空气净化器设计

空气净化器的设计与制作

指导老师 张冠芬

摘要：采用双波长等离子空气净化技术，依靠AVR单片微控制器原理，以atmega8单片机为控制核心，检测交流过零点，控制可控硅实现调压调速；使用一体化红外接收头，进行遥控解码，实现红外遥控；驱动步进电机，实现摆风叶摆动，完成空气净化器设计制作，达到了净化空气、改善人们居住环境的目的。它主要使用于通风不足的室内环境与空气品质差的公共环境等。

关键词：AVR单片机；双波长等离子净化技术；可控硅调压；红外遥控解码

研究背景

在我们生活的大多数场所，为了节省能源，其建筑都是密封的。即使在安装空调系统的前提下，通常新风量约占空调总风量的15％左右，其余的85％都是室内的回风，因此室内的大部分空气都在往返循环使用，所以室内常积有许多诸如病毒、霉毒、细菌、真菌、烟尘、异味、化学物以及转潢后的甲醛、笨、氨等污染，使室内空气质量更加恶化，污染更加严重。在卫生部组织开展的全国公共场所中央空调通风系统卫生状况监督检查结果也表明，合格率仅为6.2％。人们在这样的环境下生活工作，严重危害健康和生命。双波长光氢等离子净化技术，就能在不改变现有通风和人员照常工作的动态状况下，迅速杀菌，消毒，同时提高环境空气的含氧量。

1设计原理

采用双波长等离子空气净化技术，依靠AVR单片微控制器原理，以atmega8单片机为控制核心，检测交流过零点，控制可控硅实现调压调速；使用一体化红外接收头，进行遥控解码，实现红外遥控；驱动步进电机，实现摆风叶摆动，完成空气净化器设计制作，达到了净化空气、改善人们居住环境的目的。它主要使用于通风不足的室内环境与空气品质差的公共环境等。

2系统设计

2.1设计总要求：

该净化器主要实现功能有：该净化器实现杀菌净化功能，用户使用遥控器进行操作。可设定净化器工作时间，定时1、2、3个小时，循环选择。可调整风机风速，分为高风速，中速，低速，循环选择。可自动改变风向，具有摆风功能，结构图如下图1：

220V供电 12v变压器 摆风叶步进电机 交流风扇电 机 红外遥控 主 控 板 空气净化装 置 图1系统结构图

2.2模块设计方案比较论证

根据净化器设计要求，系统模块主要分为：主控电路模块，状态显示模块，交流电机调压调速模块，红外遥控模块，步进电机驱动模块，空气净化模块。 1.2.1主控板

方案1：主控板采用ATMEGA的atmega8，ATmega8主要特性如下： 高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器 ，先进的RISC 结构 130 条指令 ， 大多数指令执行时间为单个时钟周期，32个8 位通用工作寄存器，全静态工作，工作于16 MHz时性能高达16MIPS ，只需两个时钟周期的硬件乘法器，非易失性程序和数据存储器，8K 字节的系统内可编程Flash 擦写寿命: 10,000 次，具有独立锁定位的可选Boot 代码区， 通过片上Boot 程序实现系统内编程，真正的同时读写操作，512 字节的EEPROM 擦写寿命: 100,000 次 1K字节的片内SRAM。

方案2：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高体积小，易于进行扩展等优点，但擦出次数少，一般用于大系统的控制电路中。

方案3:与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、 全静态操作：0Hz～33Hz 、 三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符。

经分析论证，考虑系统稳定性，可靠性，以及最重要的抗干扰能力等，最终决定采用方案1。 2.2.2状态显示

方案1 :用数码管进行显示。由于数码管显示速度快，编程简单，显示效果简洁，但体积较大，显示大量字符时不实用。

方案2 用LCD液晶进行显示。其显示内容丰富、清晰，显示信息量大，编程较难。适用于显示大量数据，同时支持显示多钟字符。

方案3 采用led发光二极管。

经分析，因为受到机器外壳的形状限制。显示面板较小，因此采用led发光二极管，简单明了的对功能状态示意显示。采用方案3。 2.2.3交流电机调压调速模块

风机风速的调节需通过改变电机电压， 使用可控硅实现交流电压调节。

可控硅它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极如图2，第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号图2可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。

图2 可控硅BTB12

可控硅的触发电路主要有下面两种形式：

１

1、导通角触发调压的速度比较快，但是会对电网造成很大的谐波干扰；2、过零触发几乎没有谐波干扰，但系统响应时间至少半个交流周期。

经分析：考虑因为使用单片机控制可控硅，系统相应时间可在0.02m内，故采用过零触发，如图3。

图3过零触发电路

过零触发电路图3用于检测交流电的过零点。当过零时，可控硅打开，同时电路给单片机触发信号，单片机收到信号后，延时一段时间马上关断可控硅。通过改变延时的长短，改变通电时间，进而改变电机电压。 2.2.4 红外遥控模块

红外遥控采用一体化红外遥控接收头如图4，它将红外接收管(光电二极管)、放大器、滤波器及解调器集成在个硅片上,不仅尺寸小、无需外部元件,并且具有抗光电干扰性能好(无需外加磁屏蔽及滤光片)、并有接收角度宽等特点。

