智能室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與凈化系統(tǒng)設計

智能室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與凈化系統(tǒng)設計秦君;邵清亮淳5美琳【摘要】城市霧霾狀況的加重使得室內(nèi)空氣質(zhì)量受到嚴重影響.長期封閉且空氣環(huán)境惡劣的室內(nèi)環(huán)境會對人們的肝腎、呼吸道造成損傷，刺激神經(jīng)系統(tǒng),使人容易出現(xiàn)頭暈、頭痛、惡心等癥狀.針對這一問題，設計了一款基于STC89C51單片機的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與凈化裝置.該裝置在自動模式下利用多種傳感器檢測空氣中甲醛、苯、PM2.5等濃度，經(jīng)51單片機處理后確定室內(nèi)空氣污染程度并啟動相關凈化設備.經(jīng)測試，在設定的最大風速下,該裝置的凈化效率約為91%,并且能夠?qū)崟r顯示當前空氣質(zhì)量.試驗表明，該裝置性能穩(wěn)定,可實現(xiàn)對室內(nèi)空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測、可視化顯示、有效凈化多種污染物等功能，適用于一般的家庭凈化.該裝置實現(xiàn)了監(jiān)測凈化—體化智能控制,對于環(huán)境檢測具有較大參考意義.【期刊名稱】《自動化儀表》【年(卷)，期】2018(039)003【總頁數(shù)】4頁(P99-102)【關鍵詞】智能化裝置;傳感器;凈化系統(tǒng);空氣質(zhì)量;監(jiān)測【作者】秦君;邵清亮;郭美琳【作者單位】沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧沈陽110136;沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧沈陽110136;沈陽航空航天大學電子信息工程學院,遼寧沈陽110136【正文語種】中文【中圖分類】TH-39;TP270引言目前，市面上出售的基本為空氣監(jiān)測儀或空氣凈化器，兩者功能兼具的少之又少。大部分監(jiān)測、凈化儀器不能實現(xiàn)智能控制，需人工控制?；谝陨蠁栴}，本文設計了一款室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與智能凈化裝置。利用傳感器和液晶顯示屏，用戶可以隨時了解室內(nèi)空氣污染程度。當空氣污染程度達到上限時，由單片機控制風扇轉(zhuǎn)動，使污染物通過一系列濾網(wǎng)后被吸附、降解，保證室內(nèi)空氣始終保持在潔凈狀態(tài)，以便為人們提供一個更加優(yōu)質(zhì)舒適的生活環(huán)境。凈化部分增加風壓測定裝置，以確定濾網(wǎng)疏通度是否合格。1系統(tǒng)總體設計裝置以51單片機為控制核心，實現(xiàn)自動控制。通過傳感器檢測空氣溫濕度、粉塵含量、甲醛和苯等揮發(fā)性有機物濃度，從而確定室內(nèi)空氣質(zhì)量。51單片機先通過調(diào)用子程序讀取傳感器測得的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)作相應處理后，一方面將數(shù)據(jù)傳輸至顯示器，另一方面將數(shù)據(jù)和設定的空氣閾值進行對比，智能控制報警裝置和凈化裝置［1］。另外用戶還可以選擇手動模式，根據(jù)需要修改空氣閾值。系統(tǒng)總體構(gòu)圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1Overallstructureofthesystem2環(huán)境監(jiān)測部分硬件設計環(huán)境監(jiān)測部分硬件由51單片機控制模塊、傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、報警器模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊等組成。