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合肥工业大学 硕士学位论文 基于atmega128单片机的空气净化器控制系统设计与研究 姓名：李果 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：董玉德 2010-09 i 基于基于 atmega28 单片机的空气净化器控制系统的设计与研究单片机的空气净化器控制系统的设计与研究 摘摘 要要 随着生活水平的提高和环境状况的日益堪忧，室内的空气污染越来越严 重，直接危害了人类的生活环境和身体健康。如何有效净化室内空气已被人 们所关注，并成为环保科技中一项重要的研究课题。 本文给出的答案就是提供一种能使室内空气得到净化，使室内空气始终保 持清新的空气净化器。本文阐述了这种新型的紫外线杀菌型空气净化器控制系 统的硬、软件设计、程序实现以及重要程序分析。 本论文研究的空气净化器控制系统，是以 atmel 公司的高档 avr 单片机 atmega128 为核心处理器进行设计、开发与实现的。文章依据单片机系统开发 的规范，从系统功能需求分析，提出硬、软件的总体设计方案，并通过模块化 设计，对系统的各功能模块给出详细的设计和解决方案，对其中涉及到的原理、 算法和重要程序进行详细阐述。对控制系统的初始化模块、显示模块、按键处 理模块、数据采集处理模块、时间处理模块、蜂鸣器驱动模块、电机驱动模块、 紫外灯管驱动模块和电源控制模块以及红外遥控器的设计和实现是本文重点内 容。 本文研究的控制系统使这款新型室内空气净化器真正达到环保、节能、智 能化和人性化。本文的研究将为室内空气污染控制与空气净化技术的发展作出 重要贡献。 关键词：关键词：空气净化器；atmega128；控制系统；紫外线 ii design and research of air-purifier control system based on atmega128 microcontroller abstract with the development of the living standard of the people and the increasing deterioration of the environment, the indoor air pollution is getting more and more serious, which can destroy the living environment and harm peoples health directly. so how the indoor air could be purified efficiently has been attracted by a lot of people, also been a very important research subject in the environment protection. in this paper a new air purifier is researched and designed which can provide an answer to purify the indoor air and provide continuously fresh air. the hardware and software design, applied in this new air purifier control system which can kill the bacteria by ultraviolet radiation, program implement and the analysis of key program is discussed in the paper. the control system for this new air purifier is designed and developed based on the atmega128 core processors of avr microcontroller which is form atmel corporation. according to the standard of the microcontroller development, the overall design plan for hardware and software is created based on the analysis of system functional requirement. detailed design method and solution for each function module of the system are discussed by way of modularization design technology. and relative principle, algorithm and key program are