1、室内空气净化系统设计大学毕设论文毕 业 设 计 （论 文）设计（论文）题目:_室内空气净化系统设计 _单 位（系别）：_自动化系_学 生 姓 名：_陈鑫_专 业：_电气工程及其自动化_班 级：_05111202_学 号：_2012212368_指 导 教 师：_张姣_答辩组负责人：_填表时间： 2016 年 3 月重庆邮电大学移通学院教务处制重庆邮电大学移通学院毕业设计 (论文)开题报告设计(论文)题目 室内空气净化系统设计 学生姓名 陈鑫 系别 自动化系 专业 电气工程及其自动化 班级 二班研究基本内容、拟解决的主要问题研究基本内容：设计的智能空气净化系统可对室内空气中的粉尘、甲醛、CO2等
2、有毒有害气体信息实时采集，利用过滤膜过滤室内空气中的颗粒状污染物，利用紫外线的照射破坏致病体的DNA 结构达到消毒灭菌的作用。解决主要问题：1、系统总体结构及工作原理2、系统硬件设计3、软件设计4、结果显示研究方法、步骤及措施研究方法：基于C8051F020 单片机控制原理的室内空气智能净化系统。在传统化学、物理和紫光灯杀菌净化原理基础上，结合传感器技术以及传感器数据采集原理，利用C8051F020 单片机控制原理，使用工作效率高的交流单相异步电机，集显示、触摸、遥控于一体，完成了室内空气智能净化系统的设计。步骤及措施：1. 选用单片机作为主控制器；2. 完成部分模块的设计如温度检测模块、湿度
3、检测模块、温湿度显示模块、电源模块、驱动电路模块、键盘输入模块和报警模块、控制模块；3. 实现系统的软件设计；4. 用PROTEL软件完成系统的原理图设计；5. 应用仿真软件Protus实现模拟。研究进度计划第1周第4周：查阅资料，完成英文翻译及整体方案设计；第5周第8周：完成系统硬件的设计；第9周第11周：完成系统软件的设计；第12周第14周：撰写论文、修改论文，完成答辩。学生承诺我保证按照任务书和开题报告要求，按时、按质、按量完成毕业设计（论文）工作。学生签字 陈鑫 2016 年 2 月 29 日指导教师意见指导教师签字: 年 月 日备注：此报告应根据下达的毕业设计(论文)任务书，在指导教
4、师的指导下由学生独立撰写，并于毕业设计(论文)开始后一周内完成摘要 由于经济的快速发展的同时，也为经济的发展，环境污染，人们开始关注生活环境的质量，随着工业的发展和现代化进程的加快，世界的空气。污染，人们生活和工作的室内空气质量。逐渐变得更糟。室内空气污染，不仅严重影响。在我们的生活中威胁着人类的健康。因此，保证身体的健康和良好的工作环境，各种室内空气净化器孕育而生，并且种类繁多。目前，市场上应用比较广泛的空气净化器主要有紫外光式、机械过、静电式、滤吸附式、负离子式等。它们通常是困难和昂贵的，并且成本普遍很高。它们主要是基于C8051F020单片机的智能室内空气净化系统，以C8051F020
5、单片机为控制核心的技术，结合过滤膜和紫外光杀菌技术，通过，传感器的数据采集，实现了对粉尘、CO2浓度、甲醛的实时监测，在这种模式下，空气通过时会自动关闭。纯净的空气质量监测数据的自动控制过程中，在手动启动下可以自由选择的转动电机的速度，结合3 2 inch TFT 液晶触摸屏可以提供友好人机交互界面，方便对机器的操作。并根据和可靠的远程控制功能，净化空气，过程控制，当系统运行的成本，可靠性，也大大提高了。 关键词：空气污染 室内空气净化器 单片机 ABSTRACTDue to the rapid economic development，but also for the economic de
6、velopment，environmental pollution， people began to pay attention to the quality of living environment，with the development of the industry and the acceleration of the process of modernization，the worlds air。Indoor air pollution， the quality of peoples life and work. Gradually worse. Indoor air pollu
