空中花園室內(nèi)空氣更新系統(tǒng)的設計與試驗

摘要：為了解決中央空調(diào)長時間工作讓封閉室內(nèi)空氣不能流通，從而給室內(nèi)空氣環(huán)境帶來的空氣質(zhì)量下降問題。本方法提出的概念是基于STC12C65A60S2利用空中花園(即在城市大樓上建造大型的綠色植物花園)來凈化和過濾空氣，結合負離子發(fā)生器進一步凈化。待空氣指標達到預設指標，然后通過管道輸送到w辦公室，商場，家庭用戶等密閉空間進行新鮮空氣補充，實現(xiàn)室內(nèi)空氣更新。該系統(tǒng)具有電路結構簡單，制作成本低，經(jīng)濟效益好，空氣凈化效果好的特點，達到設計的基本要求。
關鍵詞：STC12C65A60S2；空中花園；空氣凈化；負離子發(fā)生器

    隨著城市經(jīng)濟發(fā)展，中央空調(diào)成為各種大型商業(yè)樓如寫字樓，大型商場及酒店必不可少的制冷電器。但對于使用所有空調(diào)都會帶來的一個問題是：長時間的室內(nèi)封閉環(huán)境進行內(nèi)部的循環(huán)，造成的空氣不流通，室內(nèi)空氣質(zhì)量下降，引發(fā)的諸如“空調(diào)病”的狀況。據(jù)有關專家統(tǒng)計，在有空調(diào)的密閉室內(nèi)，5至6小時后，室內(nèi)氧氣下降13．2％，大腸桿菌升高1．2％，紅霉色菌升高1．11％，白喉菌升高0．5％，其它呼吸道有害細菌均有不同程度的增加。正是長期處在這種環(huán)境中工作生活的人，往往會不知不覺地得了“空調(diào)病”。正是基于“空氣流通”這個思路。通過讓室外空氣經(jīng)過花園植物的凈化和富氧處理等凈化處理，得到的清新且溫濕度適宜空氣，結合搭建起來的控制電路實現(xiàn)在合適的時間，合適的空氣更新需求條件下向用戶提供空氣更新服務。改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。同時空氣更新集中處理經(jīng)濟上更實惠，用戶只需安裝空氣管道和空氣閥門就行了。

1 系統(tǒng)結構及硬件電路設計
    系統(tǒng)以STC公司的51增強型單片機STC12C65A60S2芯片微控制器為核心，考慮到STC12C65A60S2的性能足夠滿足電路工作需求與及成本低的特點。選用STC12C65A60S2為最佳方案；概念模型分為：1)顯示部分(12864顯示屏)，用于實時顯示花園和室內(nèi)的溫室度，花園內(nèi)部土壤濕度，正在執(zhí)行空氣更新的用戶房號這幾個基本參數(shù)；2)操控檢測部分(用VB語言寫的上位機)用于實時顯示存氣倉內(nèi)部空氣清新度的各類參數(shù)：溫度，濕度，CO2濃度，負離子濃度，與及經(jīng)過算法后得到的空氣綜合清新程度的參數(shù)值。我們通過實際把數(shù)值劃分范圍，用高，良好，較差，差劃分處理后的空氣等級，以不同顏色指示燈顯示空氣質(zhì)量的等級。上位機端有控制按鈕，用于控制系統(tǒng)工作的模式，對象，設定工作的時間。3)傳感器電路部分，用于檢測空氣質(zhì)量參數(shù)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

1．1 DS1302數(shù)字時鐘電路
    這里利用DS1302時鐘電路設置空氣更新系統(tǒng)的更換氣體的時間點，以及設置換氣工作的時間長度。
    DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能，工作電壓寬達2．5～5．5 V。時鐘可工作在24小時格式或12小時(AM／PM)格式。DS1302與單片機的接口使用同步串行通信，僅用3條線與之相連接?？刹捎靡淮蝹魉鸵粋€字節(jié)或突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源／后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。

    在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位至高位7，數(shù)據(jù)讀寫時序如圖3所示。

1．2 DHT21傳感器電路
    DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT21傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。電路如圖4所示。

