1、 1 第一章 绪论 室内空气净化器是近几年来逐步受到关注的，现如今，部分城市区域会有雾霾现象出现，恶劣的天气情况影响人们的日常生活与身体健康。空气质量的好坏直接影响人的生活质量，室内空气清洁器便是用来改善和清洁空气的质量。在室内影响人们健康和舒适感的因素是湿度、温度、风速和空气质量等。在 60年代至 70年代，人们仅关心室内的温湿度和风速因素。今天，室内空气质量则成为主要的考虑因素。特别在 1973 年能源危机以来，为了减少热量损失，节约能源，建筑物的气密性很高。室内空气中的有害物质由于积聚效应，浓度比室外高 510 倍 以上。建筑材料、办公设备、家具、日用化学品、以及人们的活动及自身新陈代谢
2、等都会造成室内空气污染。根据欧洲、北美及日本等国家对大量的办公室、学校、住宅及其他非生产建筑物的详细现场调查研究表明，在不少建筑物内发生各种建筑查研究表明，在不少建筑物内发生各种建筑物疾病 :建筑物综合症 (SBS),建筑物关连症 (BRI)和多元化学物质过敏症 Poor，共分为 5个档位显示空气质量好坏； 4.灯管与过滤网状态显示服务：灯管 Lamp 与过滤网 Filter 的当前状态分为 ServiceOn， ServiceSoon 与 On 三种状态； 5.仪器工作定时设置：分为 1 6 小时的 6个档位的定时设置。 具体设计的内容包括：紫外光空气净化器控制系统的总体结构设计，将系统分为
3、了电源控制模块、传感器数据采集模块、电机控制模块、紫外灯 管控制模块、液晶显示器模块与其它辅助电路模块。 空气净化器可以帮助人们提高室内空气质量，本文所研究的紫外光空气净化器，可以捕捉的污染源系列非常广泛，包括细菌、真菌甚至病毒。机器内的微风扇（又称通风机）使室内空气循环流动，污染的空气通过机内的空气过滤器（两次过滤）后将各种污染物清除或吸附，然后经过装在出风口的紫外线光灯管（工作时产生杀菌紫外线），达到清洁、净化空气的目的。空气净化器不仅应用与办公、住家等室内净化，更频繁应用于医院这样的医疗机构的工作环境中，空气净化器通过静电吸附、紫外线灯管加以过滤系统，不仅可 以过滤和吸附空气中带菌的尘埃
4、，也可吸附微生物。据实验数据显示，消毒后的细菌数符合国家标准，而且可以进行连续空气消毒，医院工作人员进入无菌工作间后，其空气中细菌数无明显回升，细菌数均低于国家规定的无菌间消毒标准。由于空气净化器消毒对人体无毒害作用，对环境条件也无特殊要求，实现了真正意义上的人机共存 1。 1.3 本文的组织结构 根据单片机控制系统设计中的模块化、标准化、先进性与安全性原则，针对项目中紫外光室内空气净化器的设计需求，理论结合实验，分步、分模块设计出基于 AVR 单片机的控制系统，论文的组织结构如下： 第一章：绪论，主要介绍了论文的研究背景，包括空气污染的现状分析、空气净化器的发展现状，介绍了研究的主要内容与意
5、义，并分析了课题研究的可行性，以及论文的组织结构安排； 第二章：空气净化器控制系统总体设计，概述了 AVR 单片机控制系统的设计与应用，再对本课题研究的紫外光空气净化器进行功能需求分析，给出了仪器的总体结构设计，同时设计了其控制系统的总体框架与系统运行的原理框架，并就框架中的各个模块进行概述； 第三章：传感器数据采集模块设计与实现，详细地分析气体传感器与热释4 红外传感器的工作原理与电气特性，合理地选择 TGS800 与 LHi878 传感器，并设计出两种传感器的数据采集电路，利用 AVR 单片机对传感器采集的输出信号进行处理，将采集的信号通过程序控制转换为对电机工作状态的控制信号，设计实现空
6、气净化器系统的传感控制模块； 第四章：控制系统的硬件设计与实现，为本论文的主题研究部分，其结构示意如图 1-2所示： 图 1-2 控制系统的硬件模块组成结构图 除上述的传感器数据采集模块外，主要还包括以下的设计内容： （ 1）电源控制模块设计，根据空气净化器的需求分析结果，设计控制系统的电源控制模块，将输入的 110V 的交流电经过变 压器输出为 12V，再经桥式整流并虑波后得到 9V 直流电为红外传感器电路供电，同时由三端稳压芯片 L7805降压到 5V给单片机、气体传感器及其它器件供电，完成电路控制系统供电功能模块的设计； （ 2）电机驱动控制模块设计，根据系统的功能需求，对比现有工业电机
7、的特点，采用了单相交流异步电机（附加运转电容驱动），采用 ATMEGA128 单片机通过可控硅驱动光耦 MOC3023 驱动电机，控制其导通与转速的变化，程序将根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，以满足空气净化器的功能需求； （ 3）其 他功能模块设计，包括了紫外光发射灯管的控制模块、 12864 液晶显示器模块、控制系统的功能按键、红外遥控模块、灯管与过滤网状态计时与复位功能、 JTAG 程序仿真电路、 AVRISP 程序烧制模块的设计与实现，完成系统的辅助电路与保护电路设计； 第五章：控制系统的软件设计与实现， AVR 单片机控制程序设计，根据以上的各功