illustrated in detail. the design and implement of initialization module, display module, keyboard module, data acquisition and processing module, time processing module, buzzer driver module, motor driver module, ultraviolet lamp driver module, power control module and infrared remote-controller are the key contents in the paper. the control system will make this new air purifier achieve the requirement of environment protection, energy saving, intelligent and humanization, and the research will do important contribution to the indoor air pollution control and development of air purifying technology. keywords:air-purifier; atmega128; control system; ultra-violet vi 插图清单插图清单 图 1-1 空气净化器工作过程侧面剖视图 3 图 1-2 控制系统的模块设计图 4 图 2-1 空气净化器控制系统总体功能需求. 6 图 2-2 atmega128 单片机引脚配置图4. 7 图 2-3 控制系统硬件总体设计方框图 . 9 图 2-4 控制系统软件总体设计方框图 . 10 图 3-1 初始化程序流程图 12 图 3-2 tgs800 传感器及其调理电路 13 图 3-3 tgs800 传感器的电路图 . 13 图 3-4 气敏传感器的工作原理图. 14 图 3-5 典型的湿度影响图 15 图 3-6 加热影响图 . 15 图 3-8 adc 单次转换时序图 . 17 图 3-9 adc 参考电压抗噪电路图 18 图 3-10 空气质量监测原理图 19 图 3-11 空气质量监测程序流程图 . 19 图 3-12 ad 转换结果处理子程序流程图 20 图 3-13 空气质量标准转换映射图 . 21 图 3-14 lhi878 红外传感器实物图 22 图 3-15 菲涅耳透镜图 . 23 图 3-16 不同温度下的红外线辐射波长图 23 图 3-17 红外捕获模块实物图 24 图 3-18 lhi878 信号调理电路图 25 图 3-19 lhi878 采集信号脉冲波形图 . 25 图 3-20 人体活动红外捕获程序流程图 . 26 图 3-21 12864 液晶模块内部结构图 28 图 3-22 12864 液晶模块方框示意图 29 图 3-23 12864 液晶显示器控制电路图 . 31 图 3-24 12864 液晶模块初始化流程图 31 图 3-25 12864 液晶模块程序流程图 31 图 3-26 空气净化器按键模块方框图. 34 图 3-27 按键动作波形图 35 图 3-28 按键电路图 . 36 图 3-29 按键判断流程图 37 vii 图 3-30 模式按键处理流程图 38 图 3-31 灯管驱动与控制程序流程图. 39 图 3-32 灯管驱动反馈程序流程图 . 40 图 3-33 电机驱动与控制程序流程图 . 40 图 4-1 控制系统配套红外遥控器实物图 . 42 图 4-2 红外遥控系统框图 42 图 4-3 简单接收电路图 . 43 图 4-4 38khz 一体化接收头实物图 44 图 4-5 saa3010 引脚图 45 图 4-6 saa3010 矩阵键盘连接图 . 45 图 4-7 saa3010 的逻辑 0 和逻辑 1 定义 46 图 4-8 saa3010 数据帧格式. 46 图 4-9 saa3010 一帧完整的发射码构成 46 图 4-10 saa3010 解码 47 图 4-11 saa3010 解码流程图 . 47 图 4-12 bc7210 芯片的引脚图 48 图 4-13 解码模块硬件原理图. 48 图 4-15 控制系统遥控程序流程图. 49 图 5-1 jtag 程序仿真电路原理图 52 图 5-2 avr studio4.0 器件选择图 53 图 5-3 avr isp 并行口电路原理图 54 图5-4 空气净化器样机实物图.54 图 5-5 控制面板传感器部分图 . 55 图 5-6 控制面板按键部分图.55 图 5-6 控制面板液晶显示部分图 55 图 5-7 液晶显示器欢迎界面 . 56 图 5-8 不同转速界面 56 图 5-9 空气质量优 . 57 图 5-10 高速工作模式 57 图 5-11 不同房间大小界面 . 57 图 5-12 不同定时时间界面 . 