【文章內(nèi)容簡介】 的傳感器陣列有 DHT11 溫濕度傳感器、 DSM501 粉塵傳感器、 MG811 型 CO2 傳感器、 MQ138 甲醛氣體傳感器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 所示。C 8 0 5 1 F 0 2 0 單片機(jī)蜂鳴器紅外遙控模塊電源模塊氣體傳感器陣列3 . 2 寸 T F T 液晶觸摸顯示模塊燈管信號反饋模塊電機(jī)和紫外燈驅(qū)動控制模塊圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第三章 硬件設(shè)計(jì)第一節(jié) 單片機(jī)的選擇本文設(shè)計(jì)了一種基于 C8051F020 單片機(jī)的智能室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)。 C8051F020 是基于高速 8051 微控制器內(nèi)核、流水線指令的結(jié)構(gòu)，速度可到達(dá) 25Mindication /s，4352 字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM，64k 字節(jié)可以在線編輯的 flash 存儲器，外部 64 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器接口。內(nèi)部含有真正 12bit100 ksample /s 的八通道 ADC，真正 8 字節(jié) 500 ksample /s 的 8 通道ADC，均可以帶 PGA 和模擬的多路開關(guān)，和 2 個 12 bit DAC。具有 8byte 寬的端口 I /O口，可以同時操作的硬件 SMBus( I2CTM 的兼容) ，SPITM 以及兩個 UART 串口。可有 5 個通用的 16 bit 定時器，可編程的 16 bit 定時器陣列，有 5 個可捕捉模塊。與舊版的 51 系列單片機(jī)相比，在相同成本的情況下，可靠性和速度得到了很大提高。C8051F020 單片機(jī)的引腳配置如圖 所示：圖 C8051F020 單片機(jī)引腳配置圖第二節(jié) 單片機(jī)的引腳介紹C8051F020 單片機(jī)內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復(fù)雜指令集微處理器高10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。其引腳圖的功能概述如表 所示：表 C8051F020 單片機(jī)引腳功能概述 引腳 說明VCC 數(shù)字電路的電源GND 地端口A(PA7..PA0)端口 A 為 8 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流端口B(PB7..PB0)端口 B 為 8 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流端口C(PC7..PC0)端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流端口D(PD7..PD0)端口 D 為 8 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流端口E(PE7..PE0)端口 E 為 8 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流端口F(PF7..PF0)端口 F 為 ADC 的模擬輸入引腳。如果不作為 ADC 的模擬輸入，端口 F 可以作為 8 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流端口G(PG4..PG0)端口 G 為 5 位雙向 I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流RESET 復(fù)位輸入引腳。超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。低于此時間的脈沖不能保證可靠復(fù)位XTAL1 反向振蕩器放大器及片內(nèi)時鐘操作電路的輸入XTAL2 反向振蕩器放大器的輸出AVCC AVCC 為端口 F 以及 ADC 轉(zhuǎn)換器的電源，需要與 VCC 相連接，即使沒有使用 ADC 也應(yīng)該如此。使用 ADC 時應(yīng)該通過一個低通濾波器與 VCC 連接AREF AREF 為 ADC 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳PEN PEN 是 SPI 串行下載的使能引腳。