基于AVR单片机的空气净化器控制系统

姜建国 田金艳 安昊盈

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.辽河油田曙光采油厂，辽宁 盘锦 124000)

工业发展致使全球空气污染越来越严重。拥有洁净、清新、自然舒适的工作和生活环境已经成为人们的迫切需求[1]。在此，笔者基于AVR单片机设计空气净化器控制系统[2，3]，进行室内微量甲醛气体的检测，并由单片机对采样数据进行处理。给出了系统电源、交流电机、紫光灯和负离子发生装置及液晶显示等模块、其他辅助电路和部分软件流程。

基于AVR单片机的空气净化器控制系统的核心硬件是由控制电路和驱动电路构成的主电路[4]。控制电路由AVR控制电路、液晶显示电路和蜂鸣器报警电路组成；驱动电路主要由电源控制电路、紫光灯和负离子发生装置和相应的保护电路构成。空气净化器控制系统的硬件结构框图如图1所示。

图1 空气净化器控制系统硬件结构框图

1.1 控制电路

空气净化器控制电路的核心是基于哈佛结构的高速RISC微控制器Atmega128，具有速度快、价格低、可靠性高、I/O口线驱动能力强及片内集成外设资源丰富等特点。Atmega128单片机设有两个具有比较和捕捉功能的16位定时/计数器，两个具有互不干扰的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两路8位脉冲宽度的调制电路(PWM)，8路单端或差分输入的10位模数转换电路(ADC)，面向字节的两线接口和两个可编程串行口(USART)，其SPI串行接口可工作于主/从机模式下，还有独立于片内振荡器的可编程看门狗定时器模块[5]。单片机的最小系统电路是能使单片机的工作所需的最少外围电路，AVR单片机的 最小系统电路如图2所示。

图2 AVR单片机最小系统电路

1.2 液晶显示电路

空气净化器控制系统由单片机驱动并控制SMG12864K型液晶显示模块。液晶显示模块控制电路如图3所示，该模块有20个引脚，所需直流驱动电源电压5V，与单片机并用。单片机的PG0～PG2口作为液晶控制端，控制数据的使能端和读写操作并控制液晶开关和显示[6]；PA0～PA7控制显示数据的传输。

图3 液晶显示模块控制电路

1.3 蜂鸣器报警电路

蜂鸣器报警电路如图4所示。系统或电路出现故障后通过程序自动给单片机的PC0端口输出高电平，PC0收到高电平时三极管高电平正向导通，由5V电源给蜂鸣器供电，蜂鸣器声响报警同时发光二极管辅助报警。故障排除或者RESET后，PC0口的输出为低电平，报警电路失电，蜂鸣器报警停止。

图4 蜂鸣器报警电路

1.4 电源控制模块电路

电源模块为单片机、传感器交流电机、紫光灯和负离子发生装置提供电源。紫光灯和负离子发生装置的供电电压220V(AC)，直接由市电提供；电机采用110V(AC)供电电压，选用变比为2∶1的E型220-110单相交流变压器(额定功率30W、干式自然冷却、三绕组、心式E型铁心、效率78%)由220V(AC)变换得到；单片机的供电电压5V(DC)，由交流电压整流稳压得到；传感器模块和液晶显示模块的供电电压5V(DC)，可由单片机I/O口直接输出供电。

要获得稳定的5V(DC)电压，第一步将110V电压经过交流变压器变为5V(AC)；第二步用单相桥式全波整流电路将5V(AC)变成有效值为5V的连续电压，波形为上半波电压；第三步通过直流稳压电路将整流电路输出的电压稳定为较理想的直流电压。交流转直流转压器的工作原理如图5所示。

图5 交流转直流转压器的工作原理

1.5 紫光灯和负离子发生装置

笔者选用15W一体紫光灯，无需外接镇流器，额定工作电压220V(AC)，主波峰值365nm。紫光灯管的控制模块较简单，当启动空气净化机时紫光灯点亮，此后单片机根据传感器检测空气中有毒气体的浓度，通过单片机的I/O PF4端口输出电平控制灯的亮灭。发光二极管作用于光敏二极管，共同起到电气隔离保护作用。此处选用W-10型聚碳酸酯负离子发生器[7]，功率25W。负离子发生器和紫光灯共用控制电路，其结构如图6所示。