58 独 创 性 声 明 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：李果 签字日期：2010年10月30 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权 合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：李果 导师签名：董玉德 签字日期： 2010年 10月30日 签字日期： 2010年10月30日 学位论文作者毕业后去向：部队 工作单位：96167部队 电话： 通讯地址：福建省永安市96167部队59分队 邮编： 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题研究的背景课题研究的背景 1.1.1 室内空气污染的现状 随着工业和社会的发展，人口的不断增加，全球空气污染日益严重，人类 健康正面临着“室内空气污染”的威胁。现在人们的生活和工作都主要在室内， 而我们的室内空气质量却越来越差。研究表明，室内空气中有大量的污染物。 在我们日常的室内生活中也会产生大量的污染物，例如烟草燃烧、各种溶 剂、油漆、电脑和打印机、墙纸、地毯等都会产生污染物。有的地方为燃烧煤， 会产生二氧化硫等污染物。室内空气中还会有很多如尘埃、烟雾、细菌、皮屑、 毛发等可吸入颗粒物等。同时，由于越来越多的家电产品的使用，使得空气中 的负离子浓度越来越低。室内空中的这些污染物对我们人体健康有很大危害， 各种悬浮颗粒物还会传播疾病， 而对我们人体有利的负离子含量却变的更少了。 现代建筑中大量使用钢铁和各种高性能的塑料制品，这些材料中大都含有 甲醛、苯类、氯仿等有机化合物，建材业的高速发展和装修热的兴起，由装饰 材料造成的污染成了室内污染的主要来源。在建筑节能的要求和现代科技的支 持下，尤其是空调的普遍使用，室内建筑的密闭性越来越好，室内空气与室外 空气的交换越来越少，造成了室内空气质量的进一步恶化。 室内空气污染已经严重的影响我们的日常生活并并对身体健康产生危害， 所以对于室内空气污染的预防与治理直接关系着人类的生活环境与身体健康， 能否有效净化室内空气已被人们所关注，并成为环保科技中一项重要的研究课 题。 因此为了保证身体的健康和良好的工作环境，我们需要彻底有效的解决室 内空气质量问题。 1.1.2 室内空气净化器的发展现状 空气净化技术是近二十年来随着现代科学技术，现代工业的发展而逐步形 成的一门综合性新技术。 由于室内污染是全球性的，所以各国都在进行相关研究，有的国家已经初 步建立了空气质量标准、检测标准和分析标准。很多国家都在开发生产各种各 样的空气质量检测、采集、分析和空气净化装置，我们国内也逐渐出现了一些 净化装置。但是现在市场上的空气净化器有的是操作过于复杂，大量的机械式 操作；有的是不能真正的实现空气净化的效果，是滥竽充数的产品，有的是不 能自动检测空气质量并进行相应的操作，这些产品的控制系统没有先进的技术 支持。所以我们需要一种技术先进、操作方便、经济有效的产品。 2 室内空气净化器是实现室内空气净化的最直接和最便捷的仪器。目前空气 净化器主要有几种：机械过滤式净化器、负离子净化器、紫外光空气净化器、 机械过滤吸附式净化器、静电式净化器等。 机械过滤式净化器，是一种小型空气过滤器，空气经风机加压，通过过滤 材料，从而净化颗粒污染物，只能除去一定大小的颗粒污染物，总体净化效果 不佳。 机械过滤吸附式净化器，分别采用不同的净化机理取出颗粒污染物和气态 污染物，这种净化器将普通空气过滤技术与活性炭吸附技术结合起来，总体上 改善了净化性能，但活性炭存在吸附饱和状态，比较麻烦，因而没有得到广泛 应用。 静电式净化器，是一种静电式空气过滤器，对较大的颗粒污染物效果较好， 但是会产生臭氧等二次污染物，正被逐步淘汰。 负离子净化器，负离子净化器是目前被广泛使用的一种净化器，通过强电 场产生负离子与颗粒污染物结合形成“重离子” ，沉降或吸附在物体表面，并能 杀灭细菌，净化效果良好，但是，这种空气净化器同样能产生臭氧，造成二次 污染。 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。 在现在的社会中，利用原理的家用电器变得非常普及，尤其是在欧美和日 韩等发达国家。在国内紫外线消毒也长期应用于医疗卫生等领域。 随着收入的提高，生活水平的提高和现实的室内空气质量的每况愈下之间 产生了极大矛盾，而室内紫外线杀菌型空气净化器无疑就是解决矛盾的首选良 方。在解决了安全、环保和应用效果等方面的一系列问题之后，紫外线型空气 净化器专为居家使用量身定做，更符合家庭消毒标准，也满足医疗机构标准。 本课题的研究，集单片机控制技术、液晶显示技术、数据自动采集技术、 传感器技术、电机控制技术和紫外光杀菌技术于一体，设计出能够洁净是室内 空气并实现紫外光线菌的新型空气净化器，对室内空气净化技术的研究具有重 要的促进意义。 1.2 课题的来源课题的来源 本课题来源于合肥特腾环保科技有限公司委托的新型空气净化器控制系 统研发项目。 