基于ATmega128的多功能空气净化器控制系统设计

杨 乾，董玉德，陈光超

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥230006）

0 引 言

随着城镇化的进展，越来越多的人生活在隔绝自然通风、相对封闭的人工环境中，而具有多样性、累加性等特点的室内空气污染越来越严重，每年引起死亡人数多达11.1万 .改善IAQ 室内空气品质）的措施当中，室内空气净化器是一种行之有效的方法［2］.

空气净化器对室内空气中的粉尘、香烟烟雾等固态污染物及醛类、苯类等气态污染物有一定的去除能力［3］，是集合嵌入式技术、电子技术、传感技术和净化技术的家用电器.从20世纪开始，对空气净化技术的研发得到了极大重视，出现了如HEPA高效过滤、光触媒催化分解等新的空气净化技术，新一代的空气净化器可净化对象增多，既可以过滤灰尘等颗粒物，还可以有效地分解气态污染物，具有明显的杀菌效果.全球知名的空气净化器生产厂商多集中于北美、欧洲和日本，如美国霍尼韦尔、日本松下、夏普等，其产品多使用数种净化技术及传感技术，占据着国内大部分市场.国内对空气净化器的研究较晚，在技术上与国外有着较大的差距，产品多存在功能单一、净化效果不理想等问题，因此研发一种技术先进、功能全面、净化效率高的空气净化器极有必要.

实现空气净化器的净化功能及其他附属功能，净化器控制系统是不可或缺的要素之一.本文所设计的空气净化器控制系统以高速8位ATmega128微控制器为控制芯片，以气体传感器、PM 2.5传感器、温湿度传感器构成空气质量检测模块，以此为核心的空气净化器可应用于家庭环境、办公环境及实验室，能够有效地检测及提高室内空气品质.

1 控制系统总体设计

本控制系统用于空气净化器，主要实现对室内空气中VOCs、PM2.5的分解、过滤，选用的净化技术有：活性炭吸附技术、HEPA高效过滤技术和光触媒催化分解技术，实际应用中使用活性炭滤芯、HEPA滤芯及纳米TiO2光催化杀菌网，其中光催化杀菌网需要紫外灯配合使用.附属功能包括室内空气质量监测、人机交互及热释电红外检测等.多功能空气净化器控制系统的功能如图1所示.

图1 多功能空气净化器控制系统功能Fig.1 The functions of the control system of multi－functional air cleaners

2 控制系统硬件设计

根据系统总体设计，控制系统选用TGS2600气体传感器、PM 2.5传感器DN7C3JA001和QM1H0P0073温湿度传感器对室内空气质量参数（PM 2.5、VOCs、温湿度）进行采集，自动模式下，根据PM 2.5和VOCs浓度自动调节风机转速.选用LHi878热释电红外传感器检测人体移动红外信号.通过CY8CMBR3116触摸屏控制器实现触摸按键功能，使用BC7210红外解码芯片解码红外信号，通过LCD12864实现显示功能.电源电路将220V AC转换为12V DC，为控制系统供电.驱动电路驱动8W 185/254nm紫外灯［4］及后倾式外转子离心风机.控制系统硬件设计如图2所示.

TGS2600的传感元件为气敏电阻，可检测某些气体污染物，如烷类、CO、H2S，本设计用其检测室内VOCs含量.TGS2600以Sn O2厚膜气敏元件为核心，工作原理基于接触粒界势垒理论，内置加热器，以加速气体的吸、脱过程，为此设计以55L104G场效应管为核心的加热电路［5］，实现传感器的间接加热.TGS2600突出的优点是其寿命为半永久性，其灵敏度特性随时间的增长和四季的变化在一个较小的范围内波动［6］，所以在精度要求不严苛的情况下可不必考虑传感器的校准，为保证传感器的精度要求，设计可通过TGS2600数据采集电路中的电位器对传感器的灵敏度进行微调.

TGS2600传感器反映VOCs浓度的是传感器电阻，传感器阻值和VOCs浓度之间的关系在一定范围内可由下面的气体浓度方程表示［7］

式中，Rs为传感器电阻，A为常数，C为VOCs气体浓度，α为Rs曲线的斜率.

DN7C3JA001用来测定室内空气的PM2.5值，检测时间仅为10s，与以往的PM2.5检测器相比，该传感器将分流器和利用LED的高精度传感器结合并小型化，其检测数据与传统高精度传感器检测数据的重合度较好，抗干扰能力强，检测精度高，具有基本免维护、成本低廉等优点［8］.图3所示为DN7C3JA001的外部控制和信号接入电路.单片机需提供传感器周期为10ms、高脉冲宽度为0.32ms的采样脉冲；传感器输出信号为不规则的电压信号，电压峰值出现在采样脉冲出现高脉冲后的0.28ms，此时进行采样.

QM1 H0P0073的检测范围宽，通过I2C通信方式直接输出补偿后的温度、湿度数字信息，用户不需要对输出数据进行补偿，即可得到准确的温湿度信息，其外围电路较简单，只需要两个电容.该传感器应答MCU后，通过I2C发送给MCU的字节中，前两个字节是湿度数据，后两个字节是温度数据，得到的数据要经过一定的转换才能得到实际的温湿度值，其转换公式如下：

式中，RH为相对湿度值，%；HD［13∶0］为存放湿度数据的字节；T为摄氏温度值，℃；TD［13∶0］为存放温度数据的字节.