图6 紫光灯和负离子发生器的结构简图

1.6 保护电路

当系统受到相对高压时，首先报警，同时切断控制系统电源。开关断开后发光二极管继续导通，直到人工处理故障。之后需恢复系统正常工作，同时手动闭合上述断路开关，此过压保护的工作原理如图7所示，为了更好地保护系统的安全可靠运行，在接入公共交流电时要确保良好的接地。

图7 过压保护工作原理

默认状态下，如果电源提供的电压低于4.5V就无法满足控制系统的正常工作，保护电路也会断电。欠压时，4.5V干电池使发光二极管导通并发光报警，同时导通光敏二极管，开关受到磁力断开。人工手动排除故障后系统恢复正常工作。

2 软件部分

2.1 主程序

主程序主要完成系统的初始化，包括I/O引脚功能、系统时钟、外设时钟、外部中断和内部中断、A/D采样时间周期、显示器初始化、事件管理器等的设置，以及循环等待中断。

2.2 数据采集子程序

传感器模块利用甲醛传感器将甲醛含量V转换为电压模拟信号，由于单片机的I/O口只能识别数字量，因此在把信号送入单片机接口前需经放大和滤波并由模数转换模块处理后送入单片机[8，9]。数据采集子程序的工作流程如图8所示。

图8 数据采集子程序的工作流程

2.3 电机控制子程序

电机控制子程序包括电机驱动子程序(图9)和电机调速子程序两部分(图10)[10，11]。电机驱动子程序通过调整占空比将电机转速分为优、良、中、差挡位，分别对应甲醛含量的取值范围(图8)。当甲醛含量高时，电机处于低速挡位，便于紫光灯和负离子发生装置充分杀菌。

图9 电机驱动子程序流程

图10 电机调速子程序流程

2.4 紫光灯和负离子发生子程序

如图11所示，整个系统上电，紫光灯和负离子发生器模块初始化后确保紫光灯和负离子发生器得电，当空气中的不良气体浓度达到“差”级别时，即刻进行杀菌消毒；当传感器检测到的空气质量为“优”时，单片机发出高电平信号，紫光灯和负离子发生器停止工作。再次启动空气净化器时，紫光灯和负离子发生器循环工作。

图11 紫光灯和负离子工作流程

2.5 报警和保护子程序

由于单片机的供电电压为5V(DC)，电机的供电电压为110V(AC)，空气净化器在工作过程中如果误操作容易烧毁单片机。为此设计保护电路模块对低压模块进行系统上电保护。报警和保护模块投入运行，一旦系统出现异常，保护模块就切断被保护对象的电源，报警装置发出报警信号。

3 结束语

基于AVR单片机的空气净化器控制系统，可以对室内空气中的甲醛气体进行检测，由单片机处理采样数据，针对不同含量的甲醛，对紫光灯和负离子发生装置与交流电机进行驱动和控制，从而达到杀毒灭菌的目的。

[1] 李果.基于ATmegal28单片机的空气净化器控制系统设计与研究[D].合肥:合肥工业大学,2010.

[2] 段仲麒.一种基于AVR单片机的空气净化器控制系统[J].制造业自动化,2011,33(9):109～111.

[3] 万国平,聂惠芬,万志强,等.基于Atmega16单片机的小型室内空气净化器的研制[J].制造业自动化,2012,34(8):128～130.

[4] 任俊龙.基于AVR单片机的空气净化器控制系统的硬件设计与实现[D].合肥:合肥工业大学,2010.

[5] 沈建良,赵文宏.Atmega128单片机入门与提高[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[6] 杨萍,刘忠超.AVR单片机与VRAM型彩色液晶模块接口电路及驱动程序设计[J].化工自动化及仪表,2010,37(9):86～87.

[7] 娄山林.新型负离子空气净化器的研究[D].大连:大连理工大学,2006.

[8] 冷建伟,徐琼琼.基于单片机和FPGA的扫频信号发生器[J].化工自动化及仪表,2014,41(8):939～942.

[9] 杨辉,周强.基于LabVIEW和AVR单片机的压力数据采集处理系统[J].化工自动化及仪表,2010,37(11):92～94.

[10] 方爱平.基于单片机的异步电动机的控制系统设计与实现[D].杭州:浙江工业大学，2008.

[11] 李伟,谢兴琅.基于触摸屏的直流电机控制系统[J].化工自动化及仪表,2014,41(8):955～974.