7、tion，not only seriously affected. In our life threatening human health. Therefore，to ensure the health of the body and a good working environment，all kinds of indoor air purifier breed, and a wide variety of。At present，the air purifier is widely used on the market are mainly light and mechanical，ele
8、ctrostatic adsorption， filtration, anion type etc They are usually difficult and expensive，and the cost is very high。 They are mainly based on C8051F020 MCU intelligent indoor air purification system, with C8051F020 microcontroller as the core control technology, combined with UF membrane and UV dis
9、infection technology，Through the sensor data acquisition，the realization of the dust， CO2 concentration， real-time monitoring of formaldehyde，in this mode， the air will be automatically closed through。The automatic control process of the pure air quality monitoring data and in the manual start can f
10、ree choice of motor rotation speed，with 3. 2 inch TFT LCD touch screen can provide a friendly human-machine interface，convenient operation of the machine。And reliable remote control functions， clean air，process control，when the cost of system operation, reliability，also greatly improved。Key words: a
11、ir pollution Indoor air cleaner singlechip 目 录前 言1第一章 项目的提出1 1.1 空气质量隐患1 1.2室内污染情况1第二章 系统总体结构及工作原理1第三章 系统硬件设计1 3.1 微控制器选择1 3.2 气体传感器阵列1 3.3 电机和紫外灯控制电路1 3.4 灯管信号反馈电路1 3.5 TFT 液晶触摸显示1第四章 软件设计1 4.1 软件总体结构设计1 4.2 控制系统主程序流程1第五章 结束语1致 谢1参考文献1附 录1前言空气净化器的含义是指能够将大气中的各种杂质和污染物吸附、分解和消除的一种空气洁净机。其中可分解和消除的空气包括PM2
12、.5、毛发、异味、粉尘、花粉、甲醛之类的装修污染在内的过敏原和粉尘等都是空气中必须需要去除的污染物。而空气净化器正好可以有效地消除了这样的污染，改善空气质量的产品之一，它主要使用的地方有室内，家庭，商业，工业和车辆内部等。根据国家相关标准规定，广义上对于空气净化器定义是“从空气中分离并且消除一种或多种污染空气的设备。对空气中的污染物有一定消除能力的装置。”由于经济的快速发展的同时，不可避免的也带来的环境的污染，随着人民生活水平的提高，人们也对环境和生活环境质量逐渐开始关注，近几年来，在空气中已经出现的一些问题，比如雾霾、酸雨等问题的出现，空气净化器这一新型产品也由此开始流行起来，并且这已成为一