图2 多功能空气净化器控制系统硬件设计Fig.2 The hardware design of the control system of multi－functional air cleaners

图3 DN7C3JA001外部电路连接图Fig.3 The external connection circuit of DN7C3JA001

LHi878捕捉到移动的红外源（如走动中的人体）时，将其转变为电压信号，与红外热释电处理芯片BISS0001构成被动式热释电红外开关［8－9］.图4为热释电红外开关电路，内置3.3V电源，选用SGM2019－3.3（YJ33）电源芯片.BISS0001检出有效触发信号后启动延迟定时器，导通三极管Q7.光敏电阻U7检测环境照度，R28可调节BISS0001内部放大器的增益，输出延迟时间由R35和R27调整，触发封锁时间由R33、R51和C23调整.

基于CapSense触摸感应技术开发的触摸按键电路，根据电容感应的原理和松弛振荡器的技术实现触摸感应，具有外围元件少，单个按键的灵敏度可调整，一个芯片可同时实施多个触摸式按键等优点［10］，因此触摸按键单元设计简单，灵敏度高，集成为一块电路板与控制电路相连.触摸按键模块与MCU的通讯也是通过I2C.

风机驱动是利用MCU输出的低电平导通信号来实的，输出脉冲的“占空比”越大，电机端电压越小，转速越小［11］.电机驱动电路中使用光电耦合器MOC3023接收单片机的控制指令，通过控制双向可控硅的导通与截止控制风机，既实现小电平控制高电压，又起到隔离干扰的作用.紫外灯驱动原理跟电机相似.

图4 热释电红外开关电路Fig.4 The circuit of pyroelectric infrared switch

3 控制系统软件设计

3.1 系统工作流程

系统上电后等待电源打开，电源打开后进行相关初始化和读取EEPROM中的参数数值后，对室内空气质量数据进行采集，采集换算后的结果在LCD上显示，自动模式下根据室内空气质量采集值运算得到风机运行状态.用户可通过触摸按键或红外遥控决定控制系统工作状态.通过红外人体检测中断程序检测室内人员活动，有人员活动时对风机进行提速，一段时间后恢复原速度.当按下关机键后，将工作状态各参数存储进EEPROM中，然后进行关机操作.

控制系统设定了紫外灯及滤芯使用到期报警提示功能，将紫外灯及滤芯的使用时间保存在EEPROM中，以避免数据在关机下的缺失，在CVAVR编译器中其设置及写入程序如下：

同时本程序提供设置功能，不仅可以设置紫外灯及滤芯使用期限，还可以设置显示语言及PM2.5传感器的基准值，同样保存在EEPROM中.

3.2 传感器采集程序

以PM2.5传感器采集程序为例，DN7C3JA001的检测时间为10s左右，为保证检测数据的准确性和稳定性，本程序选用20s的检测时间，在20s内取100次采样值再取其平均值.为了传感器的正常工作，开辟了一个定时器0，没有预分频，频率为16MHz，则定时时间为（256－6）/16M＝15.625μs.

在定时器0溢出中断程序中使用了两个累加变量count1和count 2，实现20s内取100次采样值且需满足采样时间的要求，将100次的采样值存入数组PM25［100］中.PM2.5数据处理程序中首先对100次的采样值取平均值PM25Value，然后与PM2.5基准值VS－PM25比较，避免异常值，最后经过计算得到PM2.5值，换算部分程序如下：

随着使用时间的增加，DN7C3JA001的检测数据会有小范围内的误差，可通过重置PM2.5基准值VS－PM25来校准传感器，PM2.5基准值可在洁净空气中使用官方提供的PM2.5传感器校准板测量而得到.

3.3 人机交互界面程序设计

人机交互主要通过屏幕显示及按键触摸来实现，系统界面的构成主要分为两部分：工作界面与设置界面，主要运用LCD12864的字库显示功能.无人工操作时显示工作界面，主要显示空气质量参数及风速，当人机交互时进入设置界面，可设置模式、定时等.另外本设计还提供工厂界面，可在工厂界面上选择显示语言及设置PM2.5基准值.

4 净化效果实验分析

为验证净化器的净化效果，在30m3环境舱中进行VOCs和PM2.5的净化实验，舱内温度要求保持在22℃～28℃，相对湿度保持在40%～60%［12］.实验通过LONGSTON CLH－2000 PM2.5粉尘监测仪、博华康生TVOC检测仪检测VOCS、PM2.5的浓度变化，并对净化效果进行评价.

分别向净化后的环境舱内释放VOCs和PM2.5污染物，污染物混合均匀后，测定污染物初始质量浓度，VOCs的初始质量浓度要确保在4.8mg/m3～7.2mg/m3范围内，PM2.5的初始浓度要控制粒径≥0.3μm的颗粒物浓度为2 000 000个/L左右.将净化器置于环境舱内，选择自动模式，相隔固定的时间测定污染物浓度若干次.同样条件下，不开启净化器，以相同方法测定污染物的自然衰减［13］.实验结果如图5所示.

图5 净化效果实验结果Fig.5 The experimental results of purification effect

根据国家标准《GB/T18801—2008空气净化器》中提供的计算方法，由图5中数据计算得，本净化器对VOCs污染物的洁净空气量CADR为56.4m3/h，净化效能η＝1.03m3/（h×W）；对PM2.5的CADR为121.68m3/h，η＝2.22m3/（h×W）.根据净化效能分级标准，本净化器对 VOCs、PM2.5的净化效能等级均为A.

5 结束语

本文设计实现了基于ATmega128的多功能空气净化器控制系统，从总体设计出发，设计了相应的硬软件，实现了对VOCs、PM2.5等室内空气质量参数的监测，并可以根据上述的变化自动调整系统工作状态.通过实验表明该系统运行稳定，在多种净化方式的配合下，可有效地净化VOCs和PM2.5.

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