《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第25卷10-2期
单片机开发与应用
基于单片机的便携式空气净化器
Portable Air Cleaner by Single Chip Microcomputer
(齐齐哈尔大学)董亮李春林朱磊
DONG Liang LI Chun-lin ZHU Lei
摘要:为解决空气污染问题,设计了一种便携式的空气净化器。采用了活性炭、光催化技术相结合的空气过滤装置。该空气净化器主要由单片机、空气污染传感器、语音电路、液晶显示屏、引风机等五部分组成。该装置体积小、携带方便,当空气污染浓度超标时,可及时供给个人清新无污染的空气。
关键词:空气净化器;活性炭;光催化;单片机;液晶显示
中图分类号:TP212.2文献标识码:A
Abstract:To solve air pollution,this paper develops a set of portable air cleaner.Air cleaner uses active carbon and light-source catalysis to clean air.It is consisted of Single Chip Microcomputer(SCM),air pollution sensor,voice circuit,liquid crystal display(LCD), blower and so on.The device is small and portable,when the air pollution is harmful to people’s health,it will supply individual with pollution-free fresh air.
Key words:air cleaner;active carbon;light-source catalysis;single chip microcomputer;liquid crystal display
文章编号:1008-0570(2009)10-2-0108-02
1引言
进入21世纪,人们的生活水平发生了质的变化,但是人们
赖以生存的环境却随着新技术的大量引入变得越来越恶化。综
合调查研究表明,主要污染物分3类:(1)可吸入颗粒:粉尘、烟
雾、花粉等;(2)微生物:细菌、真菌、病毒等;(3)有害挥发气体:氨
气、一氧化碳、甲荃、苯等。如何减少空气污染已成为急需研究
解决的问题,目前主要有2个途径:一是减少污染源,二是空气清
洁或净化。本文研究的便携式空气净化处理器主要是针对长期
处于有害挥发气体环境中的人群所研制。该装置小巧、可随身
携带、直流蓄电池供电。选用51系列单片机和低功耗、灵敏度
高的空气污染传感器组成空气污染监测控制系统。当空气污染
度超标时,可进行语音提示、液晶显示来提醒人们启动微型轴流
式引风机和本装置的空气净化部分提供给个人清新无污染的
空气。同时,本装置还设有超声波雾化部分,可控制供给空气的
湿度。患有肺部疾病、气管疾病等人可在医生的指导下将相应
药品,经本装置的超声波雾化供给患者。
2结构及核心技术
2.1空气净化处理器的结构
空气净化处理器的外形结构如图1所示。
1-总电源开关及清新空气风量控制电位器;2-清新空气湿
度电源开关及湿度强弱调节电位器;3-液晶显示屏;4-空气输入
口;5-便于随身携带的背包带;6-由尼龙丝作骨架及彩色尼龙绸
制成的清新空气蛇皮输送管;7-可固定于头部的空气清新送风
罩,此风罩与人嘴的距离可调,风罩由透明软质塑料制成。
图1空气净化器
2.2核心技术
空气净化器的核心技术在于空气净化部分。空气净化部分
采用微型轴流式引风机、纤维过滤层和活性碳-纳米TIO2复合
光催化净化层组成。其中,微型轴流式引风机用于提供清新无污
染的空气,纤维过滤层用于除去空气中的固体颗粒污染物及附
着其上的微生物,活性炭-纳米TIO2复合光催化净化层用于去
除挥发性有机物。
活性炭-纳米TIO2复合光催化净化体,是利用吸附剂活性
炭与光催化剂纳米TIO2复合的方法,首先在支撑体表面上粘结
活性炭形成吸附层,然后,再将纳米TIO2负载在活性炭粉末颗粒
上形成最外层的光催化层,最终形成纳米TIO2涂附在活性炭表
面的薄壳型结构。
其中涉及的一个较新技术为光催化净化空气,该反应体系
在光的催化下,吸收的光能直接变为化学能,因而使许多通常情
况下难实现的反应,在常温常压的条件下能够顺利进行,利用紫
外光源与TiO2光催化剂对有害气体及异味气体通过光催化反
应不可逆地彻底分解为无臭无害的产物CO2和H2O。另外光催
化剂使用紫外光激发的同时,可杀灭空气中的细菌病毒。
3空气质量的监测及控制
3.1硬件设计
空气质量监测及控制部分主要由单片机控制模块(C51),董亮:讲师硕士
基金项目：项目名称:随身自动空气净化处理器;颁发部门：
黑龙江省教育厅科研项目(10553113)
技术创新
单片机开发与应用
您的论文得到两院院士关注
空气质量监测模块(TP —4空气污染物传感器)、液晶显示模块
(CIG3224-1SNCW)、