在上電復(fù)位時保持 PEN 為低電平將使器件進(jìn)入 SPI 串行下載模式。在正常工作過程中 PEN 引腳沒有其他功能第三節(jié) 氣體質(zhì)量檢測一、檢測氣體的選擇在干潔的大氣中，衡量氣體的組成是微不足道的。但是在一定范圍的大氣中，出現(xiàn)了原來沒有的微量物質(zhì)，其數(shù)量和持續(xù)時間，都有可能對人、動物、植物及物品、材料產(chǎn)生不利影響和危害。當(dāng)大氣中污染物質(zhì)的濃度達(dá)到有害程度，以至破壞生態(tài)系統(tǒng)和人類正常生存和發(fā)展的條件，對人或物造成危害的現(xiàn)象叫做大氣污染。室外大氣污染物主要包括：粉塵/可吸入顆粒物、二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳等；室內(nèi)空氣污染物主要包括：甲醛、氟利昂，廚房油煙[一氧化碳、二氧化硫、丙烯醛、等]、煙草燃燒的煙霧[一氧化碳、尼古丁、醛類等]以及放射性物質(zhì)等。本文設(shè)計(jì)的空氣凈化器主要對大氣污染物中的粉塵、甲醛、二氧化碳等主要大氣污染物進(jìn)行凈化和排除。二、氣體傳感器的選擇市面上所流通的空氣凈化器都是能夠識別多種氣體并且能夠監(jiān)測室內(nèi)溫濕度，所以在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中我們應(yīng)要設(shè)計(jì)出能夠識別不同氣體、氣體的溫度和濕度的監(jiān)控系統(tǒng)傳感器。環(huán)境中的溫度和濕度也是影響傳感器測量準(zhǔn)確性的重要環(huán)境因素，所以設(shè)計(jì)的空氣凈化系統(tǒng)應(yīng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具有單線制串行接口與微處理器通訊和數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。MG811型CO2氣體傳感器對CO2氣體具有較好的靈敏度和選擇性，受溫度和濕度的突變影響小，具有良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性。所使用的傳感器電極設(shè)置在固體電解質(zhì)平衡的原理，與大氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使傳感器的電極與參考電極間的電勢差( EMF) 正好符合能特斯方程。由于傳感器的輸出電壓信號的放大器是微弱的，所以必須經(jīng)運(yùn)行放大電路放大3倍。MQ138甲醛傳感器適合醛類、芳族、醇類和酮類等有機(jī)溶劑的測定，具有穩(wěn)定性好、壽命長和較高靈敏度等特點(diǎn)。常應(yīng)用于家庭和環(huán)境的有害氣體的探測裝置。在檢測過程中，檢測到的空氣中的甲醛濃度越高，傳感器電導(dǎo)率越高。使用這樣的簡單電路就可以將這種電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與甲醛濃度相對應(yīng)的電壓輸出信號。三、粉塵傳感器的選擇韓國SYHITECH專利研發(fā)的產(chǎn)品DSM501粉塵傳感器，其內(nèi)置的加熱器可以自動吸入空氣，采取粒子計(jì)數(shù)的原理，PWM脈寬調(diào)制輸出，可以靈敏檢測直徑為 1μm 以上的粉塵粒子，并且小巧、質(zhì)量輕，便于安裝和使用。常常應(yīng)用于空氣調(diào)節(jié)器、空氣清洗機(jī)、通風(fēng)設(shè)備以及空氣質(zhì)量檢測儀上。DSM501粉塵傳感器的電壓是5V 的供電，在控制腳和地面之間需要加一個100K的電位器，以調(diào)整輸出腳的敏感度四、傳感器硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中氣體傳感器陣列的數(shù)據(jù)采集主要有數(shù)字信號和模擬信號兩種。DSM501 粉塵傳感器和 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器輸出的數(shù)字信號可以直接與 C8051F020 的數(shù)字 I /O 口連接，MG811 型 CO2 氣體傳感器和 MQ138 甲醛傳感器的輸出信號都是模擬量，需經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換才能應(yīng)用于顯示和控制。