用戶可及時掌握室內(nèi)多種污染物的濃度狀況，以便實時監(jiān)測和控制［2］。2.1溫濕度信息采集DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的最大優(yōu)勢在于溫度和濕度可以同時顯示。單線制的串行接口功耗低、靈敏度高、穩(wěn)定性好，有利于系統(tǒng)集成。其典型應用電路如圖2所示。圖2典型應用電路Fig.2Typicalapplicationcircuit設定主機每50ms向傳感器發(fā)送一次開始信號，DHT11接收到信號后觸發(fā)一次溫濕度采集；采集完成后再將數(shù)據(jù)傳回單片機進行分析。另外，當DHT11處在非采集狀態(tài)時為低速運行模式，功耗極低。2.2顆粒物信息采集灰塵傳感器DSM501具有以下特點。①可靈敏檢測直徑1頃以上的粒子，包括吸煙所產(chǎn)生的煙霧、花粉和室內(nèi)灰塵等。②通過調(diào)節(jié)電阻值來檢測不同微粒大小的灰塵。③脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation,PWM)輸出。④內(nèi)有氣流發(fā)生器，可以自行吸引外部大氣。⑤體積小、質(zhì)量輕、便于安裝［3-4］。設定10s為一周期，使I/O管腳每隔50ms讀取一次管腳高低電平。當DSM501檢測到顆粒時，管腳為低電平，否則為高電平。輸出的PWM波形如圖3所示。圖3PWM波形Fig.3PWMwaveform從圖3可知，脈寬為低電平時間與周期時間之比。按照百分制輸送到LCD1602進行顯示。脈寬(1)2.3MQ135氣體傳感器MQ135氣體傳感器可檢測多種有害氣體且監(jiān)測效果理想，是一款適合多種應用的低成本傳感器。MQ135氣體傳感器利用電導率較低的二氧化錫(SnO2)作為氣敏材料，它的電導率與空氣中污染氣體濃度成正比。利用這一特性，使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出電壓［5］。這里，選用ADC0804芯片讀取輸出電壓，讀寫芯片需要根據(jù)芯片的時序，先使寫信號下降，進行A/D轉(zhuǎn)換；后使讀信號下降再上升，即可讀取數(shù)據(jù)。選用P1的8個I/O口讀取數(shù)據(jù)，傳回的數(shù)據(jù)是0~255的8位二進制數(shù)。由于芯片VCC接5V電壓，所以換算公式為：(2)2.4報警器模塊報警器模塊由LED紅燈、綠燈和蜂鳴器組成。51單片機將傳感器傳輸來的信號轉(zhuǎn)化后，同設定好的空氣限值相比較。當超出限值時，單片機會點亮紅燈并啟動蜂鳴器報警。在自動模式下，單片機則會點亮紅燈并直接啟動凈化裝置。另外，當凈化系統(tǒng)需更換濾芯時，單片機會使紅燈閃爍。2.5LCD顯示模塊通過1602液晶顯示器，用戶可以清楚了解到室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，同時也方便手動修改各項污染物的上限值。2.6按鍵控制模塊按鍵控制模塊的主要目的是實現(xiàn)人機交互。用戶可以通過操作面板向單片機發(fā)送指令，如調(diào)節(jié)污染污染物濃度的上限值、控制系統(tǒng)運行等。按鍵控制要實現(xiàn)開/關、自動/手動模式［6］、修改空氣閾值(手動模式下有效)和調(diào)節(jié)風速這4個功能。風速分為一、二、三檔；面板上配有設置鍵，用戶按下設置鍵后，通過控制上下左右鍵，選定某一位數(shù)值進行增或減，從而達到更改空氣閾值的目的。3空氣凈化部分設計結(jié)合對現(xiàn)有空氣凈化技術的優(yōu)缺點分析，該過濾裝置主要采用物理凈化方式。凈化部分包括風扇、濾網(wǎng)、紫外燈、風壓傳感器等。紫外燈、風扇和壓力傳感器受控于51單片機監(jiān)測端。3.1濾層結(jié)構(gòu)及其功效3.1.1凈化濾網(wǎng)前置濾網(wǎng)+HEPA濾網(wǎng)+活性碳纖維濾網(wǎng)三層嵌套，可有效去除室內(nèi)空氣中的煙塵、異味等。前置濾網(wǎng)和活性碳纖維濾網(wǎng)都能直接用水清洗后重復使用，大大降低了使用成本。