3 1.3 课题研究的内容与意义课题研究的内容与意义 1.3.1 研究内容 根据新型空气净化器控制系统研发项目的需求分析，本课题研究的主 要内容为新型空气净化器 avr 单片机控制系统的设计与实现。 本课题研究 avr 单片机控制系统，主要采用 lcd 显示空气质量情况和机 器运行的各种状态；控制空气净化器的电机、紫外灯的工作；开关机定时操作； 按键和遥控控制系统。 (1) 通过对市场上的空气净化器进行深度调研，深入了解空气净化器工作 原理，比较几种常见的控制系统，结合国内外的先进成果，确定最合适的系统 方案，完成控制系统的设计。 (2) 对系统的安全性和可靠性进行综合考虑，对系统结构优化设计，设计 合理硬件电路； (3) 根据系统结构和电路编写系统程序，实现性能优越、操作方便的控制 系统。本文研究实现的空气净化器工作过程如图 1-1 所示。室内空气经过气流 通道进入空气净化器中，由室内空气采集检测传感器进行空气质量数据采集， 通过控制装置在显示装置 lcd 上显示空气质量状态。 室内空气经过气流通道入 风口进入过滤装置后，三层过滤吸附装置过滤室内空气中颗粒状污染物，吸附 各种有害物质和微生物。初步净化后空气经气流通道进入通风装置，之后进入 杀菌装置。杀菌装置将初步净化后的室内空气中的各种细菌和病毒灭杀后得到 净化空气，净化后室内空气通过出风口送入室内环境。 图 1-1 空气净化器工作过程侧面剖视图 (4) 实现空气净化器的功能需求，对控制系统按照模块化设计进行软硬件 设计与实现。主要有显示模块、按键处理模块、数据采集处理模块、蜂鸣器驱 动模块、电机驱动模块、红外遥控模块、紫外灯管驱动模块和电源控制模块。 电机 通风装置 紫外灯 杀菌装置 三层滤网 过滤装置 4 1.3.2 研究意义 室内空气污染已经严重的影响我们的日常生活并并对身体健康产生危害， 所以对于室内空气污染的预防与治理直接关系着人类的生活环境与身体健康， 能否有效净化室内空气已被人们所关注，并成为环保科技中一项重要的研究课 题。 空气净化器正是我们解决室内空气污染的一种行之有效的手段。空气净化 器能本文所研究的紫外光杀菌型空气净化器，可以对室内多种气体污染和灰尘 颗粒等悬浮物甚至是包括细菌、真菌、病毒等都能有效处理。通过机内的通风 机使室内空气循环流动，使室内空气得到净化，且室内空气始终保持清新、室 内环境就始终保持清洁。 本文所研究的室内空气净化器不仅应用家庭与办公等室内净化，对于医疗 机构的工作环境也是同样适应，其可以使得医疗机构拥有无菌清洁工作环境。 据实验数据显示，净化后的空气中细菌数要低于国家规定的无菌间消毒标准。 对于医护人员的工作生活和病人的治疗康复都能够起到重要辅助作用。 1.4 本文的组织结构本文的组织结构 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、课题的来源和本文研究的主 要内容与意义以及论文的组织结构安排； 第二章：本文研究的室内空气净化器控制系统总体的软硬件设计，分别描 述了控制系统的硬件和软件总体设计。根据控制系统的功能需求分析，给出了 总体结构设计的原理图和主程序流程图，本文将着重于控制系统软件的设计与 实现； 第三章：根据模块化设计，如图 1-2 所示，按照控制系统硬件模块和软件 功能划分为初始化模块、显示模块、按键处理模块、数据采集处理模块、时间 处理模块、蜂鸣器驱动模块、电机驱动模块、紫外灯管驱动模块和电源控制模 块等模块分别进行详细阐述，给出各模块的电路设计图、程序流程图和主要的 程序分析； 第四章：本章主要叙述所研究的室内空气净化器的红外遥控器的实现包括 对红外遥控器的实现原理和方法。红外遥控器的发射和接受部分单独分析并互 相联系叙述，给出遥控解码的多种实现方法。 第五章：跟据前面四章的叙述，已经完成了室内空气净化器控制系统的设 计与开发过程，第五章将对依据前四章所述所编写的程序进行仿真调试和所开 5 发产品的联调测试。 本章给出了仿真调试的工具和方法并且介绍了测试的结果； 第六章：结论与展望。 本文侧重于控制系统软件的设计与实现，包括工作原理的说明、程序流程 和重要程序的分析，对于系统硬件电路设计作简要说明。 控制系统模块化设计 初 始 化 模 块 数 据 采 集 模 块 显 示 控 制 模 块 电 机 驱 动 模 块 紫 外 灯 管 控 制 模 块 时 间 处 理 模 块 蜂 鸣 器 驱 动 模 块 按 键 控 制 模 块 电 源 控 制 模 块 图 1-2 控制系统的模块设计图 1.5 本章小结本章小结 本章对所要研究的空气净化器控制系统的研究背景进行说明，分别介绍了 室内空气污染状况和空气净化器的发展。本章对研究课题的来源、研究的内容 与意义也加以说明，最后介绍了本文的组织结构。 6 第二章第二章 空气净化器控制系统的总体设计空气净化器控制系统的总体设计 本课题所研究的空气净化器控制系统是基于atmega128单片机的自动控制 系统。atmega128单片机作为控制系统核心部件，结合传感器、显示器和按键 等重要部件共同完成了控制系统所要求功能。本章主要是分析空气净化器控制 系统总体设计。 