13、种流行的环保方式。但是现有空气净化器的市场比较单一，目前太机械化的缺点，虚有其表的功能是市场普遍存在的现象。因此，通过对现有现象的基础上进行分析，我们必须在现有空气净化器系统的基础上对其再进行设计和创新将空气更好的滤清，其目的就是设计出相对容易使用的产品。本文主要对室内空气净化器进行分析设计，根据人民的需求针对内部的结构和各部件的工作原理，以及消费者对产品的需求进行设计和改造。其中包括对其的系统总体结构及工作原理、系统硬件设计、软件设计等诸多问题的研究。第一章项目提出1.1空气质量隐患根据近几年的研究表明，室内空气污染问题不容忽视。中国是世界上的污染物排放大国，因为我国房地产的大量出现，大量新
14、房家具的装修，其中大量的装潢材料和各式新家具所释放出来的化学气体所带来气体污染加剧大气的污染，而且中国日益剧增的3.6亿烟民更是带来了非常严峻的二手烟污染问题。联合国环境规划署在2013年发表的空气污染和过早死亡的相关文件全球未来环境展望5强调的是一些与空气污染死亡的有关例子多达两百多万。世界卫生组织的一份新报告表明，平均每天由空气污染造成的死亡的人数大约在1000左右，这意味着每年约有40万人面临死亡的威胁，翻阅早期资料可以知道，在2000年的时候，世界卫生组织公布的文件，在未来大约有6万人死于空气污染。还要美国自然科学院刊（PNAS）在近期发表的研究报告也称，因为空气受到严重污染人类平均寿
15、命将会缩短4、5年左右。总体而言，种种数据表明了，我国的超标严重的空气污染将给我们带来了巨大的生命威胁，降低了我们的生活质量，威胁了我们的日常生活。1.2室内污染情况室内是人们学习，娱乐，生活的要场所，据调查，大多数人每天的四分之三的时间都呆在房间里，所以人们所处的主要场所都在室内，随着社会的发展，越来越多的“宅男宅女”出现，我们更加的应该重视室内以及封闭空间的空气质量问题。在室内，比如家庭生活中，污染物主要是装潢材料所产生的甲醛，粉尘等污染物，家庭装修中的甲醛潜伏期是三到五年甚至更久，而宠物及身体的毛发，皮屑，二手烟等污染物也是不容消灭；而在工作环境中，各类机器生产所带来的化学污染也非常严重
16、；车内室作为更加封闭的密闭空间，更容易产生细菌，异味等污染物，也是非常需要被改量空气质量的主要场所。第二章 系统总体结构及工作原理 设计智能空气净化系统可以净化室内空气中的粉尘，甲醛二氧化碳等有毒有害气体数据的实时收集，利用过滤膜有效的过滤室内空气中的颗粒状污染物，利用紫外线的照射能力破坏致病体的DNA 结构达到灭菌消毒的作用。系统后启动会分为自动模式与手动模式两种，在自动模式中会对有害的气体浓度的净化模式有一般、良好、优质三种标准，手动模式中的三个电机分别会运转在低速、中速、高速三种状态。启动后，标准对应启动的是低速运行档的电机，由此类推。在清洁的标准模式，实现了用户选择的处理过程的自动控制
17、，手动启动后，用户可以选择的发动机的转速，但如果净化结束后需要手动更换操作。在自动模式下处理过程中如遇到危险和有害气体在大气中的浓度值小于或等于标准值时，将自动停止电机运行，大于标准值时，电机会自动启动，实现了在标准值下室内的空气净化过程的智能化控制。在手动净化的过程中，用户可选择在液晶屏上的数据进行电机的运行速度从而控制空气质量，但系统完成净化的时候电机仍然在运转，需要我们手动的关闭系统，或者转换其他功能模式。室内的空气中甲醛或粉尘的浓度连续六小时超过设定值时，液晶屏将会显示“膜”的提示，这时用户要清洗或更换过滤膜。如果二氧化碳的浓度超过规定值时，液晶屏显示“用户打开窗户”，提示开窗口。同时
18、主控制的芯片会用紫外灯的信号传送信号，反馈给电路传输信号判断紫外灯是否在正常工作。为了实现对空气净化过程中的智能化控制，应该提高系统的性能与可靠性，采用C8051F020 做为控制核心芯片，系统主要包括气体的传感器阵列数据采集模块、电机与紫外灯驱动控制模块、紫外灯灯管信号反馈模块、TFT 液晶触摸显示模块、红外遥控和蜂鸣器发声装置等。气体的传感器阵列有 DHT11 温湿度传感器、 DSM501 粉尘传感器、 MG811 型CO2传感器、 MQ138 甲醛气体传感器。系统结构框图，如图1所示。图1 系统结构框图 第三章 系统硬件设计3.1 微控制器的选择目前市面上微处理器种类繁多，C8051F0
