基于51單片機(jī)的空氣凈化機(jī)的設(shè)計(jì)

0 引言
隨著工業(yè)和社會(huì)的發(fā)展，全球空氣污染很?chē)?yán)重，人類(lèi)健康正面臨著“室內(nèi)空氣污染”的威脅。因此，人們需要專(zhuān)門(mén)的空氣凈化裝置一空氣凈化機(jī)?？諝鈨艋瘷C(jī)發(fā)展至今，先后經(jīng)歷了兩代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品采用物理方法，即通過(guò)過(guò)濾、吸附、磁化、負(fù)離子等消除煙塵，其缺點(diǎn)在于無(wú)法消除由異味、病原菌、*、微生物等造成的污染。第二代產(chǎn)品利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生臭氧負(fù)離子來(lái)凈化空氣，但是臭氧有令人難以容忍的刺鼻味道，并且臭氧作為強(qiáng)氧化劑對(duì)人體有一定的傷害。國(guó)內(nèi)目前大量使用的空氣凈化機(jī)是以砍伐木材為代價(jià)，生產(chǎn)特殊紙張做成過(guò)濾器，給生態(tài)環(huán)境造成很大破壞，也增加了消費(fèi)成本。若過(guò)濾器未能及時(shí)更換，空氣凈化機(jī)不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)空氣凈化功能，而且本身成為污染源，造成二次污染。本文介紹基于51單片機(jī)的智能高效空氣凈化機(jī)屬環(huán)保節(jié)能、高科技、經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。

　　1 總體設(shè)計(jì)

　　1．1 高壓靜電除塵原理

　　高壓靜電除塵是根據(jù)靜電荷的異性相吸、同性相斥的原理，利用靜電力將空氣中帶電粉塵吸附沉降下來(lái)，以達(dá)到除塵的目的。

　　含有粉塵顆粒的氣體，在接有高壓直流電源的陰極線(xiàn)(又稱(chēng)電暈極)和接地的陽(yáng)極板之問(wèn)所形成的高壓電場(chǎng)通過(guò)時(shí)，由于陰極發(fā)生電暈放電、氣體被電離，此時(shí)，帶負(fù)電的氣體離子，在電場(chǎng)力的作用下，向陽(yáng)極板運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中與粉塵顆粒相碰，則使塵粒荷以負(fù)電，荷電后的塵粒在電場(chǎng)力的作用下，亦向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，到達(dá)陽(yáng)極后，放出所帶的電子，塵粒則沉積于陽(yáng)極板上，從而得到凈化的氣體。

　　1．2 空氣凈化機(jī)的總體設(shè)計(jì)框圖

　　空氣凈化機(jī)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。51單片機(jī)控制各部件工作，當(dāng)本空氣凈化機(jī)工作時(shí)，風(fēng)速發(fā)生器開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，被污染的空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入凈化機(jī)，經(jīng)過(guò)層層凈化后，最終變成清新的空氣從出風(fēng)口流出。

　　前過(guò)濾器可以濾除空氣中的大顆粒，包括大顆粒灰塵、絨毛及毛發(fā)等；高壓靜電除塵單元的作用是吸附空氣中的細(xì)小顆粒，如煙霧、花粉、細(xì)菌、*等；異味吸收器用來(lái)吸收常見(jiàn)的室內(nèi)異味及化學(xué)氣體，帶來(lái)令人愉悅的潔凈空氣；風(fēng)速發(fā)生器有高、中、低風(fēng)三種工作模式，可以根據(jù)具體的需求對(duì)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整；負(fù)離子發(fā)生器能夠釋放負(fù)離子，使空氣更清新怡人。

　　操作按鍵可以實(shí)現(xiàn)空氣凈化機(jī)的開(kāi)、關(guān)，及對(duì)空氣凈化機(jī)的工作模式進(jìn)行調(diào)整，指示燈則會(huì)指明空氣凈化機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)；還可以根據(jù)需要點(diǎn)亮夜光燈，照亮居室。

