基于单片机的电梯空气净化控制系统设计*

吴建平

（四川信息职业技术学院，四川 广元 628040）

随着城市化的不断发展，高楼大厦越来越多，电梯安装和使用越来越普及，电梯的乘员环境对人们的出行有着重要的影响。因此，在电梯轿厢内安装空气净化系统，为人们提供一个安全、健康、舒适的乘员环境十分重要。

1 电梯空气净化控制系统总体结构

该电梯空气净化系统控制器选用51系列单片机作为控制器，Flash程序存储器字节4 kb，RAM数据存储器字节512 kb，该系列单片机具备了价格低、兼容性强、功耗低、抗干扰性强、可靠性高、运算速度快等性能特点。电梯轿厢的主要污染物有两大类，一类是以甲醛为代表的气体污染物，另外一类是以PM2.5为主的颗粒污染物，这两类污染物均对人体健康有着直接的损害，对人们的日常出行带来困扰或者身体上的危害[1]。电梯空气净化系统需对影响其轿厢环境的空气质量因素进行净化处理，电梯空气净化系统的总体功能流程如图1所示。系统启动后，单片机主要通过传感器模块检测轿厢进风口与轿厢内的空气质量数据，经模数转化及单片机信号处理后，LED显示屏显示当前空气污染物的数据值，并判断空气质量等级及是否执行蜂鸣器报警。同时，等级指示灯按照当前空气污染物的数据值显示绿、黄、红相对应的优、良、差三种空气质量等级状态，负离子发生器、紫外灯、循环风机在不同的空气质量等级下执行对应的净化功能，即完成了整个净化过程[2]。

图1 电梯空气净化系统净化总体功能流程图

要实现图1所示的净化过程，电梯空气净化系统需具备按键启停、按键设定、空气质量检测、空气质量数据显示及等级判断、电梯轿厢污染物净化处理、报警等功能。要实现这些功能，需设计对应的空气处理措施及控制结构，电梯空气净化系统总体控制结构如图2所示。

图2 电梯空气净化系统总体控制结构图

由图2可知，电梯空气净化系统由电源电路、单片机控制器件、滤芯层为主要部分构成系统的总体结构，电源电路接入外部电压，经变压器的作用，在内部电源芯片的电压转化下，为紫外灯、负离子发生器、风机驱动电机三个执行装置提供110 V电压，为单片机、传感器模块、等级指示灯、LED显示屏、蜂鸣器等相关器件提供所需要的5 V电压；滤芯层由多层滤芯组成，在循环风机的作用下，可加快轿厢换气，实现轿厢内的空气净化处理；单片机作为控制器，需要进行按键、LED显示、传感器数据信号、执行装置等相关器件的中枢信号控制处理[3]。按键控制包括初始化启停控制与空气污染物的报警数据限定值设置，LED可实时显示当前空气质量等级及污染物的检测数值，传感器模块由2个传感器组成，气体传感器检测甲醛为代表的气体污染物，PM2.5传感器检测粉尘、细菌、地下车库汽车尾气为代表的颗粒污染物，执行装置由电机、负离子、紫外灯三部分组成，控制电机的转速实现风机在不同空气质量等级下的变速、负离子发生器与紫外灯管的开闭，这三部分主要用于轿厢内空气的净化[4]。单片机控制报警装置执行空气质量数据超过一定限值后，报警器会发生报警，这些器件共同构成了单片机I/O输入与输出端、辅助器件与电路设施，组成了电梯空气净化控制系统的总体控制结构。

2 电梯空气净化控制系统硬件设计

电梯空气净化控制系统主要由传感器模块、空气净化执行装置、LED显示屏、附件器件、通信电路、按键启停与设置电路、空气净化执行控制电路、蜂鸣器报警电路、等级指示电路等器件与电路设施组成硬件结构，电源连接交流220 V的外部供电电源，经变压器降压得到110 V的电压后，为紫外灯、负离子发生器、电机等三部分提供电压，110 V电压再次变压后得到12 V电压，经整流电路后提供5 V电压，为单片机、等级指示灯、气体传感器、PM2.5传感器、LED显示屏、蜂鸣器等器件提供电压源[5-6]。电梯空气净化控制系统硬件组成如图3所示。