如何在這個系統(tǒng)中的 C8051F020 單片機(jī)的片內(nèi)是一個 12 位逐次逼近型 ADC，該 ADC 能夠可編程轉(zhuǎn)換速率，最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 100 ksample /s，誤差低至177。1LSB。系統(tǒng)中 8 通道的外部輸入可編程可設(shè)置為 8 個單端輸入或者 4 對差分輸入，可以通過設(shè)置可編程增益放大器實(shí)現(xiàn) 倍～16 倍的放大增益選擇，具有數(shù)據(jù)相關(guān)窗口中斷發(fā)生器，且內(nèi)置溫度傳感器。在 AD 初始化中可以通過輸寫寄存器將 AD 設(shè)置成單端輸入，增益為 1，采樣率為 100 ksample /s，由定時器 3 溢出啟動轉(zhuǎn)換，可使能內(nèi)置溫度傳感器、片內(nèi)的參考電壓以及 ADC 中斷。氣體傳感器陣列與 C8051F020 單片機(jī)的連接如圖 所示。圖 氣體傳感器陣列與C8051F020 連接圖第四節(jié) 繼電器控制電路繼電器用于控制電路的連接與斷開，常用的型號有線圈電壓為 6V、12V 、24V，綜合考慮繼電器功率和所選電源等因素，選用線圈電壓為 12V 的繼電器。本文需要完成三路信號的控制，就需要設(shè)計(jì)三個繼電器。繼電器 1 控制電磁離合器 l 的啟閉，繼電器 2 控制電磁離合器 2 的啟閉，繼電器 3 控制等離子發(fā)生電路的啟閉。C850F020 單片機(jī) IOA6 口的控制高低電平信號先經(jīng)光電耦合器 PS2501 放大，將放大的信號再經(jīng)過三極管 3904 進(jìn)一步放大來驅(qū)動繼電器工作，其電路原理如圖 所示。R14OA6GNDU1OPTOISO1VCCR15 Q1D1R14VCCGNDK1+12V+12V圖 繼電器控制原理圖第五節(jié) 電機(jī)和紫外燈控制電路系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)和紫外線的控制，是整個系統(tǒng)的重要組成部分。電機(jī)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動是在單片機(jī)的控制下進(jìn)行的。使室內(nèi)空氣的空氣凈化系統(tǒng)形成循環(huán)，工作條件相適應(yīng)的達(dá)到殺菌效果。該系統(tǒng)可分為控制端和控制終端，控制端的操作都是可通過紅外控制終端來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)提供了一個用來照射殺菌的紫外燈和3 個交流的單相異步電機(jī)。且三個電機(jī)分別對應(yīng)著低速、中速、高速三種運(yùn)行狀態(tài)。在控制端手動模式下用戶能夠根據(jù)在空氣凈化系統(tǒng)顯示下的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)觸摸屏幕進(jìn)行選擇啟動不同種運(yùn)行狀態(tài)的電機(jī)。可用24V的繼電器與三極管構(gòu)成的驅(qū)動控制電路分別能與主控芯片的 ～ 接，分別對低速、中速和高速3 種轉(zhuǎn)速的電機(jī)與紫外燈實(shí)現(xiàn)控制。該系統(tǒng)還可用于氣體傳感器陣列和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)處理過程的自動調(diào)節(jié)和控制，例如在自動模式的一般標(biāo)準(zhǔn)下，紫外燈，處理過程中有毒有害氣體在大氣中的濃度值是小于或等于的一般標(biāo)準(zhǔn)時，口將輸出低電平，會斷開低速電機(jī)回路，低速電機(jī)將停止運(yùn)行，危險和有害氣體的濃度高于平均值將自動重新啟動電機(jī)，一般，良好、優(yōu)質(zhì)的凈化標(biāo)準(zhǔn)分別對應(yīng)的啟動電機(jī)的低速、中速和高速。在這樣的自動模式下就很好的實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)空氣凈化過程的智能控制。系統(tǒng)的紫外燈和電機(jī)都是采用220V供電的標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)性能穩(wěn)定、控制便捷，所示。 電機(jī)和紫外燈控制電路第六節(jié) TFT 液晶觸摸顯示大部分的室內(nèi)空氣凈化器采用LCD12864作為輸出顯示器，其關(guān)鍵是采用傳統(tǒng)的控制方式。 TFT的液晶觸摸屏。TFT液晶屏有262144種顏色，分辨率達(dá)到240像素320像素，并且?guī)в杏|摸功能，為系統(tǒng)方便的提供了友好的人機(jī)交互的界面。