　　為了防止空氣的二次污染，應(yīng)分別對(duì)高壓靜電除塵單元和異味吸收器進(jìn)行定期的清洗或更換。高壓靜電除塵單元每?jī)芍苡米詠?lái)水清洗一次，異味吸收器一年更換一次。清洗和更換的時(shí)問(wèn)由單片機(jī)預(yù)先設(shè)定，機(jī)器運(yùn)行時(shí)間滿(mǎn)兩周或一年時(shí)，相應(yīng)的指示燈被點(diǎn)亮并發(fā)出警報(bào)聲，提醒人們清洗高壓靜電除塵單元或者更換異味吸收器。清洗或者更換完成后，可以操作按鍵，使單片機(jī)重新計(jì)時(shí)。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　2．1 單片機(jī)的選擇

　　單片機(jī)采用silicon Laboratories 公司的C8051F310，它是一種完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，內(nèi)部主要集成了SMBus／IIC、增強(qiáng)型UART和SPI串行接口、單端／差分ADC、高精度可編程的內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器、VDD監(jiān)視器、內(nèi)部上電復(fù)位模塊、捕捉／比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列(PCA) 等功能部件。C8051F310使用Silicon Laboratories專(zhuān)利的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，70％的指令執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或者兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；工作電壓為2．7～3．6V，典型工作電流為5mA，功耗比較低。另外，此單片機(jī)還具有16kB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

　　2．2 單片機(jī)控制電路

　　單片機(jī)控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　P1．x~P3．x是單片機(jī)的普通I／O端口，各端口可承受的最大電壓為5V。為了減少干擾，應(yīng)將暫時(shí)不用的引腳接地。

　　單片機(jī)接受從按鍵電路發(fā)來(lái)的指示信號(hào)，分析處理后，向風(fēng)速調(diào)整電路、狀態(tài)指示燈電路和其他電路發(fā)送控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)空氣凈化機(jī)工作狀態(tài)的改變。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　為提高系統(tǒng)的快速性和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)全部使用匯編語(yǔ)言編程。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，有利于修改和調(diào)試。程序主要分5部分：主程序、計(jì)時(shí)中斷服務(wù)子程序、風(fēng)速調(diào)整子程序、夜光燈子程序和負(fù)離子發(fā)生器子程序。主程序首先對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)寄存器和外圍電路進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入查詢(xún)狀態(tài)，當(dāng)按鍵有信號(hào)輸入時(shí)便調(diào)用相應(yīng)的子程序。利用LED指示燈和蜂鳴器，指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

　　從FLASH存儲(chǔ)區(qū)劃分出兩部分，分別作為高壓靜電除塵單元FLASH存儲(chǔ)區(qū)和異味吸收器FLASH存儲(chǔ)區(qū)，用來(lái)存儲(chǔ)高壓靜電除塵單元的工作時(shí)間和異味吸收器的工作時(shí)間。

　　計(jì)時(shí)中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。系統(tǒng)每工作15分鐘，便產(chǎn)生一次中斷，進(jìn)行計(jì)時(shí)處理后，返回主程序。

　　在風(fēng)速調(diào)整子程序中，根據(jù)按鍵的次數(shù)不同，系統(tǒng)把機(jī)器調(diào)整為低、中、高風(fēng)和關(guān)機(jī)狀態(tài)。在低、中和高風(fēng)狀態(tài)時(shí)高壓靜電除塵單元處于工作狀態(tài)，此時(shí)其他按鍵處于有效狀態(tài)；在關(guān)機(jī)狀態(tài)，高壓靜電除塵單元處于關(guān)閉狀態(tài)，并且其他按鍵也是不起作用的。

　　夜光燈子程序設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。夜光燈開(kāi)關(guān)按鍵有兩種功能，按鍵時(shí)間小于3秒時(shí)，改變夜光燈的工作狀態(tài)；按鍵時(shí)間大于或等于3秒時(shí)，清零異味吸收器的工作時(shí)間。

　　負(fù)離子發(fā)生器子程序與夜光燈子程序設(shè)計(jì)相似，先判斷負(fù)離子按鍵時(shí)間是否滿(mǎn)足3秒，如果不滿(mǎn)足，執(zhí)行打開(kāi)或者關(guān)閉負(fù)離子發(fā)生器及負(fù)離子發(fā)生器指示燈并結(jié)束返回主程序；否則擦除高壓靜電除塵單元FLASH存儲(chǔ)區(qū)的時(shí)間、返回主程序。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　利用51單片機(jī)設(shè)計(jì)的本空氣凈化機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定。