基于MSP430单片机的空调过滤网粉尘自动监测系统

张加宏，曹 骏，管 靓，陈子煊

（1. 南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044;2. 南京信息工程大学 大气科学学院，江苏 南京 210044）

随着全球气候的不断变化以及各种极端气候的频繁出现，空调已经成为人们日常生活中必不可少的家用电器。然而在经常使用的空调内部的过滤网上会聚集大量的灰尘、细菌和霉菌[1]，既不利于通风而影响制热或制冷效果，更不利于人体的健康。中国疾病控制中心资料显示，空调如果污染严重会引发亚健康状态和多种疾病。但这一问题并没有引起人们的足够重视，很多人无经常清洗过滤网的习惯。国内外也缺少能对空调内部过滤网上携带了大量细菌和霉菌的粉尘进行自动检测并提示用户及时清洗的新型空调或监测系统。本文设计的基于MSP430单片机的低功耗空调内部粉尘自动监测系统，可以实时有效地监测过滤网上粉尘的情况，并做到对其的智能化管理——可自行设置粉尘量值的闸值，有越界语音提示警报和强制关闭空调的功能，可用于挂机、柜机、窗机等各式空调，具有很强的实用价值。

1 系统设计和工作原理

图1 系统框图Fig. 1 Block diagram of the system

如图1所示，本系统由空调过滤网监测模块和中心接收处理模块两部分组成，均以低功耗MSP430F149单片机为主控。基于光电转换原理[2]，监测模块利用HOA2498-003反射式红外光电传感器对空调过滤网上的粉尘进行精确检测，并将获取的微弱电流信号通过精密电阻转换成电压信号后，再传送给低噪声低功耗模数转换器AD7794。中心接收处理模块通过触摸液晶屏输入设置阈值并显示实时测量结果，当检测的电压值（对应于粉尘的量级）小于空调需要清洗的阈值时，控制继电器开关一直闭合，空调系统处于工作状态。一旦粉尘较多，电压值将变得较大，超过阈值后，蜂鸣警和二极管声光报警。若在一定时间内，检测的电压值持续高于设置的空调需要清洗的闸值，则控制继电器切断供电，空调停止工作，达到强制用户对空调过滤网上的粉尘进行清洗的功能。

2 硬件设计

2.1 MSP430简介

主控芯片选用TI公司的MSP430F149单片机[3]。该芯片是一种16位系列单片机，在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。其工作电压在1.8～3.6 V之间，正常工作时功耗可控制在200 μA左右，而低功耗时可实现2 μA甚至0.1μA。同时，该芯片在8 MHz晶体下运算能力达到8 MIPS，唤醒时间也很短，只需6μs。选用这款单片机，不仅可以实现系统控制功能，还可使单片机进入低功耗模式，有效地减少系统功耗，节约电能，延长使用时间。

2.2 基于HOA2498光电传感器的粉尘检测模块

鉴于系统目标功能的实现，本系统采用反射式红外光电传感器[4]HOA2498-003。该传感器具有以下优势：1)采用的聚焦方式，聚焦的玻璃透镜能实现最大响应。2)工作温度范围宽，不用担心空调温度过高或过低。3)采用金属封装元件，耐用性旧。4)安装简单，节省空间，不受被检物的形状、颜色和材质影响。

图2 红外光电传感器测量电路图Fig. 2 Measurement circuit of Infrared photoelectric sensor

粉尘检测模块测量电路如图2所示，HOA2498光电传感器通过ADI公司生产的AD7794与MSP430单片机相连，HOA2498自带一个红外发射二极管和一个光接收复合管。本系统通过P2.0利用MSP430单片机发出脉冲电压来驱动发射管间隔发光，经过过滤网上面的灰尘反射后被复合管接收转换为电流信号，再经过精密电阻R4转换成电压信号送给AD7794进行模数转换，然后将发光前后的转换的数值均送给单片机做差分处理，可以消除环境背景光的影响。值得注意的是，24位Σ-Δ型模数转换器AD7794的噪声只有40 nV，功耗电流仅400μA，特别适合要求低功耗和高精度测量的应用[5]。同时AD7794片上还有低噪声的仪用放大器，这意味着幅度比较小的信号可以直接输入到AD7794。利用上述测量电路可以精确地检测过滤网上的灰尘的附着量以及变化情况。