ILI9320 的接口為 37 引腳的FPC軟排線，可以支持i80 /8bit、 i80 /16bit、VSYNC 以及SPI 等多種通訊模式。系統(tǒng)是采用了i80 /16bit模式，其與液晶屏直接連接，ADS7846是德州儀器生產(chǎn)的一款四線電阻觸摸屏驅(qū)動專用驅(qū)動芯片，可以自動采樣電壓的X軸，Y軸的電壓值，然后可以通過標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議發(fā)給MCU，操作便捷，精確度高。對于當(dāng)釋放和觸摸在按下過程中存在的抖動問題，可以通過軟件進(jìn)行鍵消抖。 觸摸屏驅(qū)動電路第七節(jié) 電源轉(zhuǎn)換電路本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中需要多路電源分別給各氣體傳感器、單片機(jī)及驅(qū)動繼電器供電。其中5V 電源用于給 C02 傳感器 MG81單片機(jī) C8051F020 和繼電器供電，6V 電源給有害氣體傳感器 MQ138 供電。本文首先采用 9V 充電器將 220V 交流電源轉(zhuǎn)化為 9V 直流電源。再經(jīng)正輸出穩(wěn)壓器 LM7805,LM7806 分別獲得 5V 和 6V 供電電源。具體電路設(shè)計(jì)如圖 所示。C31uD1C2CAPU2V1 V0GNDPortPort外 接 電 源 C41nF C51nFD2V1 V0GNDU478057805 +6V+5V圖 電源電路圖第四章 軟件設(shè)計(jì)第一節(jié) 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)功能需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件，室內(nèi)的空氣過濾系統(tǒng)的要求，程序可分為以下幾個部分：初始化程序、顯示器控制子程序、傳感器信號采集處理子程序、定時子程序、中斷處理子程序、觸摸控制子程序、電機(jī)驅(qū)動控制子程序、紫外燈燈管檢測子程序、紅外信號處理子程序、蜂鳴器控制子程序，：初始化程序顯示器控制子程序傳感器信號數(shù)據(jù)采集處理子程序定時子程序中斷處理子程序主程序蜂鳴器控制子程序紅外信號處理子程序紫外燈燈管檢測子程序電機(jī)驅(qū)動控制子程序觸摸控制子程序 控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)方框圖第二節(jié) 主程序流程圖根據(jù)總體設(shè)計(jì)，各模塊處理子程序依賴于主程序的調(diào)度，共同完成控制系統(tǒng)功能。主，系統(tǒng)上電后屏幕顯示各種參數(shù)，模式選擇后啟動運(yùn)行，模式間可互相切換。開始初始化顯示各種參數(shù)允許中斷模式判斷手動模式自動模式電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇凈化標(biāo)準(zhǔn)選擇傳感器陣列數(shù)據(jù)采集傳感器陣列數(shù)據(jù)采集啟動電機(jī) 啟動電機(jī)啟動紫外線 啟動紫外線L A M P _ I N = 1L A M P _ I N = 1紫外燈故障 紫外燈故障速度切換空氣質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)N N自動切換模式結(jié)束YY停止電機(jī)Y空氣質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)手動模式切換結(jié)束NY 控制系統(tǒng)主程序流程圖第三節(jié) 各子程序一、紅外遙控設(shè)計(jì)在本次的設(shè)計(jì)當(dāng)中，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，在一定范圍內(nèi)可以通過紅外遙控器對該設(shè)備進(jìn)行控制。并且遙控器也可以設(shè)定系統(tǒng)的預(yù)警值和開啟或關(guān)閉風(fēng)扇以及負(fù)離子空氣凈化裝置。二、液晶屏顯示設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用的是LCD1602液晶顯示屏，單片機(jī)將檢測并處理完成的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到液晶屏，然后顯示屏通過一個直觀的數(shù)據(jù)顯示出來，使操作人員可以更