基于ATmega16单片机的空气净化器控制系统设计

余阿陵， 陈显彬

(1.汕头职业技术学院, 广东 汕头 515041； 2. 汕头高威电子有限公司, 广东 汕头 515041)



基于ATmega16单片机的空气净化器控制系统设计

余阿陵1， 陈显彬2

(1.汕头职业技术学院, 广东 汕头 515041； 2. 汕头高威电子有限公司, 广东 汕头 515041)

摘要：本文提供一种能使室内空气得到净化的空气净化器设计。以Atmel公司的AVR单片机ATmega16为核心处理器，通过相应气体传感器进行信号检测，由检测结果，实现了空气排风过滤系统的三个不同等级动力驱动的自动控制。该空气净化器还具有PM2.5检测值显示、甲醛检测值显示、紫外线发生器控制、负离子发生器控制、定时与睡眠设置以及遥控等功能。

关键词：PM2.5；非线性标度变换；移动平均值滤波

0引言

1995年和2012年，国家先后公布了《居室空气中甲醛的卫生标准》和《环境空气质量标准》[1，2]。对检测居室中PM2.5、甲醛等污染物的浓度作了明确规定。这使得根据检测值对居室内的空气进行相应的净化处理，以求实现健康安居的环保要求有了依据。

本文介绍一款空气净化器设计，它将过滤式净化、负离子净化、紫外线杀菌等空气净化技术组合起来。通过引入PM2.5、甲醛气体传感器，在ATmega16单片机的智能化测控下，以三层过滤吸附装置过滤室内空气中颗粒状污染物、吸附各种有害物质；形成初步空气净化后，再通过电机驱动形成管道下的气流通道，促使空气由气流通道传送给杀菌装置；并由气流通道将净化后的空气排放到室内，从而获得室内的空气净化处理。

1控制系统组成

控制系统组成结构如图1所示。

控制系统将PM2.5检测传感器、甲醛检测传感器所检测到的对应模拟电压，由ATmega16单片机进行A/D转换。为保证检测值的可靠性，单片机通过多次采样检测后，由程序算法实现移动平均值滤波，其后，再将处理好的数据通过非线性标度变换，转换为PM2.5、甲醛的体积浓度(PM2.5单位为：微克/立方米μg/m3；甲醛单位为：毫克/立方米mg/m3)，结果显示在SMC1604(显示容量为16×4字符)LCD显示器上。

图1　空气净化器控制系统硬件结构

图中的红外遥控发射器、红外遥控接收器组成了人机对话操作部分，其功能与后继的手动/自动控制、紫外线杀菌等按键功能一样，区别仅在操作距离上。通过这三者的操作，可以实现：①系统开机/关机；②依PM2.5、甲醛检测值的自动/手动风速调整方式对三档风道电机转速进行设置；③负离子发生器、紫外线杀菌发生器的开关机控制；④睡眠定时时间设置。同时为增强人机互动感，在单片机系统中配置了操作蜂鸣器。

图中，三档风道电机驱动电路是由单片机通过光电耦合器控制三路双向可控硅的导通与关断实现三档式交流电机的转速控制；紫外线杀菌发生器为一紫外线荧光灯，也由单片机通过光电耦合器，控制双向可控硅的导通与关断，来控制其工作；负离子发生器为本机电源电路中的一振荡升压电路，也是通过单片机控制其振荡的启动与停止来控制其工作。

2控制系统电路设计

2.1ATmega16单片机资源分配

图2为ATmega16单片机引脚分配，其引脚主要分成A、B、C、D四个端口类。

(1)A端口：PA0、PA1实现PM2.5、甲醛检测；PA2～PA7引脚均为控制电平输出端：PA2(KILL)为杀菌控制输出、PA3～5(SPEED3～1)为三档式交流电机转速的单片机控制输出、PA6(ANION)为负离子发生器工作控制端、PA7(SP)引脚为蜂鸣器工作控制端。

