|
0 引言 隨著工業和社會的發展，全球空氣污染很嚴重，人類健康正面臨著“室內空氣污染”的威脅。因此，人們需要專門的空氣凈化裝置一空氣凈化機。空氣凈化機發展至今，先后經歷了兩代產品。第一代產品采用物理方法，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、病毒、微生物等造成的污染。第二代產品利用化學反應產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。國內目前大量使用的空氣凈化機是以砍伐木材為代價，生產特殊紙張做成過濾器，給生態環境造成很大破壞，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保節能、高科技、經濟型產品。 1 總體設計 1．1 高壓靜電除塵原理 高壓靜電除塵是根據靜電荷的異性相吸、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計框圖 空氣凈化機的總體設計框圖如圖1所示。51單片機控制各部件工作，當本空氣凈化機工作時，風速發生器開始轉動，被污染的空氣從進風口進入凈化機，經過層層凈化后，最終變成清新的空氣從出風口流出。 
空氣凈化機的總體設計框圖 前過濾器可以濾除空氣中的大顆粒，包括大顆粒灰塵、絨毛及毛發等；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、病毒等；異味吸收器用來吸收常見的室內異味及化學氣體，帶來令人愉悅的潔凈空氣；風速發生器有高、中、低風三種工作模式，可以根據具體的需求對風速進行調整；負離子發生器能夠釋放負離子，使空氣更清新怡人。 操作按鍵可以實現空氣凈化機的開、關，及對空氣凈化機的工作模式進行調整，指示燈則會指明空氣凈化機當前的工作狀態；還可以根據需要點亮夜光燈，照亮居室。 為了防止空氣的二次污染，應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先設定，機器運行時間滿兩周或一年時，相應的指示燈被點亮并發出警報聲，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型MCU芯片，內部主要集成了SMBus／IIC、增強型UART和SPI串行接口、單端／差分ADC、高精度可編程的內部時鐘振蕩器、VDD監視器、內部上電復位模塊、捕捉／比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器／定時器陣列(PCA) 等功能部件。C8051F310使用Silicon Laboratories專利的高速CIP-51微控制器內核，70％的指令執行時間為一個或者兩個系統時鐘周期；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可在系統編程的FLASH存儲器，可用于非易失性數據存儲。 2．2 單片機控制電路 單片機控制電路的結構框圖如圖2所示。
單片機控制電路的結構框圖 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，應將暫時不用的引腳接地。 單片機接受從按鍵電路發來的指示信號，分析處理后，向風速調整電路、狀態指示燈電路和其他電路發送控制信號，以實現空氣凈化機工作狀態的改變。 3 軟件設計 為提高系統的快速性和實時性，系統的軟件設計全部使用匯編語言編程。軟件采用模塊化設計，有利于修改和調試。程序主要分5部分：主程序、計時中斷服務子程序、風速調整子程序、夜光燈子程序和負離子發生器子程序。主程序首先對各個數據寄存器和外圍電路進行初始化，隨后進入查詢狀態，當按鍵有信號輸入時便調用相應的子程序。利用LED指示燈和蜂鳴器，指示系統的工作狀態。 從FLASH存儲區劃分出兩部分，分別作為高壓靜電除塵單元FLASH存儲區和異味吸收器FLASH存儲區，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。 計時中斷服務子程序設計框圖如圖3所示。系統每工作15分鐘，便產生一次中斷，進行計時處理后，返回主程序。
程序設計框圖 在風速調整子程序中，根據按鍵的次數不同，系統把機器調整為低、中、高風和關機狀態。在低、中和高風狀態時高壓靜電除塵單元處于工作狀態，此時其他按鍵處于有效狀態；在關機狀態，高壓靜電除塵單元處于關閉狀態，并且其他按鍵也是不起作用的。 夜光燈子程序設計框圖如圖4所示。夜光燈開關按鍵有兩種功能，按鍵時間小于3秒時，改變夜光燈的工作狀態；按鍵時間大于或等于3秒時，清零異味吸收器的工作時間。 負離子發生器子程序與夜光燈子程序設計相似，先判斷負離子按鍵時間是否滿足3秒，如果不滿足，執行打開或者關閉負離子發生器及負離子發生器指示燈并結束返回主程序；否則擦除高壓靜電除塵單元FLASH存儲區的時間、返回主程序。 4 結束語 利用51單片機設計的本空氣凈化機具有結構簡單、性能可靠、節能環保等優點。經過多次測試，該系統工作穩定。 參考文獻 1. 丁元杰 單片微機原理及應用 2005 2. 孫峰 靜電除塵應用原理 [期刊論文] -內蒙古科技與經濟2005(11) 3. 潘琢金 C8051F310/1/2/3/4/58/16KBISP FLASH微控制器數據手冊 2004 作者：徐玉華 陳軍寧 徐太龍（安徽大學,電子科學與技術學院 ） 來源：電子技術 2009 36(7) |
