基于51單片機的空氣凈化機的設(shè)計

0 引言
隨著工業(yè)和社會的發(fā)展，全球空氣污染很嚴(yán)重，人類健康正面臨著“室內(nèi)空氣污染”的威脅。因此，人們需要專門的空氣凈化裝置一空氣凈化機?？諝鈨艋瘷C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，即通過過濾、吸附、磁化、負離子等消除煙塵，其缺點在于無法消除由異味、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)生臭氧負離子來凈化空氣，但是臭氧有令人難以容忍的刺鼻味道，并且臭氧作為強氧化劑對人體有一定的傷害。國內(nèi)目前大量使用的空氣凈化機是以砍伐木材為代價，生產(chǎn)特殊紙張做成過濾器，給生態(tài)環(huán)境造成很大破壞，也增加了消費成本。若過濾器未能及時更換，空氣凈化機不僅無法實現(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單片機的智能高效空氣凈化機屬環(huán)保節(jié)能、高科技、經(jīng)濟型產(chǎn)品。

　　1 總體設(shè)計

　　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，以達到除塵的目的。

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

　　1．2 空氣凈化機的總體設(shè)計框圖

　　空氣凈化機的總體設(shè)計框圖如圖1所示。51單片機控制各部件工作，當(dāng)本空氣凈化機工作時，風(fēng)速發(fā)生器開始轉(zhuǎn)動，被污染的空氣從進風(fēng)口進入凈化機，經(jīng)過層層凈化后，最終變成清新的空氣從出風(fēng)口流出。

　　前過濾器可以濾除空氣中的大顆粒，包括大顆?；覊m、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小顆粒，如煙霧、花粉、細菌、*等；異味吸收器用來吸收常見的室內(nèi)異味及化學(xué)氣體，帶來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)具體的需求對風(fēng)速進行調(diào)整；負離子發(fā)生器能夠釋放負離子，使空氣更清新怡人。

　　操作按鍵可以實現(xiàn)空氣凈化機的開、關(guān)，及對空氣凈化機的工作模式進行調(diào)整，指示燈則會指明空氣凈化機當(dāng)前的工作狀態(tài)；還可以根據(jù)需要點亮夜光燈，照亮居室。

　　為了防止空氣的二次污染，應(yīng)分別對高壓靜電除塵單元和異味吸收器進行定期的清洗或更換。高壓靜電除塵單元每兩周用自來水清洗一次，異味吸收器一年更換一次。清洗和更換的時問由單片機預(yù)先設(shè)定，機器運行時間滿兩周或一年時，相應(yīng)的指示燈被點亮并發(fā)出警報聲，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，使單片機重新計時。

　　2 電路設(shè)計

　　2．1 單片機的選擇

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

　　2．2 單片機控制電路

　　單片機控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　P1．x~P3．x是單片機的普通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)將暫時不用的引腳接地。

　　單片機接受從按鍵電路發(fā)來的指示信號，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，以實現(xiàn)空氣凈化機工作狀態(tài)的改變。

　　3 軟件設(shè)計

　　為提高系統(tǒng)的快速性和實時性，系統(tǒng)的軟件設(shè)計全部使用匯編語言編程。軟件采用模塊化設(shè)計，有利于修改和調(diào)試。程序主要分5部分：主程序、計時中斷服務(wù)子程序、風(fēng)速調(diào)整子程序、夜光燈子程序和負離子發(fā)生器子程序。主程序首先對各個數(shù)據(jù)寄存器和外圍電路進行初始化，隨后進入查詢狀態(tài)，當(dāng)按鍵有信號輸入時便調(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存儲區(qū)劃分出兩部分，分別作為高壓靜電除塵單元FLASH存儲區(qū)和異味吸收器FLASH存儲區(qū)，用來存儲高壓靜電除塵單元的工作時間和異味吸收器的工作時間。

　　計時中斷服務(wù)子程序設(shè)計框圖如圖3所示。系統(tǒng)每工作15分鐘，便產(chǎn)生一次中斷，進行計時處理后，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)把機器調(diào)整為低、中、高風(fēng)和關(guān)機狀態(tài)。在低、中和高風(fēng)狀態(tài)時高壓靜電除塵單元處于工作狀態(tài)，此時其他按鍵處于有效狀態(tài)；在關(guān)機狀態(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)計框圖如圖4所示。夜光燈開關(guān)按鍵有兩種功能，按鍵時間小于3秒時，改變夜光燈的工作狀態(tài)；按鍵時間大于或等于3秒時，清零異味吸收器的工作時間。

　　負離子發(fā)生器子程序與夜光燈子程序設(shè)計相似，先判斷負離子按鍵時間是否滿足3秒，如果不滿足，執(zhí)行打開或者關(guān)閉負離子發(fā)生器及負離子發(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存儲區(qū)的時間、返回主程序。

　　4 結(jié)束語

　　利用51單片機設(shè)計的本空氣凈化機具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定。