8、能模块的设计与实现，采用 AVR 系列的 ATmega128 单片机，对初始化程序、显示器信号、电机驱动控制信号、灯管驱动控制信号以及功能按键进行控制与信号处理程序的编写，并进行程序的调试和运行检测； 第六章： 总结 本文所研究的空气净化器控制系统，是一套基于 AVR 单片机下设计开发的应用系统。论文的创新点在于：利用 TGS800 气体传感器进行室内空气质量的检5 测，并根据检测信号通过单片机程序控制净化器的工作状态；采用 LHi878 红外传感器采集移动的人体红外信号，并根据检测的脉冲信号调整净化器的工作状态。论文研究的重点在于，控制系统的硬件设计，包括各个功能子模块的硬件选型、电路设计、
9、原理图以及 PCB 设计等，并概述程序的设计。 1.4 本章小结 本章以室内空气污染的现状与空气净化器的研究现状为背景，进行项目的调研与设计分析， 根据课题项目的实际需求确定课题研究的主要内容与研究意义，并确定了本课题研究的室内空气净化器需要实现的主要功能和任务并明确划分了论文的整体组织结构。 第二章 空气净化器控制系统的总体设计 单片机（又称微处理器）是在一片硅片上集成了中央处理器（ CPU）、数据存储器（ RAM）、程序存储器（ ROM 或 Flash）、定时器 /计数器以及多种 I/O 接口的单芯片微型计算机。 AVR 单片机是 Atmel 公司于 1997 年推出的一款基于 RISC指
10、令架构的高性能、低功耗的 8 位单片机。本课题设计中的 AVR 单片机采用的是基于 AVRRISC 结构的 8位低功耗 CMOS 微处理器 ATmega128，本章的研究将完成基于 AVR 单片机的空气净化器控制系统总体分析与设计。 2.1AVR单片机 AVR 单片机是一款基于 RISC 指令架构的 8位单片机。 AVR 单片机采用 RISC（ ReducedInstructuinSetComputer，精简指令集计算机）结构，具有 1MIPS/MHz的高速运行处理能力。 AVR 单片机运用 Harvard 结构，在前一条指令执行的时候就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。在其他的 RIS
11、C 以及类似 RISC结构的单片机中，外部振荡器的时钟 被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达 12 倍（ 8051）。 AVR 单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，它是 8 位单片机中第一个真正的 RISC 结构的单片机。由于 AVR 单片机采用了Harvard 结构，所以它的程序存储器和数据存储器是分开组织和寻址的，寻址空间分别为可直接访问 8MB 的程序存储器和 8MB 的数据存储器。同时，由 32 个通用工作寄存器所构成的寄存器组被双向映射，因此，可以采用读写寄存器和读写片内快速 SRAM 存储器两种方式来访问 32 个通用工作寄存器。同时， AVR单片机采用低功率非挥发
12、的 CMOS 工艺 制造，内部分别集成 Flash、 E2PROM 和SRAM三种不同性能和用途的存储器，除了可以通过 SPI口和一般的编程器对 AVR单片机的 Flash 程序存储器和 E2PROM 数据存储器进行编程外，绝大多数的 AVR单片机还具有线编程（ ISP）的特点，为学习和使用 AVR 单片机带来了极大的方便 1。 AVR 单片机的内部结构如图 2-1 所示： 6 图 2-1 单片机的内部结构图 2.1.1 AVR 单片机开发工具选择 AVR 单片机的开发工具包括 C 编译器、 BASCOM-AVR 宏汇编器、程序调试器和仿真器、在线仿真器。表 2-1 列出了 AVR 单片机常用
13、的软、硬件开发工具与开发环境 2。 表 2-1AVR 单片机的开发工具 名称 说明 AVR-Studio Atmel 公司官方推出的 AVR 单片机的免费集成开发环境，只支持汇编级的开发调试。 AVR-Studio 集成开发环境包含了 AVRAssembler 编译器、AVRStudio 调试器、 AVRProg 串行及并行下载功能和 JTAGICE 仿真等功能 ICC-AVR ImageCraft 公司推出的 C 编译器， ICC-Demo 版在 45 天内为免费完全版，45 天后转为 2KB 代码限制版 IAR-AVRIAR 公司 推出的 C 编译器，支持用 C 和 C+来开发 AVR 单
14、片机 CodeVisionAVR HpinfoTech 公司推出的 C 编译器， Demo 版有 2KB 代码限制，如果要消除2KB 代码限制，必须进行注册 PonyProg 免费的 ISP 下载软件，支持多种器件的程序下载 SL-ISP 双龙公司免费的 AVR 单片机 ISP 下载软件 AVR-JTAGAVR 单片机的 JTAG 仿真器，可对所有具有 JTAG 仿真接口的 AVR 单片机进行实时仿真调试及程序下载 在本课题的研究中，由于功能的需求采用了 AVR 系列的 Atmega128 单片机，同时采用了 C语言进行 AVR 单片机的开发，因此选择了 CodeVisionAVR 进行程序编