图4一体化红外遥控接收头

2.2.5步进电机驱动模块

方案1 采用l298N，成本高，安装不方便。 方案2 采用ULN2003

图5步进电机驱动模块ULN2003及其内部结构方框图

步进电机采用ULN2003驱动图5。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

２

经分析论证，选用方案二。

22.6空气净化装置—双波长光氢等离子空气净化器

工作原理：双波长光氢等离子空气净化器如图6，当细小的颗粒物随气流通过高压电离区（采用先进技术，输出8000V的直流高压电，形成强电场）时，被高压电场带上正电荷，带正电荷的粒子通过带负电荷的集尘板（输出4000V的恒流电压）时，被吸附在集尘板上，附在颗粒表面上的细、病毒、微生物处于正离子的包围中，迅速获得饱和电量而发生点解，在这个过程中，细菌的细胞壁会被正电子击穿并破坏细胞电解质、从而被杀死。而这一过程中残余的细菌、病毒以及空气当中的可会发性有机污染物继续被光氢等离子体所杀灭、降解、最终产物仅为无毒无害的H2O与CO2，如此循环往复，室内的空气得以净化，从而提高室内空气品质。

图6 双波长光氢等离子空气净化器

3硬件电路设计

3.1电气原理图

电气原理图1主要包括主控芯片电路，电源电路，过零检测电路，步进电机驱动电路，接口插件等。

３

接口插件等，如下图8：

图7电气原理图1

电气原理图2主要包括：可控硅调压电路，交流电机控制电路，净化器控制电路，

４

电气原理图3如下图9主要包括红外接收电路、led显示电路、接口插件等。

图9电气原理图3

图8电气原理图2

５

3软件设计

控制程序使用C语言开发，编程软件AVR-GCC，仿真软件AVRstudio7.5。单片机的C语言编程开发，具有可移植性好，易懂易用的特点，适合较大程序的开发。 3.1程序流程图

开始 是 红外检测 是 开机键是否按 否 是 否 摆风叶键是否按 是 摆风 否 是 风速键是否按 设定风速 是 否 定时键是否按 是 设定工作时间 是 结束

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图13程序流程图

3.2红外遥控解码程序

while (INT); //等待低电平 do {

time = time_count_highlevel(); if (error != 0) {

goto ERROR_SET; }

}while (time < 5000);

for (i = 0;i < 5;i++) { time = time_count_highlevel(); if (error != 0) { goto ERROR_SET; } if (time <1000) { word_high = word_high << 1; word_high++; } else { word_high = word_high << 1; } }

if (word_high == 0x1b) {

for (i = 0;i < 7;i++) {

time = time_count_highlevel(); if (error != 0) {

goto ERROR_SET; }

if (time < 1000) {

word_low = word_low << 1; word_low++; } else {

word_low = word_low << 1; } }

3.3过零检测调压程序

if(!(GIFR&(1<

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t2++; t23++; if(t2==su) { t2=0; PORTC|=_BV(PC0); } if(t23==su+1) { uu=0; t23=0; t2=0; if(n==0) { su=43; PORTC&=~_BV(PC3);PORTC|=_BV(PC4); } else if(n==1) { su=33; PORTC|=_BV(PC3);PORTC&=~_BV(PC4); } else if(n==2) { su=13; PORTC&=~_BV(PC3);PORTC&=~_BV(PC4); } else if(n>=3) {n=0;} PORTC&=~_BV(PC0); } }

全部程序见附录1：

4整机调试

4.1硬件电路的调试

硬件电路最严重的就是干扰问题，光氢净化器的启动装置，在通电启动时会产生瞬时高压，同时产生电磁干扰，偶尔能够迫使程序复位，为解决此问题，采取了很多办法：在芯片的电源管脚添加滤波电容，修改了PCB布线，禁用单片机外部复位引脚等，这些改进效果不明显，没有能够彻底的解决问题，到最后发现，在光氢净化器的电源线上加电磁环能有效的改善干扰现象，经测试，在加有电磁环后，程序再没有出现过复位现象。 4.2程序调试

程序设计也遇到了很多问题，红外解码时，无法正确译码，收到的红外指令无法正常执行，后来经过多次的修改，在每次大循环后，通过增加延时解决了此问题。调压程序部分，也遇到了很多问题，交流过零点检测很容易的实现了，但使用可控硅调压是时发现，交流电动机在低速时有震动的现象，且震动的很厉害，后来发现，在中断服务函数嵌套延时函数是很不对的，特别是延时时间较长时，后来把延时函数改写为累计计数的方式实现，震动现象有很大的改善。

经过不断的测试，改进。最终能够实现所有要求功能，较稳定的运行。

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5整机功能指标

5.1功能指标

“定时”功能：按遥控器上的“定时”键，可用于设定杀菌净化器的关机时间，分别为1小时，2小时，3小时，无定时，如此反复，且机身相应指示灯亮，净化器定时关机后，按“开/关”可以再次启动净化器。

“扫风”功能：当开机扫风片下摆打开后，按一下遥控器上的“扫风”键，扫风片上下摆动，再次按时，扫风片停止摆动。

“风速”功能：可用于设定净化器风机风速，分别为低速、中速、高速，按“风速”键循环操作，机身相应指示灯亮。开机默认为低速。

“开/关”功能：按一下遥控器上的“开/光”键，听到“嘀”的一声后，杀菌器启动，扫风片下摆打开，开机指示灯亮。停止使用时，再按一下“开/关”键，听到“嘀”的一声后，杀菌净化器停止运行，扫风片上摆关闭。5~10秒后指示灯灭，杀菌净化器彻底关机。 5.2样机照片

图14样机照片

6结论

通过这次的创新，做好一件作品需要坚持，遇到困难是肯定的，出现问题也是无法避免的，只能通过不断的尝试，找到解决的办法，当以后再遇到时可以马上解决，就不再是困难。软硬件设计要相互的补充，只要硬件没问题，程序肯定是可以写出来的，但硬件的合理设计会让程序设计更简单更稳定。软件的的合理设计会简化硬件电路，减少成本。 参考文献：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gfla.html