图3 电梯空气净化控制系统硬件组成结构图

由图3可知，该电梯空气净化控制系统硬件系统包含了单片机、传感器、按键、LED显示屏、紫外灯、负离子发生器、循环风机等相关器件，气体传感器与PM2.5传感器构成了电梯空气净化控制系统的空气质量检测单元，可实时进行空气质量监测；紫外灯、负离子发生器、循环风机等三部分构成了空气净化执行装置，空气质量检测单元和空气净化执行装置这两大部分构成了系统的核心器件[7]。空气净化控制系统的控制电路包括灯管驱动电路、负离子驱动电路、循环风机驱动电路、通信端口电路、电源电路等，控制电路通过气体传感器与PM2.5传感器在单片机控制程序的作用下采集信号，经模数转换器转换成数字信号，从而采集数据。单片机根据采集的数字信号在一定的逻辑运算下进行数据运行处理，灯管驱动电路、负离子驱动电路、电机驱动电路根据空气质量等级执行相应净化过程，与其他器件在电路的导向下，形成了具有规范性、功能导向的控制逻辑关系，共同组成了电梯空气净化控制系统[8]。

电梯空气净化系统电源电路结构如图4所示，电源电路主要由交流220 V提供，经过两次变压及LM7805电源芯片的降压转化成110 V交流电及5 V直流电两大供电电源，其中110 V交流电主要为紫外灯、负离子发生器、驱动电机三个执行装置提供电压，5 V直流电主要为单片机、气体传感器、PM2.5传感器、LED显示屏、等级指示灯等相关器件提供电压。

图4 电梯空气净化系统电源电路结构图

3 电梯空气净化控制系统软件设计

电梯空气净化控制系统软件设计时，可根据模块化方式分析系统的各功能模块程序，其功能模块程序包括传感器数据采集程序、风机控制程序、紫外灯管驱动程序、负离子驱动程序、LED显示程序等，这些功能模块程序在组合之下即构成了整个系统的运行程序，其总体模块控制程序如图5所示。

图5 电梯空气净化控制系统总体模块程序结构图

由图5电梯空气净化系统的主要模块程序可知，单片机是所有器件的信号处理中心，系统空气净化的主要执行控制程序包括风机控制程序、负离子控制程序、紫外灯控制程序三部分。其他部分包括了初始化程序、按键启停与设置控制程序、传感器数据处理程序、报警控制程序及附件程序等。每个模块控制程序都是按照一定的控制逻辑关系进行交互的，如传感器模板采集的数据超过一定限值后，电梯空气净化系统才能通过单片机控制紫外灯管、负离子发生器、循环风机三种驱动装置执行净化处理流程[9]，同时LED显示、等级指示灯、蜂鸣器报警也会相应根据数据信号做出对应的变化。

电梯空气净化系统的控制系统主程序控制流程如图6所示。该系统接上电源后，启动按键，各器件按照初始化程序进行运行启动，初始化运行确保各器件均能正常工作后，气体传感器与PM2.5传感器即开始工作，并将所采集的信息上传至单片机处理后，LED显示屏可实时显示当前空气污染物的数值，若数据判断超过设定的污染数值，执行装置即开始工作，进行电梯轿厢空气净化处理。由于电梯轿厢在三个位置存在污染物的进入，分别是顶部进风口、人员与物品的携带源、门的开闭，这三个位置均可能进入污染物，所采用的传感器需双通道传感器，顶部进风口与轿厢内的空气质量均需进行实时检测，若出现数据异常，执行装置可马上启动运行，净化轿厢内与进风口处的污染物，为乘客提供一个健康、舒适、安全的乘员环境[10]。

图6 电梯空气净化控制系统主程序流程图

由图6电梯空气净化系统控制主流程图可知，该系统启动初始化后，系统即形成了一个闭环的监测与污染物的处理流程，实现了智能化控制，实时监测进风口与轿厢内的空气指数，空气指数超过设定值后，执行装置则开始净化处理，实现了智能化监测、多种污染物自动处理的运行过程。

4 小结

课题组设计了一种电梯轿厢箱体式空气净化控制系统设计，采用单片机作为控制器，该系统包括电源模块、传感器模块，LED显示模板、负离子发生器、紫外灯、循环风机及附件等相关器件，具备紫外灯杀毒、负离子吸附净化、风机循环等空气净化技术，可实现实时监测与数据处理，自动净化轿顶进风口与轿厢内的空气，实现了智能化的控制过程。同时，根据电梯轿厢箱体式空气净化系统的功能定义，搭建了电梯空气净化控制系统的总体框架设计，对电梯空气净化系统的研发有一定的参考作用。