语音模块、引风机、超声波雾化模块等组成。其原理框图如图2所示。
3.1.1空气质量检测
空气质量监测模块采用TP —4型常温气敏传感器。由纳米级SnO 2及适当掺杂混合剂烧结而成,是微珠式结构,在可检测的气体中,传感器的电导随着空气中气体的浓度变化而升高,属于电阻式金属氧化物半导体表面控制型,可将传导性变化改变
为一个输出信号,与气体浓度相对应。
该传感器对低浓度空气污染物如氢气、碳氢化合物、酒精、一氧化碳、烟、苯残余物等有很高的灵敏度以外,还对硫化氢、VOC 、
氨类气体有极高的灵敏度。采用微处理程序及专用软件来处理传感器的信号。
单片机控制的工作流程:当环境空气分子被空气污染物传感器所吸附,产生的信号经气体传感器信号拾取电路将其转变为电压信号,输入单片机,根据传感器检测的信息自动控制空气净化部分工作(引风机),并通过风罩供给个人清新无污染的空气。
图2空气质量监测及控制原理图
3.1.2液晶显示
液晶显示模块采用CIG3224-1SNCW,该模块为图形点阵式,具有高亮度、高对比度和宽温工作范围,其分辨率为320×240,可用多层合成显示各种复杂图形和文本信息,外置的SED1335控制器含有内部字符发生器,并支持用户自定义字库的外部扩展,最大驱动能力达0×256,是同类产品中功能很强的一种。
CIG3224-1SNCW 液晶显示模块用作PC 机或MCS-51扩展时,其接口时序采用Intel8080时序,它与单片机的接口方法分为直接访问方式和间接控制方式,本文采用直接访问方式,其接口设计如图3所示。
图3液晶显示与单片机接口图
A0是I/O 缓冲器选择信号,由P2.0引脚提供,当它为高时可写入指令代码或读取数据,为低时写入数据或读忙状态标志。译码器产生片选信号,系统扩展较多时可由CPLD 来实现。数据总线接在单片机的P0口上,读写信号由单片机的读写信号控制。R 、C 构成上电复位电路,
和都接低电平,选择液晶模块的Intel8080时序。基于这种接口方式,单片机以访问存储器的方式访问液晶显示模块,其操作时序是由单片机的内部时序决定的,因此叫做直接访问方式。
3.2软件设计
空气净化器的主程序使用C 语言编写,使用二维模糊控制模型。
程序把数字化的空气质量参数P 及其单位时间内的变化量△P 作为模糊控制系统的输入变量,把空气净化强度I 作为输出变量。其程序流程图如图4所示。
图4程序流程图
空气净化强度分5级,当空气污染浓度超过1500ppm,变化率超过200ppm(正三级)时空气净化强度加之最高级(L5);当空气污染浓度低于100ppm 且变化率为正一级(10~20ppm 每分钟)或正二级(20~50ppm 每分钟)时空气净化强度加之最低级(L1级);当浓度低于100ppm 且其变化率为非正时不采取净化措施;当空气污染浓度处于100ppm 到1500ppm 之间时每增加100ppm 为一级,每一级的处理方法与上面所说的情况类似,这里不再一一指出。
4结束语
便携式空气净化器使用51单片机和空气污染传感器构成控制监测系统,当空气质量变差时,可实时供给清新无污染的空气。该装置小巧轻便、操作简单、使用方便,便于长期在公共场所工作的人员使用,特别是在空气传播疾病严重时期,空气净化器还可根据不同的要求更换不同功能的材料(如我国和日本都研制出了可滤除非典病毒的空气过滤材料)。本装置也可应用于病房、治疗室等医院内常见的医疗用房,具有广泛的应用前景。
本文的创新:设计了便携式空气净化器,采用了活性炭、光催化技术相结合的空气过滤装置;当空气的污染度超标时,可实时的提供给个人清新的空气,即可随身携带,方便、轻巧;同时设计了超声波雾化部分,可供医疗机构使用。
项目经济效益:50万元以上。
(下转第87页)
技术创新
嵌入式系统应用
您的论文得到两院院士关注
检测算法,对图像进行处理后,将计算出的各车流量参数通过以太网或RS232接线口发送到控制模块,作为控制器(即上位机)进行路口信号灯控制的输入参数。视频图像检测算法如图3所示。
图3车流量控制算法流程图
2.3.2上位机控制器程序
该控制器控制软件采用模块化设计方法。整个程序由系统主程序,初始化模块,定周期控制模块,多时段控制模块。自适应控制模块以及区域联网控制模块等构成。系统上电后,先进行初始化,检测输入开关量,完成控制模式的确定,并建立控制方案。图4为控制器采用自适应方式的控制流程。选择自适应控制时,上位机通过以太网或RS232端口从车辆视频检测器(下位机)中读取车流量信息,采用交通信号动态控制优化算法,进行参数优化,最终得到优化的周期,绿信比,相位差等参数。再利用系统内部总线,传输给输出驱动电路,进行对信号灯的实时控制。
图4上位机控制流程图
3结束语
国外先进的交通控制系统并不能完全适合我国城市交通的实际情况,因此,研制开发能适合我国国情的,性能优良且价格低廉的城市交通控制系统已显得十分必要。
本文作者创新点:综合了车流量的图像采集及通道线圈检测技术,采用线动态优化控制算法,实现道口交通信号灯的控制。参考文献
[1]张国伍.智能交通工程导论[M].北京,电子工业出版社,2003.[2]安实.城市智能交通管理技术与应用[M].北京,科学出版社,2005.[3]赖于树.ARM 微处理与应用开发[M].北京,电子工业出版社,2007.