19、20 是基于高速8051 微控制器内核、流水线指令的结构，速度可到达25Mindication /s，4352字节的数据RAM，64 k字节可以在线编辑的flash 存储器，外部64字节的数据存储器接口。内部含有真正12bit100 ksample /s的八通道ADC，真正8字节500 ksample /s 的8 通道ADC，均可以带PGA 和模拟的多路开关，和2 个12 bit DAC。具有8byte 宽的端口I /O口，可以同时操作的硬件SMBus( I2CTM 的兼容) ，SPITM 以及两个UAT 串口。可有5 个通用的16 bit 定时器，可编程的16 bit 定时器阵列，有5 个可
20、捕捉模块。与旧版的51 系列单片机相比，在相同成本的情况下，可靠性和速度得到了很大提高。3.2 气体传感器阵列市面上所流通的空气净化器都是能够识别多种气体并且能够监测室内温湿度，所以在设计的系统中我们应要设计出能够识别不同气体、气体的温度和湿度的监控系统传感器。韩国SYHITECH 专利研发的产品DSM501 粉尘传感器，其内置的加热器可以自动吸入空气，采取粒子计数的原理，PWM 脉宽调制输出，可以灵敏检测直径为1 m 以上的粉尘粒子，并且小巧、质量轻，便于安装和使用。常常应用于空气调节器、空气清洗机、通风设备以及空气质量检测仪上。DSM501 粉尘传感器的电压是5 V 的供电，在控制脚和地面
21、之间需要加一个100K 的电位器，以调整输出脚的敏感度MG811 型CO2气体传感器对CO2气体具有较好的灵敏度和选择性，受温度和湿度的突变影响小，具有良好的稳定性、重现性。所使用的传感器电极设置在固体电解质平衡的原理，与大气中的二氧化碳发生化学反应，使传感器的电极与参考电极间的电势差( EMF) 正好符合能特斯方程。由于传感器的输出电压信号的放大器是微弱的，所以必须经运放放大电路放大3 倍。 MQ138 甲醛传感器适合醛类、芳族、醇类和酮类等有机溶剂的测定，具有稳定性好、寿命长和较高灵敏度等特点。常应用于家庭和环境的有害气体的探测装置。在检测过程中，检测到的空气中的甲醛浓度越高，传感器电导率
22、越高。使用这样的简单电路就可以将这种电导率的变化转换成与甲醛浓度相对应的电压输出信号。 环境中的温度和湿度也是影响传感器测量准确性的重要环境因素，所以设计的空气净化系统应采用DHT11 数字温湿度传感器，DHT11 数字温湿度传感器具有单线制串行接口与微处理器通讯和数据传输等特点。系统中气体传感器阵列的数据采集主要有数字信号和模拟信号两种。DSM501 粉尘传感器和DHT11 数字温湿度传感器输出的数字信号可以直接与C8051F020 的数字I /O 口连接，MG811 型CO2气体传感器和MQ138 甲醛传感器的输出信号都是模拟量，需经过AD 转换才能应用于显示和控制。如何在这个系统中的C8
23、051F020 单片机的片内是一个12 位逐次逼近型ADC，该ADC 能够可编程转换速率，最大转换速率可达100 ksample /s，误差低至1LSB。系统中8 通道的外部输入可编程可设置为8 个单端输入或者4 对差分输入，可以通过设置可编程增益放大器实现0 5 倍16 倍的放大增益选择，具有数据相关窗口中断发生器，且内置温度传感器。在AD 初始化中可以通过输写寄存器将AD 设置成单端输入，增益为1，采样率为100 ksample /s，由定时器3 溢出启动转换，可使能内置温度传感器、片内的参考电压以及ADC 中断。气体传感器阵列与C8051F020 单片机的连接如图2 所示。图2 气体传感
24、器阵列与C8051F020 连接图3.3 电机和紫外灯控制电路系统的发动机和紫外线的控制，是整个系统的重要组成部分。电机的风扇转动是在单片机的控制下进行的。使室内空气的空气净化系统形成循环，工作条件相适应的达到杀菌效果。该系统可分为控制端和控制终端，控制端的操作都是可通过红外控制终端来实现的。根据系统的要求，设计提供了一个用来照射杀菌的紫外灯和3 个交流的单相异步电机。且三个电机分别对应着低速、中速、高速三种运行状态。在控制端手动模式下用户能够根据在空气净化系统显示下的空气质量数据触摸屏幕进行选择启动不同种运行状态的电机。可用24 V 的继电器与三极管构成的驱动控制电路分别能与主控芯片的P4.