2.1 控制系统硬件总体设计控制系统硬件总体设计 2.1.1 空气净化器功能分析 本课题要研究的主要目的是设计开发一种新型多功能的室内空气净化器。 该空气净化器要求能够对室内空气质量状况进行实时监测、反应灵敏并且具有 相应的处理措施；能够感应人体活动有并作出判断给出相应处理措施；本空气 净化器能够吸附各种有害物质还具有杀菌功能；具有友好的人机交互界面；具 有自动开关机、定时操作、多种工作模式选择和多种操作方式为一体的综合产 品。系统总体功能需求如图 2-1 所示。 lcd显示 按键控制 定时设置 eeprom保存参数 滤网使用期限计时 灯管使用期限计时 遥控器控制 数据自动采集 核 心 处 理 器 控制电机 控制蜂鸣器 控制电源 控制紫外灯 图 2-1 空气净化器控制系统总体功能需求 从上述功能要求可以看出，所研究室内空气净化器要求： (1) 具有良好的硬件设备和反应高速有效的软件系统。 (2) 对于控制系统要求具有强有力的控制核心，本系统要求处理核心具有 高速的处理速度以应对实时监测数据的处理并且具有出色的数据处理能力； (3) 由于要完成的功能复杂多样，控制核心要求有较多的输入输出接口； (4) 基于编程的需要控制核心要具有较大的可编程 flash 和拥有片内的 eeprom； (5) 多样的操作方式要求控制核心具有不同通信端口和多种中断响应方式； (6) 系统要求具有精确定时的定时器/计数器和较高精度的 ad 端口。 以上的系统功能分析尤其是系统控制核心的分析，对于设备的选型尤其是核 7 心处理器的选型有着重要的指导作用。结合产品涉及的技术先进性和产品的 实用性、经济性，我们选定 avr 内核的 atmega128 单片机。 2.1.2 atmega128 单片机 atmega128单片机的引脚配置如图2-2所示： 图 2-2 atmega128 单片机引脚配置图4 atmega 128为基于avr risc结构的8位低功耗cmos微处理器。由于其先 进 的 指 令 集 以 及 单 周 期 指 令 执 行 时 间 ， atmega128 的 数 据 吞 吐 率 高 达 1 mips/mhz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。引脚功能的说 明如下： 8 表 2-1 atmega128 单片机引脚功能概述4 引脚 说明 vcc 数字电路的电源 gnd 地 端口 a(pa7pa0) 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(pb7pb0) 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 对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流 端口 c(pc7pc0) 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(pd7pd0) 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(pe7pe0) 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(pf7pf0) 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 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(pg4pg0) 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 2.1.3 atmega128 主要特性 atmega128 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。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。 atmega128 是高性能、低功耗的 avr 8 位微处理器，具有 128k 字节的 系统内可编程 flash， 可有 10000 次写/擦除周期， 4kb eeprom， 4kb sram， 4 个带有比较模式的灵活定时器/计数器， 8通道单端或差分输入的 10 位 adc， 一个 spi 接口，具有 6 种可选择的节电模式，具有一个兼容 jtag 接口，可 用于在线仿真调试。 2.1.4 控制系统硬件总体设计 根据控制系统的功能要求，控制系统硬件将由核心处理器(mcu)、按键、 显示器(12864lcd)、交流电机、紫外灯管、空气质量传感器、人体热释电红 9 外传感器、蜂鸣器和远程红外遥控设备组成。系统硬件方框图如图 2-3 所示。 mega128单片机mega128单片机 按键开关 红外传感器 tgs传感器 红外遥控 12864lcd 交流电机 蜂鸣器 微风扇 紫外光灯 i/o int ad spii/o i/o i/o i/o i/o int int 电源i/o 图 2-3 控制系统硬件总体设计方框图 2.1.5 系统的设备选型 根据控制系统的总体功能需求，确定了系统所需求的设备与型号。 