2.3 中心接收处理模块

触摸屏液晶输入和显示模块：本设计采用带触摸屏的串行接口中文图形点阵TFT液晶显示模块RTSI056B03。在实时显示测量的电压值和表征粉尘量级参数的同时，利用该LCD触摸屏，用户可以自行设置空调需要清洗时的阈值。

声光报警模块：本系统报警采用蜂鸣器鸣叫和二极管发光实现。如果粉尘的量级超过了之前规定的阈值。蜂鸣器发出警报，同时通过单片机驱动发光二极管发光报警，让人们及时清理灰尘。

开关控制模块：电源通过继电器常开一端接入空调系统，正常情况下，电源供电，空调工作。如图3所示，当声光报警发生，而且单片机检测的A/D电压值持续高于闸值10分钟后，单片机给继电器送入低电平，使继电器跳转，常开一端断开，电源断开，停止给空调系统供电，空调不工作。

图3 继电器开关控制电路Fig. 3 Control circuit of relay switch

时钟模块：使用时钟模块记录时间，以方便用户能较为准确的把握清理粉尘的频率。本设计采用DS1302时钟芯片，可以选择对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时。

RS232串口模块：采用电平转换芯片MAX232实现TTL逻辑电平和RS232电平之间的相互转换。电平转换之后，串行信号TXD、RXD与串口连接在一起，实现单片机与PC机之间的通信。

3 软件设计

3.1 软件流程

主流程如图4所示，当空调开机后，单片机被唤醒，过滤网粉尘监测系统初始化，此时可通过触摸屏设置阈值。然后AD7794每隔一定时间对HOA光电传感器传感器测量的过滤网粉尘数据采样一次。中心接收模块接收采集数据，经处理后，液晶屏显示粉尘量级，并判断采集数据是否超过设阈值，若超过，驱动蜂鸣警和二极管进行声光报警。计数定时，等待10分钟，用户如果没有采取措施，则控制继电器跳转，切断电源，强制关闭空调。

3.2 智能化低功耗设计

图4 空调过滤网粉尘监测系统主流程图Fig. 4 Main flow of air filter dust monitoring system

由于粉尘的积累需要一定的时间，因此没有必要时刻对空调过滤网进行粉尘测试。本系统中，为了节约电能，除了必要的设备初始化以外，其余程序（触摸屏触发、定时器、A/D转换）均在中断中完成。当空调开机时，MSP430单片机被唤醒启动监测系统进行粉尘检测，其余大部分时间单片机处于LPM1低功耗模式中，只有中断被触发时，才被唤醒，这一设计方案大大降低了系统功耗[6]。当空调关闭后，单片机进入待机状态，就进一步降低了系统的功耗。

4 实际应用结果

监测系统经过软硬件调试成功之后，采用波浪型和平坦型两种不同的过滤网测试样品做试验，如图5和图6所示，空调过滤网是细密的网状结构，上面附着了不同浓度的粉尘。具体的测试数据如表1所示。

图5 附着不同浓度粉尘的波浪型过滤网测试样品Fig. 5 Wavelike filter test samples attached to different dust concentrations

图6 附着不同浓度粉尘的平坦型过滤网测试样品Fig. 6 Flat-type filter test samples attached to different dust concentrations

从表1的实验结果可以看出，对于不同的测试样品，反射光信号经光电转换后的电压值也不同，所以可将空调过滤网上的粉尘的浓度和电压值建立起对应的分段关系，并加以定级，提示用户需不需要清洗过滤网。结合图5和图6，不难发现粉尘浓度越大，测得的电压差分值越大。如图5（c）和图6（b）所示，附着的粉尘浓度很大，可将它们对应的电压值设置为阈值。一旦测量的电压值达到阈值，声光报警10 min后，如果用户不做处理，自动关闭空调，强制用户对过滤网进行清洗。

表1 不同测试条件下的实验数据Tab.1 The experimental data under different test conditions

5 结束语

针对国内外空调没有能对其内部过滤网粉尘自动检测的缺点，设计并实现了基于MSP430单片机的低功耗高精度空调过滤网粉尘自动监测系统。该监测系统在空调开机后被唤醒，可以实时显示粉尘量级，并做到对其智能化管理——可自行设置粉尘量值的闸值，有越界语音提示警报和强制关闭空调的功能，从而使用户全面、直观地了解空调内部过滤网的污染状况，及时对过滤网做好清洁工作。经过实际测试，该空调过滤网粉尘自动监测系统功耗低，实用性强，具有很大的推广价值。

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