[4]周鹏,史忠科,陈小锋.城市交通联网控制及其多目标化实现[J].控制理论与应用,2002,19(2):215—218.
[5]文蓉,李仁发.先进交通管理系统的决策方法研究[J].科学技术与工程,2007,09.
[6]毛建东.基于CCD 的小模数齿轮齿形误差的测量[J].微计算机信息,2007,1-3:301-303.
作者简介:施吉方(1966—),男,汉族,浙江省上虞人,宁波工程学院高级工程师,主要从事自动控制理论及工程的研究工作。Biography:SHI Ji-fang(1966—),Male,Born in Shangyu zhejiang ,Inner,main research direction:the control theory and the control engineering.
(315016宁波宁波工程学院)施吉方李庆风徐婉萍
(The Ningbo university of technology,Ningbo ,315016,China)SHI Ji-fang LI Qing-feng XU Wan-ping
通讯地址:(315016宁波市后河巷20号宁波工程学院)施吉方
(收稿日期:2009.08.10)(修稿日期:2009.10.05)
(上接第109页)参考文献
[1]李一诺,陶冶.微型空气净化器的创新技术[J].医疗卫生装备.2006,27(1):41-42.
[2]李春林,齐怀琴,赵鑫.随身自动空气净化处理器的研究[J].环境污染治理技术与设备.2006,7(10):132-134.
[3]古政荣.活性炭——
—纳米二氧化钛复合光催化空气净化网的研究[J].华东理工大学学报.2000,26(4):367-371.
[4]曹海源,孙斌,等.液晶显示模块在单片机系统中的应用[J].微计算机信息.2006,11-2:105-107.
[5]刘增良.模糊技术与应用选编[M].北京:北京航空航天大学出版社,1997.
[6]SED1335Series LCD Controller ICs Technical Manual.Seiko Epson corporation,March,1999.
[7]朱孟府,王海燕,宿红波,等.便携式臭氧空气净化器的研制[J].医疗卫生装备.2008,29(1):9-10.
[8]邢玉斌,索继红,等.纳米光催化动态空气消毒净化器的应用研究[J].中华医院感染学杂志.2008,18(6):798-800.
[9]陈烈贤.空气净化器性能试验方法的探讨[J].环境与健康杂志.2001,18(4):233-236.
作者简介:董亮(1979-),男,黑龙江,齐齐哈尔大学讲师,硕士。主要研究方向包括:数字信号处理、单片机控制等;李春林(1954-),男,黑龙江,齐齐哈尔大学教授.主要研究方向包括:电工电子、传感技术、单片机控制等。
Biography:DONG Liang (1979-),male,HeiLongJiang,lecturer of Qiqihar university,master ’s degree.Research area:digital signal processing,SCM control and so on.
(161006齐齐哈尔齐齐哈尔大学通信学院)董亮朱磊(161006齐齐哈尔齐齐哈尔大学计算机学院)李春林
(Institute of Communications ,University of Qiqihar.Qiqihar 161006,China)DONG Liang ZHU Lei
(Institute of Computer,University of Qiqihar.Qiqihar 161006,China)LI Chun-lin
通讯地址:(161006黑龙江省齐齐哈尔大学通信与电子工程学院)董亮
(收稿日期:2008.11.21)(修稿日期:2009.02.21)下载本文