15、写，并使用 AVR-JTAG 进行仿真调试，而使用 PonyProg 进行程序的下载与烧制。 2.1.2ATmega128 单片机 ATmega128 单片机的引脚配置如图 2-2所示： 7 图 2-2ATmega128 单片机引脚配置图 表 2-2Atmega128 单片机引脚功能概述 引脚 说明 VCC 数字电路的电源 GND 地 端口 A(PA7.PA0) 端口 A 为 8 位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称 的驱动特性，可以输出和吸收大电流 端口 B(PB7.PB0) 端口 B 为 8 位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对
16、称的驱动特性，可以输出和吸收大电流 端口 C(PC7.PC0) 端口 C 为 8 位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流 端口 D(PD7.PD0) 端口 D 为 8 位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流 端口 E(PE7.PE0) 端口 E 为 8 位双向 I/O 口， 并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流 端口 F(PF7.PF0) 端口 F 为 ADC 的模拟输入引脚。如果不作为 ADC 的模拟输入，端口 F可以作为 8
17、 位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流 端口 G(PG4.PG0) 端口 G 为 5 位双向 I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流 RESET 复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。低于此时间的脉冲 不能保证可靠复位 XTAL1 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入 XTAL2 反向振荡器放大器的输出 AVCC AVCC 为端口 F 以及 ADC 转换器的电源，需要与 VCC 相连接，即使没有使用 ADC也应该如此。使用 ADC 时应该通过一个低通滤波器与
18、 VCC 连接 AREF AREF 为 ADC 的模拟基准输入引脚 PEN PEN 是 SPI 串行下载的使能引脚。在上电复位时保持 PEN 为低电平将使器件进入 SPI 串行下载模式。在正常工作过程中 PEN 引脚没有其他功能 ATmega128 为基于 AVRRISC 结构的 8位低功耗 CMOS 微处理器，是典型的高档 AVR 系列单片机。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间， ATmega1288 的数据吞吐率高达 1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾 4。 引脚功能的说明如表 2-2： AVRATmega128 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄
19、存器。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元 (ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高 10 倍的数据吞吐率。 2.2 空气净化器 空气污染 物是指由于人类活动或自然过程排入空气的并对人类或环境产生有害影响的那些物质。一般分为固态污染物和气态污染物两大类，固态污染物常见的有粉尘、烟雾等（通常称为颗粒物）；气态污染物常见的有装修污染产生的甲醛、苯、氨、挥发性有机物等。紫外光空气净化器，其主要的消毒灭菌方式是利用了紫外线的原理通过紫外线的照射，穿透微生物的细胞膜，破坏各种病菌，细菌，寄生虫以及其他致病体的
20、 DNA 结构，毁坏其核酸分子键，使细菌当即死亡或不能繁殖后代。与此同时，紫外光空气净化器必须完成空气过滤、通风以及自动采集空气质量、室内人体红外指标的 功能。 2.2.1空气净化器结构功能分析 本项目需要设计的紫外光空气净化器具有自身独特的空气净化技术与控制系统，其主要功能结结构如图 2-3 所示： 图 2-3 空气净化器功能结构图 从图中可以看出系统的主要执行功能如下： （ 1）控制面板上电源开关 POWER（ ON/OFF）按键，可以打开和关闭空气净化器，包括打开 /关闭紫外线灯管、电机与液晶显示器； （ 2）控制面板上的房间大小（ RoomSize）按键，可手动选择空气净化器工作的环境