3.1.2自催化氧化網(wǎng)+紫外燈采用表面負載納米二氧化鈦(TiO2)的泡沫鎳濾網(wǎng)，其超強的氧化功能可消滅濾網(wǎng)捕捉到的細菌。配合紫外燈還可以高效降解空氣中的甲醛、苯霉菌等有機化合物，并將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，避免二次污染。3.2風壓測定裝置在空氣凈化系統(tǒng)中，濾網(wǎng)的重要性不言而喻。然而隨著使用時間的增加，濾網(wǎng)的通暢度也會降低。當空氣通過濾網(wǎng)之后，污染程度反而變得更加嚴重。該裝置在氣箱的進出風口都安裝有風壓傳感器。當空氣通過傳感器時，壓力作用在傳感器膜片上引起電阻值發(fā)生變化。通過測試進出口風壓差的變化情況，判斷濾網(wǎng)疏通度。當風壓差超過一定值時，凈化系統(tǒng)關閉，同時紅色指示燈閃爍，提醒用戶清掃或更換濾芯。3.3加濕器在出風口增加濕膜材料，水通過濕膜頂部的淋水器最終被濕膜材料所吸收。當空氣通過濕膜時，水分吸收空氣熱量而汽化，將空氣進行加濕［7］。4環(huán)境監(jiān)測軟件設計以51單片機作為主控器，它是整個系統(tǒng)的核心。它不僅是所有模塊連接在一起的重要紐帶，而且決定了系統(tǒng)運行過程中的智能化。環(huán)境監(jiān)測軟件采用了模塊化設計理念[8],穩(wěn)定性更強，利于系統(tǒng)的調(diào)試及維護。系統(tǒng)流程如圖4所示。圖4系統(tǒng)流程圖Fig.4Flowchartofthesystem當單片機接收的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)超出標準設定值時，51單片機則會通知報警器報警并啟動風機，通過凈化裝置來達到凈化空氣的目的。用戶還可以手動調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速和凈化程度。5試驗測試測試過程中，將污染源放置在傳感器附近，該檢測系統(tǒng)能夠迅速感知周圍空氣環(huán)境變化，及時在LCD顯示器上顯示各污染物濃度并發(fā)出警報信號。將該裝置放在約12m2的房間內(nèi)，啟動凈化裝置且風扇設定為最大風速，凈化效率可達91%左右[9-10]。6結(jié)束語本文設計了一款基于STC89C51單片機的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與凈化裝置。該裝置運用多種傳感器及凈化設備，可以在自動監(jiān)測情況下智能凈化，保證室內(nèi)空氣始終保持在良好狀態(tài)。其LCD液晶顯示實時更新，使室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況一目了然。報警器設置提醒用戶注意空氣問題，在很大程度上避免了用戶在不知情的情況下由于長期處于劣質(zhì)環(huán)境中而損害健康。該裝置不但解決了頑固的室內(nèi)空氣質(zhì)量問題，還擺脫了二次污染的困境，可以廣泛應用于普通家庭中。參考文獻：邱燦彭.基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測自適應調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計[J].電子制作，2017(4):77-78.郭雙茂，馮浩，周參.采用微控制器操作系統(tǒng)的便攜式儀器設計[J].自動化儀表2016,37(1):93-95.朱世豪，彭克勤,彭絡峰.基于arduino的室內(nèi)空氣檢測器[J].無線互聯(lián)科技2015(1):191-216.代凌云孫百慧，蘭艷慧，等.汽車內(nèi)的空氣質(zhì)量檢測與凈化系統(tǒng)設計[J].電子技術,2016(9):48-50.曲娜,張悅空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)設計[J].電腦編程技巧與維護,2016(10):9-10.姚佳,張自嘉，朱莉.智能室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)設計[J]