1.atmega128单片机，为基于avr risc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； 2.figaro tgs800气体传感器，典型的气体传感器，对于烟雾、天燃气、 汽油和其他有害物质都反应灵敏； 3.lhi 878红外热释传感器，德国海曼公司生产，用于检测空气净化器工作 环境内由于人体移动产生的红外辐射信号； 4.12864液晶显示器，为12864点阵汉字图形型液晶显示模块，可显示汉 字、字符和图形； 5.单相异步交流电机，离心式电机，并附带mu微风扇； 6.philips公司的8w单管紫外光灯，可以进行紫外线消毒杀菌； 7.38k 红外信号接收头，接收红外遥控发射器的输出波形； 8. bc7210 解码芯片，低成本通用红外遥控信号解码芯片； 9其他元器件。 2.2 控制系统软件总体设计控制系统软件总体设计 2.2.1 软件总体设计 从上节控制系统硬件总体设计上可以看出本空气净化器控制系统主要是通 过核心处理器控制相关元器件和电路来实现系统功能。根据硬件设计方案决定 对系统软件进行模块化设计和实现，系统软件功能通过主程序和各子程序共同 完成。本控制系统软件主要由初始化模块、全局变量定义模块、显示模块、按 键处理模块、数据采集处理模块、外部中断处理模块、时间处理模块、蜂鸣器 驱动模块、电机驱动模块、紫外灯管驱动模块和电源控制模块等模块子程序和 主程序构成，如图2-4所示为系统软件总体设计方框图。 10 显示子程序 按键子程序 定时子程序 数据采集子程序eeprom读写程序 初始化子程序 遥控子程序 外部中断处理程序 主 程 序 电机驱动子程序 蜂鸣器控制子程序 电源控制子程序 紫外灯驱动子程序 图 2-4 控制系统软件总体设计方框图 2.2.2 控制系统主程序流程 根据总体设计，各模块处理子程序依赖于主程序的调度，共同完成控制 系统功能。 主程序流程图如图 2-5 所示，系统根据功能，在初始打开电源时，电机、 紫外灯等不工作，当有电源按键或者遥控器电源开关时，启动系统。 开始 n 结束 读eeprom获取系 统运行状态参数 显示各状态参数 允许中断 自动模式？ y n 有按键按下？ n tgs传感器处理子程序 按键处理子程序 y n 红外传感器 外部中断2？ 红外中断处理子程序 y spi 中断(红外遥控)? 遥控信号处理子程序 按键电源开？ 遥控电源开？ y y n 初始化 n 图 2-5 控制系统主程序流程图 2.2.2 控制系统开发软件平台 控制系统硬件电路设计使用protel软件绘制实现并且采用proteus软件仿真。 控制系统软件编程使用c语言环境， 主要由于c语言编写具有直观可读性强 的特点，便于后期更新维护。主要采用codevision avr开发环境编写。 11 开发平台还涉及到软件的仿真调试和下载，分别采用不同软件完成。本文 设计开发使用的软件平台包括以下软件： 1.codevision avr编程软件，使用c语言编写单片机程序； 2.protel dxp 2004软件，主流eda工具，绘制电路的原理图与印刷电路板 （pcb） ； 3.proteus 6.9电路仿真软件， 为英国labcenter公司开发的电路分析与实物仿 真软件，可以仿真、分析(spice)各种模拟器件和集成电路； 4.avr studio 4.0，主要用于对程序进行在线调试和仿真； 5.progisp，通过 isp 口进行程序的烧写。 2.3 本章小结本章小结 本章围绕空气净化器的功能需求，对控制系统的硬件总体设计和软件总体 设计进行分析，提供了可行的解决方案。本章还介绍了控制系统的核心处理器 和进行控制系统开发的设备选型以及软件平台。 12 第三章第三章 软件模块化设计与程序实现软件模块化设计与程序实现 根据第二章的控制系统的总体设计可知，本文所研究的控制系统模块化特 性很强，并且是由核心处理器统一调度控制。本章将就系统各功能模块按上章 软件总体设计的模块划分，主要说明具体功能模块的软硬件设计和实现过程。 3.1 初始化模块初始化模块 初始化模块为根据软件设计方式所设置的功能模块，主要功能是对各 i/o 端口进行初始化、功能元器件初始化和中断初始化。 初始化流程图如图 3-1 所示： 电源按键开？ 初始化结束 开始 端口初始化 遥控开关开？ y 全局中断关 中断初始化 定时器初始化 显示初始化 n n 全局中断开 图 3-1 初始化程序流程图 初始化程序作为控制系统程序运行时的保证，要设置所要用的的端口和 各功能元器件的初始值。本文所述软件程序用到端口很多，主要有显示器数 据接口 porta，按键接口 porte，导通开关类的接口 portb 和 portc 口 等。对这些端口要分别设置其输入输出方式，和是否要接上拉电阻。功能元 器件的初始化， 将使用单片机端口的第二功能。 主要有外部中断 int0、 int1、 int2 和 int7；单端 ad 转换通道 adc1；定时器 1 和定时器 3；spi 中断端 口等。 