图2　ATmega16单片机引脚分配

(2)B端口:PB0(LED AG)作为LCD屏显的背光电源工作控制端；PB1(SEN POWER)为PM2.5传感器、甲醛检传感器的接通电源控制端。PB5～7留用为程序下载专用口。

(3)C端口：作为LCD显示器SMC1604的标准接口，其数据总线采用4位方式，参见图中PC4～7(LCD D4～7)。

(4)D端口：PD0～PD7(除PD2)分别为开关机ON/OFF、手动/自动AUTO、定时设置TIME、手动三档转速电机设置SPEED、睡眠SLEEP、杀菌KILL、负离子发生器控制共七个按键接入端；PO2(T1838)为遥控接收器的输出，通过使用其第二功能：外部中断功能，来实现遥控控制。

2.2PM2.5、甲醛传感器检测与控制电路

图3为PM2.5传感器检测与控制电路。图中PM2.5传感器采用郑州炜盛电子科技有限公司生产的半导体烟雾传感器：MQ02，为一气敏元件[3]。

图3　PM2.5传感器检测与控制电路

在H1-H2端通电加热条件下，AA-BB端的电导率会随着空气中杂质浓度的增加而增大。电路中C10、C12为滤波电容，用来滤除杂波干扰；R2-1、RB组成将电导率变化转换为电压的检测电路，AD0为将检测电压送到ATmega16第40脚的AD转换输入端；PMOS场效管Q1 NTR4101通过其栅极由ATmega16第2脚送来的低电平信号SEN POWER，将电源+5V VCC接通到MQ02的H1、AA端，实现开机预热控制与工作过程的通电加热。

甲醛传感器也采用了该公司的特殊气体传感器：MQ138，其工作原理与PM2.5传感器MQ02类似，接到ATmega16第39脚的AD1转换输入端。电路部分这里不再给出[4]。

2.3三档风道交流电机驱动控制电路

图4为三档风道交流电机驱动控制电路。电机的工作电源为交流220 V供电，在ATmega16单片机的PA3～5为低电平时，可控硅Q2～4导通。其中单一路导通时，电机转速最低，风力最小；三路均导通时，电机转速最高，风力最大。PA3～5三路均为高电平时，电机停转。其他电路部分，均属常见单片机外围电路，本文不再赘述。

图4　三速交流电机驱动控制电路

3控制系统程序设计

3.1控制系统程序流程

图5为系统主程序流程图；图6为由红外遥控接收的外部中断服务程序流程图。

以上未列出定时中断服务程序，其为主程序中设置了定时/睡眠后的定时功能，当其减计数值至零时置off标志，实现关机功能。

3.2AD转换的移动平均值滤波

ATmega16单片机AD转换的实现方式，可参考其他资料，本文不再进行讨论[5]。

这里重点说明一下ATmega16单片机AD转换采样数据的移动平均值滤波的程序实现。

由于受到外界噪声干扰的影响，AD转换采样值可能出现不规律的跳动，本程序分别对PM2.5和

图5　控制系统主程序流程图

图6　接收外部中断程序流程图

甲醛传感器的AD转换值进行了移动平均值滤波。对PM2.5移动平均值滤波程序如下：

read_adc(0x00); //读AD转换值

ch0v1=(uint)(ADCW*5/1.024);

ch0v2=ch0v2+ch0v1; //PM2.5平均值滤波

n1++; //计平均值滤波平均次数

if(n1==12)

{ch0v=(uint)(ch0v2/n1);ch0v2=0;n1=0;}

由上程序可以看出，程序对每12次AD检测值进行一次平均值计算，当12次计满后清零计数次数，开始下一次平均值滤波。甲醛移动平均值滤波与此类似。

3.3滤波值的标度变换

PM2.5传感器的输出电压值与实际其所检测的PM2.5体积浓度值对应关系如表1所示，甲醛传感器的相应关系与此类似[3，4]。由表中数值可见，其呈非线性关系。因此程序实现该标度变换的思路为：在获得PM2.5、甲醛传感器的输出电压移动平均滤波值后，先将其转换为序列n值，再通过该n值，由建立在程序中的PM2.5、甲醛体积浓度值数组查表，获得其体积浓度值。另：表中的报警点，为三档风道电机转速的切换点，当各移动平均值等于切换点电压值时，在设置为自动方式时，会自动切换三档风道电机转速。