21、，将房间大小分为：特小（ X-Small）、小（ Small）、中等（ Medium）、大（ Large）、特大（ X-Large）五个等级； （ 3）控制面板上的工作模式（ Mode）按键，可以手动选择仪器的工作模式，将模式分为：自动模式、超级模式、省电模式与睡眠模式四种； （ 4）控制面板上的定时（ TimeSet）按键，可以设置空气净化器的工作时9 间，定时设置从 30 分钟 60 分钟 . 360 分钟，以 30 分钟为一区间进行设置； （ 5）面板上紫外线灯管（ LAMP）和过滤网（ FILTER）状态按键，是在计时器信息显示它们使用寿命已至，并将其更换后，将计时器进行复位的操作功能
22、； （ 6）红外遥控装置，通过 遥控器可以控制净化器的工作状态，对净化器工作模式进行调节，用红外遥控代替按键操作； （ 7）电机（ Motor）工作状态随着传感器检测信号与按键控制信号的变化而改变，在不同的状态下，电机转速不同。例如：在超级模式下，电机转速较快；而在省电模式下，电机转速较为缓慢。 （ 8）液晶显示器（ 12864LCD），正常工作时将正确显示初始化状态信息，并能够及时根据传感器检测信号与按键信号的变化，调整显示的状态；还显示出气体传感器检测出的当前空气质量的信息，由优（ Good） 很差（ Poor），共五个等级显示空气质量好坏。 2.2.2控制系统功能设计分析 空气净化器（
23、AirCleaner）定义为：对室内空气中的固态污染物、气态污染物等具有一定去除能力的电器装置。根据项目的实际需求，紫外光空气净化器是利用了紫外线的原理通过紫外线的照射，穿透微生物的细胞膜，破坏各种病菌，细菌，寄生虫以及其他致病体的 DNA 结构，毁坏其核酸分子键，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，从而达到消毒灭菌的作用。根据以上设计的紫外线空气净化器的功能概述，设计控制系统的需求模块如下图 2-4所示： 图 2-4 空气净化器控制系统功能需求模块图 由上图可将空气净化器控 制系统分为以下主要模块进行详细的设计： （ 1）传感器数据采集模块： 该模块是利用传感器对外部信号进行采集与处理功能的实现，
24、分为运动传感器与化学传感器两个分支。运动传感器为 LHi878 热释红外传感器，用于检测移动的人体红外信号源，当人体对空气净化器发射的红外信号变强的时候，电机转速加快，加强空气净化幅度；化学传感器为 TGS 气体传感器，用于检测甲烷和丙烷等可燃性气体、一氧化碳、硫化氢等有毒气体，以及酒精等各种气体浓度，当室内的气体浓度发生变化的时候， TGS 传感器输出不同的电压增量，10 由 AVR 单片机进行信号处理，并 对应状态调整电机的转速； （ 2）电源电路模块： 该部分是整个控制系统的供电核心，空气净化器的电源经外部变压器输入了 110V 的交流电压，电源电路首先将电压进行降压，转换为 12V 电
25、源，然后经过桥式整流与直流变换得到 12V 的直流电源，随后使用 LM7805 得到 5V 直流电压，经 LM7809 得到 9V 直流电压，并直流滤波后将 9V为 LHi878 传感器模块供电，为其它模块提供 5V 工作电压； （ 3）电机控制模块： 项目中采用的电机为电容式启动的单相异步交流电机，电机工作在 110V 交流电源下，并由单片机提供驱动信号，由 ATMEGA128 单片机通过可控硅驱动光耦 MOC3023 驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机程序将根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应
26、档的转速； （ 4）灯管控制模块： 紫外光灯管的导通控制是利用 ATmega128 单片机指令来实现的。其控制电路同样是通过单片机控制可控硅驱动光耦 MOC3023 来实现的，通过 ATMEGA128单片机通过可控硅驱动光耦 MOC3023，驱动 Philips 紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出 灯管是否正常工作并完成电路设计与程序的编写； （ 5）显示器控制模块： 采用了 SMG12864 液晶显示器，型号为 SMG12864G2-ZK，这是 128 64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形。液晶显示器的主要功能负责显示空气净化器的工作信息，包括了工作模式、房间大小、
27、紫外灯管与过滤网工作状态、空气质量、定时设置等信息，通过 ATmega128 单片机的控制，实现数据的 I/O 交换。 （ 6）红外遥控模块： 红外遥控模块一般分为两个部分，红外发射器与接收电路，由于项目中委托企业已经设计出了红外发射器部分，并 提供了每个按钮发射的红外波形与时序，在本文中只需设计出红外接收电路，与红外遥控程序即可。 （ 7）按键控制模块： 按键功能的设计主要包括：开关“ POWER”按键、工作模式按键、房间大小按键、定时按键、灯管状态复位按键、过滤网状态复位按键。 （ 8）其它辅助电路模块： 主要包括了 AVR 单片机工作与保护电路， JTAG 程序仿真电路、 AVRISP 程序烧制模块以及主控制电路中的电源滤波设计等。 2.3 系统总体结构设计及工作原理