3.2 数据自动采集处理模块数据自动采集处理模块 本课题研究的控制系统中的数据自动采集处理模块将实现两个方面的功 能：一是空气质量监测，即监测室内空气污染状况；二是人体活动红外辐射信 13 号捕获，即工作环境内人体移动的检测。本控制系统能够实现自动数据自动采 集处理，主要是因为采用了先进的采集传感器和信号调理电路以及合理有效的 软件程序。 3.2.1 空气质量监测 本文所述的室内空气净化器，采用费加罗公司的 tgs 系列传感器 tgs800 对室内空气质量状况监测。tgs800 传感器对于天然气、汽油、烟雾 等反应敏感。 图 3-2 和图 3-3 分别是 tgs800 传感器的实物图和引脚电路图。 2(5)5(2) 4(1) 6(3) 1(4) 3(6) 图3-2 tgs800传感器及其调理电路 图3-3 tgs800传感器的电路图 tgs 传感器工作原理 tgs 系列传感器属 n 型半导体类气体传感器，其主要成分是二氧化锡烧 结体。在大约 400 的工作温度下，吸附还原性气体（例如液化气、天然气、 氢气、一氧化碳、有机溶剂蒸气等）时，因发生还原性气体的吸附与氧化反应， 粒子界面存在的势垒降低，电子容易流动，从而电导率上升。当恢复到清洁空 气中时，由于半导体表面吸附氧气，使粒子界面的势垒升高，阻碍电子的流动， 电导率下降。tgs 传感器就是将这种电导率变化，以输出电压的方式取出，从 而检测出气体的浓度。 o o- -ad | sn+ （sno ad | sn+ （sno2-x 2-x） ） snsn* * （sno（sno2-x 2-x） co co2 o2/2 o2/2+(sno2-x)*- o-ad(sno2-x) co+o-ad(sno2-x) - co2+(sno2-x)* （a）晶粒间势垒模型(没有气体时)29 （b）co 与吸附氧在 sno2表面上的反应29 14 （c）晶粒间势垒模型（气体出现时） 图 3-4 气敏传感器的工作原理图 图 3-4 (a)、(b)、(c)分别说明了粒子间的势垒在还原性气体出现前后的变 化。势垒的降低导致传感器的阻值减小，传感器阻值和还原性气体浓度之间 的关系可由下面的一定范围气体浓度方程表示： = car s rs=传感器电阻 a=常数 c=气体浓度 =rs 曲线的斜率 29 传感器阻值变化在电路上表现为输出电压的变化。tgs 传感器通过电路连 接于单片机，单片机接收到传感器电压信号后经过 ad 转换，得到程序需求值。 tgs 传感器特性 （1）气敏特性 传感器对多种还原气体具有敏感性，对某些气体的相对灵敏度的最佳 化，取决于敏感材料的配方及其工作温度。由于实际的传感器电阻值每个都 不同，典型的敏感特性由传感器在不同气体浓度下的阻值(rs)与待检测气体 的一定浓度下的阻值(r0)的比来表达的。 （2）传感器响应特性 传感器先被放入还原性气体中，然后再从还原性气体中移走，这个过程中 传感器在放入还原性气体中后，电阻值急剧下降，从还原性气体移出后，传感 器的电阻经过很短的时间即恢复到它的初始值。响应速度和可逆性随传感器型 号及所含气体的不同而异。 （3）温湿度影响 tgs 传感器的检测原理是基于气体在传感器表面的化学吸附与脱附43。 因 此环境温度会改变化学反应速度，从而影响传感器的敏感特性。此外，因为水 蒸气会吸附在传感器表面，所以湿度将会引起 rs 的降低。这些影响的典型示 例如图 3-5 所示。使用 tgs 传感器时应考虑温度影响的补偿回路。 15 rs/rrs/r0 -20-10-01020304050 0 -20-10-01020304050 环境湿度（0c） 0.1 1.0 10.0 0.1 1.0 10.0 rh%:rh%:35% 50% 65% 100% 气体：1500ppm气体：1500ppm 图 3-5 典型的湿度影响图 （4）加热器电压的影响 传感器被设计成在某一个恒定加热电压下，传感器表现出最佳的敏感 特性。 rs/rrs/r0 0（vh:5v,1500ppm）（vh:5v,1500ppm） 5.04.85.05.8 加热电压（vh） 0.1 1.0 100 0.1 1.0 100 1010 6.06.0 vc=5vvc=5v 空气空气 气体4500ppm气体4500ppm 气体1500ppm气体1500ppm 图 3-6 加热影响图 气体敏感度如何随加热电压变化的典型事例如图 3-6 所示。由于加热电 压对传感器的影响，所以一定要根据传感器规格调整恒定加热电压值。 1 10 012345678910 11 12 13 14 15 5 电阻 (k) 时间（年） 图 3-7 费加罗传感器电阻随时间变化图 气体传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（寿 命） 。 费加罗传感器最大优点是寿命为半永久性， 这是 tgs 传感器取得全世界 认可的关键。如图 3-所示，tgs 传感器的灵敏度特性只有随四季的温湿度变 16 化而呈周期性变化，并没有单调变化的趋势，说明 sno2 半导体气体传感器 有极长的寿命。如图 3-7 所示随着时间的增长和四季的变化，电阻值变化在 较小范围波动，作为费加罗传感器长寿命的直接体现。 