表1PM2.5传感器输出电压值与体积浓度值对应关系

实现程序如下：

首先在程序中建立与表1对应的两个数组如下：

uint tab1[]={0,1,2,3,3,4,…,,9,10,11,…19,20,20,20,…49,50,…,90,100};//甲醛测试电压标度变转数组

uint tab2[]={16,17,…71,75,76,7…99,100,101,…149,150,151,…,96,197}; //PM2.5测试电压标度变转数组

依移动平均值的查表程序如下：

{uchar t1;t1=(uchar)(0.0768*ch0v-4);

pm2p5=10*tab2[t1];}

{uchar t;t=(uchar)(1.024*(ch1v-1000)/10-28);

ch2o=10*tab1[t]; }

4运行结果

本程序在Code VisionAVR编译器下进行设计，通过Proteus ISIS仿真软硬件的运行效果。

图7为自动运行时的显示效果。

图7　控制系统自动运行检测与控制显示

其中上侧第一行左边三个“θ”，代表负离子发生器处于工作状态；上侧第一行右边为紫外线杀菌发生器外工作状态；当这两者功能关闭时无显示；末行右边的三个“F”，代表三档风道电机转速度的运行状态，显示一个“F”代表最低风速，显示三个“F”代表最高风速；中间两行为PM2.5、甲醛体积浓度值。通过与市面上专用 PM2.5、甲醛检测仪进行检测值对比，结果一致。而且各项控制，包括红外遥控功能均运行正常。

手动时“AUTO”显示变为“MANUAL”，风速由手动设置，不依PM2.5、甲醛值变化。

5结语

家用空气净化器是近年来家用电器中的新型热门产品。本设计在这方面进行了智能化控制方式的设计尝试，而且从运行结果上表现出良好的运行状态，整个系统由ATmega16单片机作为核心，大大简化了硬件设计的复杂层度；又因为其所具备的良好软硬件编程仿真环境，极大的缩短了产品开发周期。

因本课题包含单片机的传感器信号检测、数据移动平均值滤波处理、信号标度变换、显示输出与控制等智能化测控系统的大量知识点，非常适合引入到智能检测与控制等单片机类课程中，作为课程的综合设计内容来开展教学。

参考文献:

[1]GB/T 16127-1995，中华人民共和国国家标准《居室空气中甲醛的卫生标准》[S].

[2]GB/T 3095-2012，中华人民共和国国家标准《环境空气质量标准》[S].

[3]MQ-2 http://www.winsensor.com/ctbdt/MQ_2ywcgq_7.html;

[4]MQ138 http://www.winsensor.com/ctbdt/MQ138yjzqcgq_20.html;

[5]章亚明. 嵌入式控制系统应用设计[M].北京:北京邮电大学出版社，2010.

Design of Air-purifier Control System Based on ATmega16 MCU

YU A-ling1， CHEN Xian-bin2

(1.ShantouPolytechnic,Shantou515041,China；2.ShantouGoworldelec.Co.,LTD，Shantou515041,China)

Abstract：This article provides a kind of design of air purifier for indoor air purification. The ATmega16 MCU as the core processor is to use, which is one of the products of Atmel company.Through signal detecting with corresponding gas sensor,and base on the detection results, it is achieved the air exhaust air filter system of three different levels of power driven automatic control. At the same time, This air-purifier is equipped with the PM2.5 detection data display,the CHOH detection data display, the ultraviolet generator control, the negative ion generator control, the time and the sleep setting ,the remote control and other functions.

Keywords：PM2.5；nonlinear scale transformation；moving average filtering

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0071-04

中图分类号：TP212/217

收稿日期:2015-10-06;修回日期:2015-11- 17

第一作者：余阿陵(1962-)，男，学士，工程师、讲师，主要从事应用电子技术教学，信号检测与系统控制方面科研工作，E-mail：yualing@139.com