基于单片机的车载空气净化器控制系统设计

孔令猛，闫永泽，李 昊

（辽宁科技大学电子与信息工程学院，辽宁鞍山，114000）

0 引言

随着我国汽车家庭普及率的上升，汽车内尘屑、挥发性有机物以及汽车空调运行从进风口进入的大气污染物对人体影响问题被重视起来。而且汽车内相对封闭，会导致小区域内废气量过高，供氧不足，容易引发驾驶员注意力不能集中、疲倦等现象。长期处于这种环境下，会对人体产生健康威胁。现有的车载空气净化器多为滤网式家用净化器演变而来，这种净化器通常小巧，摆放于车内。这种净化器虽然能有效净化细菌、灰尘等有害物质，但因为体型小巧，所以产品功能少、净化效率低[1]。

本设计以STC15W401AS单片机为核心，结合温湿度传感器、臭氧净化器、静电除尘器、负离子净化器和加湿装置，设计了车载空气净化器。

1 控制系统硬件设计

硬件部分采用模块设计，采用继电器控制各模块的开启与关闭。系统的结构图如图1所示。

图1 车载空气净化器系统结构图

该系统采用STC15W401AS单片机，该单片机采用8051内核，它具有2K字节的存储空间，拥有两个独立的串口，拥有高速10位转换器，8通道，高速、可靠[2]。该单片机属于1T单片机，比传统12T单片机快8到12倍。采用该处理器满足低成本、速度快、可靠性好的要求。

1.1 电源转化模块

由于STC15W401AS单片机的额定工作电压为3.3V，同时继电器需要5V直流电供电。因此，电源转化模块采用了LM2576，将汽车直流12V电压经LM2576转化为3.3V和5V直流电，经过滤波后分别提供给单片机和继电器使用，如图2所示。

图2 电源模块图

LM2576是常用的稳压芯片，其最大电流可达3A，完全能够推动继电器工作。LM2576能制作出高可靠性的单片机电源[3]。因此通过采用3.3V和5V两个型号的稳压芯片，满足系统的供电需求。

1.2 温湿度传感器模块

DHT11是一款较常用温湿度检测模块，DHT11在内部集成了控制和校准电路，外部不需要其他任何元件。与此同时，DHT11在精确的湿度校验室进行过校准，在使用中不需要进行校准工作，简化了制作车载空气净化器的使用过程[4]。由此可见DHT11具有非常好的稳定性和可靠性，非常适合此控制系统使用。

图3 DHT11应用电路

DHT11中的DATA脚作为串行总线与单片机通信，为了解决单片机引脚的驱动能力不足的问题，采用4.7k上拉电阻作为补偿，如图3所示。

1.3 继电器驱动模块

继电器经SN7404N与单片机的I/O输出相连接，单片机输出指令控制继电器的开合进而控制各个工作模块的开启与关闭。SN7404N的设置起着隔离作用，能够有效保护单片机，防止芯片被意外烧毁。

2 控制系统软件设计

为了实现对车内空气的更新、净化和除尘的效果，就要让主程序实现换气、臭氧杀菌、负离子和静电除尘循环工作。并且为了满足车内舒适感，需要满足车内人员的自由设置，比如送风的风速、湿度。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

空气净化器开机后，等待选择自动模式或手动模式。若选择自动模式后，机器等待人工输入参数，如风速、湿度和温度等要求。等待参数载入后，净化器依据温湿度传感器DHT11采集的数据为依据完成加湿等工作。在进行换气工作时，通过臭氧杀菌模块和静电除尘模块，保证进入车内空气洁净清新。之后在车内空气小循环的过程中，持续执行除尘净化的功能。完成整个工作状态后，对参数进行检查对比，如果参数无更新代表着净化器完成了一开始的预先设置，可以结束整个程序。参数若更新，将重新载入参数，继续执行换气、净化等功能。

如果选择手动模式，那么机器等待使用者的设定，如送风的大小、加湿等的程度，直到使用者关闭，一直维持设定状态。

3 总结

该车载空气净化器的系统控制设计基于STC15W401AS系列单片机，有着工作稳定、成本低廉的优势。通过多模块配合工作，能够实现对车内空气的更新、净化、除尘、杀菌和加湿功能，有着功能强大的优点，能为车内提供了一个良好的环境。另外，该系统设计人性化，参数由使用者设定，风速、温湿度都可调。有着手动和自动模式可供选择，供使用者自行调节。如果选用自动模式，能够自动完成对车内空气及进入车内的空气进行净化，不但能够减少室外污染气体、细菌等进入车内，还可以实现车内自循环、车内净化。这是多数车载空气净化器所不拥有的功能。

该系统通过模块化设计，可以通过增加模块实现更多功能。例如，增加独立电源后可以在汽车熄火后继续工作，通过换气防止夏季汽车车内气温过高引发的火灾问题等。