    DHT21的供電電壓為5 V。傳感器上電后，要等待1 s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳(VDD，GND)之間可增加一個100 nF的電容，用以去耦濾波。單總線接口；DATA用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步．采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間5 ms左右，具體格式在下面說明，當前數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出。
    數(shù)據(jù)格式：40 bit數(shù)據(jù)=16 bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗和
    例子：接收40 bit數(shù)據(jù)如下：
    0000001010001100 0000000101011111 11101110
    濕度數(shù)據(jù)溫度數(shù)據(jù)校驗和
    濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=的末8位=校驗和
    例如：
    00000010+10001 100+00000001+01011111=11101110
    濕度=65．2％RH溫度=35．1℃當溫度低于0℃時溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。例如：-10．1℃表示為1000000001100101用戶主機(MCU)發(fā)送一次開始信號后，DHT21從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT21發(fā)送響應信號，送出40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集。(注：主機從DHT21讀取的溫濕度數(shù)據(jù)總是前一次的測量值，如兩次測量間隔時間很長，請連續(xù)讀兩次以獲得實時的溫濕度值)

2 主要軟件設計
    軟件主要采用VB6．0進行編程。VB6．0是微軟公司開發(fā)的一種可視話的編程語言，具有集成的可視化數(shù)據(jù)庫工具，Visual Basic6．0提供了一整套工具以及在任何應用程序中集成數(shù)據(jù)庫。具有強大的數(shù)據(jù)訪問、internet編程、使用新的控件、利用增強的控件提高性能和增強的向?qū)Чδ艿戎饕攸c。用VB6．0編寫的上位機軟件主要用于實時顯示花園和室內(nèi)的空氣的質(zhì)量參數(shù)，以及作為空氣更新處理的控制端。系統(tǒng)軟件設計的流程圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)應用
    該系統(tǒng)應用于室內(nèi)空氣更新，系統(tǒng)通過設置時鐘(DS1302)或者直接人工手動來選擇更新空氣的時間點，和每一次空氣更換的時間長度。同時用光敏電阻定性檢測當前溫室內(nèi)的光照強度。光照強度弱的時候，花園中的植物呼吸作用強度更強，便改選用普通進風口，同時以保證輸送空氣的氧含量。多點設置溫濕度傳感器(DHT21)，比較花園及室內(nèi)的空氣溫室度差異，根據(jù)采集數(shù)據(jù)，處理器將選擇合適的空氣預處理方式(如：增濕減濕，增溫降溫)過程，存氣倉設置CO2傳感器，檢測從花園送進存氣倉空氣的CO2濃度。CO2濃度如果超過預設值空氣將重新送回花園進行重新的富氧過程。負離子發(fā)生器用于存氣倉內(nèi)的空氣第二氣凈化，增加空氣的負離子濃度，進一步除去空氣中的有害微粒。結果：室外空氣經(jīng)過凈化過程，符合凈化指標的輸送到用戶室內(nèi)，不合符合指標條件的重新送回花園和進行空氣預處理。最后實現(xiàn)整個中央空調(diào)下封閉的室內(nèi)環(huán)境的空氣規(guī)律流動更新。另外系統(tǒng)配置土壤濕度傳感器，結合電磁閥組成的簡單的智能灌溉系統(tǒng)，當土壤濕度低于設定值時，電磁閥打開盆頭澆水，給花園植物補充生長需要的水份，實現(xiàn)花園的基本維護。通過實際應用發(fā)現(xiàn)，該測試系統(tǒng)測試結果準確、穩(wěn)定可靠。程序面板的部分界面如圖7所示。

4 結論
    該系統(tǒng)空氣更新系統(tǒng)采用植物結合電子凈化儀器共同實現(xiàn)室內(nèi)空氣更新；軟件設計采用模塊化設計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護性。在改善中央空調(diào)背景下大型封閉室內(nèi)環(huán)境的空氣環(huán)境的同時，體現(xiàn)人與自然的和諧性。同時空氣集中凈化，相對用戶各自凈化來說更節(jié)能環(huán)保。實際應用表明該測試系統(tǒng)具有測試準確、穩(wěn)定可靠、人機界面友好等特點，達到了設計要求。