电传感器模块将人体的移动情况实时更新到空气净化器中，继而影响至紫外杀菌器的工作和电机的转速的调整。紫外杀菌器工作时，系统给出工作警示灯，声音警示可通过菜单进行合理的配置。当所测中出现任何气体、温湿度超过所设限值时，打开本地声光报警器，并同时驱动换气系统加速室内空气流动，将污染气体排放至室外。系统主要工作流程如图2所示。
4 小结
室内空气质量的好坏对人们的身体健康明显高于室外环境，其空气质量问题逐渐被人们所关注，本室内空气净化器从人体对室内环境的安全性、舒适性需求，使用传感器对室内空气中有害气体进行检测，使用紫外光对室内
细菌、真菌、病毒等都能有效处理，通过机内的通风机使室内外空气流动，使室内空气得到净化。当空气质量不符合要求时有效启动报警和通风装置，为室内人群提供警示。
本文所研究的室内空气净化器不仅应用家庭与办公等室内净化，对于医疗机构的工作环境也是同样适应，其可以使得医疗机构拥有无菌清洁工作环境。本仪器具有体积小、使用方便、性能价格比高等优点，使得该装置在居家、公共场所都有着很广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 莫洁芳.室内环境空气质量自动监测方法研究[J].科技创新导报，2010.
[2] Stellar is LM3S1F16 Microcontroller Data Sheet[M].http：///，2012.
[3] Stellar is Ware Driver Library User’s Guide[M]. http：///，2011.
[4] 施京毅.基于气体传感器阵列的多气体检测及应用[D].西安：西北工业大学检测技术及自动化装置，2001.
[5] 冯伟.室内空气质量监测器的设计[J].硅谷，2012.
[6] 任俊龙. 基于AVR单片机的空气净化器控制系统的硬件设计与实现[J]. 合肥： 合肥工业大学， 2010.