25、0 P4.3 端口相连接，分别对低速、中速和高速3 种转速的电机与紫外灯实现控制。该系统还可用于气体传感器阵列和空气质量数据采集模块的数据处理过程的自动调节和控制，例如在自动模式的一般标准下，系统净化开始时主控芯片的P4.2和P4.3 端口将输出高电平驱动低速的电机与紫外灯，处理过程中有毒有害气体在大气中的浓度值是小于或等于的一般标准时，P4.2 端口将输出低电平，会断开低速电机回路，低速电机将停止运行，危险和有害气体的浓度高于平均值将自动重新启动电机，一般，良好、优质的净化标准分别对应的启动电机的低速、中速和高速。在这样的自动模式下就很好的实现了室内空气净化过程的智能控制。系统的紫外灯和电机
26、都是采用220 V 供电的标准，其标准性能稳定、控制便捷，控制电路如图3 所示。图3 电机和紫外灯控制电路3.4 灯管信号反馈电路 在设计的系统中为了确保空气净化过程中的紫外灯能够正常的工作，设计了灯管信号反馈电路。当前的状态信号检测是紫外灯管信号的反馈电路、输出给C8051F020 的P7 5 端口，如图4所示，接线端的LAMP_IN 为灯管的状态检测引脚，选用LM393 构成的比较器电路作为紫外灯灯管的反馈信号的检测电路，C8051F020 的P7 5 端口对接线端LAMP_IN 的状态进行检测，若紫外灯正常工作接线端LAMP_IN 能够检测到高电平，反之则检测到的是低电平。图4 灯管信号
27、反馈电路3.5 TFT 液晶触摸显示 大部分的室内空气净化器采用LCD12864作为输出显示器，其关键是采用传统的控制方式。本文设计的空气净化系统是采用集成ILI9320 驱动的3 2inch TFT 的液晶触摸屏。TFT液晶屏有262144种颜色，分辨率达到240 像素320 像素，并且带有触摸功能，为系统方便的提供了友好的人机交互的界面。ILI9320的接口为37 引脚的FPC 软排线，可以支持i80 /8-bit、i80 /16-bit、VSYNC 以及SPI 等多种通讯模式。系统是采用了i80 /16-bit 模式，其与液晶屏直接连接，ADS7846 是德州仪器生产的一款四线电阻触摸屏
28、驱动专用驱动芯片，可以自动采样电压的X轴，Y轴的电压值，然后可以通过标准SPI 协议发给MCU，操作便捷，精确度高。对于当释放和触摸在按下过程中存在的抖动问题，可以通过软件进行键消抖，触摸屏驱动电路如图6 所示。图6 触摸屏驱动电路第四章 软件设计4.1 软件总体结构设计根据功能需求分析和系统设计的硬件，室内的空气过滤系统的要求，程序可分为以下几个部分：初始化程序、显示器控制子程序、传感器信号采集处理子程序、定时子程序、中断处理子程序、触摸控制子程序、电机驱动控制子程序、紫外灯灯管检测子程序、红外信号处理子程序、蜂鸣器控制子程序，其总体结构的设计如图 7 所示：图7 控制系统软件总体设计方框图
29、4.2 控制系统主程序流程 根据总体的设计，各个模块处理的子程序都需要依赖于主程序的调度，共同完成控制系统的功能：主程序流程图主要有开始、初始化、显示参数、允许中断、判断模式等。子程序分为手动模式和自动模式，手动模式又可以细分为：电机转速选择、传感器阵列数据采集、启动电机、启动紫外线、LAWP_IN=1、紫外灯故障、速度切换、自动模式切换、结束。自动模式可分为：净化标准选择、传感器阵列数据采集、启动电机、启动紫外线、LAWP_IN=1、紫外灯故障、空气质量是否达标、停止电机、空气质量是否达标、手动模式切换结束。系统上的电后屏幕会显示各种参数，模式选择后会启动运行，模式间可以相互切换。第五章 结
30、束语 文章设计的是一种基于C8051F020 单片机控制原理的室内空气智能净化系统。在传统的化学，物理和紫外线杀菌灯的原则上。很好的结合了传感器技术以及传感器数据的采集原理，并利用C8051F020 单片机控制原理，采用高效的交流单相异步电机，集显示、触摸、遥控于一体，高效的完成了室内空气系统的智能净化的设计，其设计很好的证明了该系统性能的稳定性、功能性强、操作简单、净化效率高并且节能环保，可以广泛的用于医院、宾馆、学校等人员密集场所或对空气质量有特别要求地方。致 谢四年的学习生活在即将划上一个句号，而于我的人生来说却仅仅只是一个逗号，我将面对新的征程的开始。本研究及论文是在我的导师XX的亲切关怀和耐心的指导下完成的。伟人、名人固然为我所崇拜，可是我更迫切地想要把我的敬
