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。