atmega128 单片机的模数转换 1. atmega128 单片机 adc 概述 atmega128 有一个 10 位的逐次逼近型 adc。adc 与一个 8 通道的模拟 多路复器连接，能对来自端口 a 的 8 路单端输入电压进行采样。单端电压输 入以 0v (gnd)为基准。器件还支持 16 路差分电压输入组合。两路差分输 入 (adc1、adc0 与 adc3、adc2)有可编程增益级，在 a/d 转换前给差分 输入电压提供 0 db (1x)、20 db (10x) 或 46 db(200x)的放大级。七路差分模 拟输入通道共享一个通用负端(adc1)，而其他任何 adc 输入可做为正输入 端。如果使用 1x 或 10x 增益，可得到 8 位分辨率。如果使用 200x 增益，可 得到 7 位分辨率。 adc 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到 adc 的电压 保持恒定 adc 由 avcc 引脚单独提供电源。avcc 与 v 之间的偏差不能超 过0.3v。 2. adc 操作过程 adc 通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个 10 位的数字 量。最小值代表 gnd，最大值代表 aref 引脚上的电压再减去 1lsb。通过 写 admux 寄存器的 refsn 位可以把 avcc 或内部 2.56v 的参考电压连 接到 aref 引脚。在 aref 上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提 高噪声抑制性能。 模拟输入通道与差分增益可以通过写 admux 寄存器的 mux 位来选择。 任何 adc 输入引脚，像 gnd 及固定能隙参考电压，都可以作为 adc 的单 端输入。adc 输入引脚可选做差分增益放大器的正或负输入。 如果选择差分通道，通过选择被选输入信号对的增益因子得到电压差分 放大级。然后放大值成为 adc 的模拟输入。如果使用单端通道，将绕过增益 放大器。 通过设置 adcsra 寄存器的 aden 即可启动 adc。 只有当 aden 置位时参 考电压及输入通道选择才生效。aden 清零时 adc 并不耗电，因此建议在进 入节能睡眠模式之前关闭 adc。 adc 转换结果为 10 位，存放于 adc 数据寄存器 adch 及 adcl 中。 默认情况下转换结果为右对齐，但可通过设置 admux 寄存器的 adlar 变 为左对齐。如果要求转换结果左对齐，且最高只需 8 位的转换精度，那么只 要读取 adch 就足够了。否则要先读 adcl，再读 adch，以保证数据寄 17 存器中的内容是同一次转换的结果。一旦读出 adcl，adc 对数据寄存器的 寻址就被阻止了。也就是说，读取 adcl 之后，即使在读 adch 之前又有一 次 adc 转换结束，数据寄存器的数据也不会更新，从而保证了转换结果不丢 失。 adch 被读出后，adc 即可再次访问 adch 及 adcl 寄存器。adc 转换结束可以触发中断。 即使由于转换发生在读取 adch 与 adcl 之间而造 成 adc 无法访问数据寄存器，并因此丢失了转换数据，中断仍将触发。 3 启动转换 向 adc 启动转换位 adsc 位写 “1”可以启动单次转换。在转换过程中 此位保持为高，直到转换结束，然后被硬件清零。如果在转换过程中选择了 另一个通道，那么 adc 会在改变通道前完成这一次转换。 在连续转换下，持续地进行采样并对 adc 数据寄存器进行更新。连续 转换通过在 adcsra 寄存器 adfr 位写 1 得到。 第一次转换通过向 adcsra 寄存器的 adsc 写 1 来启动。在此模式下，后续的 adc 转换不依赖于 adc 中断标志 adif 是否置位。 在默认条件下，逐次逼近电路需要一个从 50 khz 到 200 khz 的输入时钟 以获得最大精度。如果所需的转换精度低于 10 比特，那么输入时钟频率可 以高于 200 khz，以达到更高的采样率。或者，设置 sfior 寄存器的 adhsm 位允许在更高的功耗下得到更高的 adc 时钟频率。 adc 模块包括一个预分频器，它可以由任何超过 100 khz 的 cpu 时钟来 产生可接受 adc 时钟。预分频器通过 adcsra 寄存器的 adps 进行设置。 置位 adcsra 寄存器 aden 将使能 adc，预分频器开始计数。只要 aden 为 1，预分频器就持续计数，直到 aden 清零。adcsra 寄存器的 adsc 置 位后，单端转换在下一个 adc 时钟周期的上升沿开始启动。图 3-8 为 adc 单次转换时序图。 图 3-8 adc 单次转换时序图 adsc adif adch adcl 时钟 一次转换 下一次转换 循环次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 基准 adcsra=0x82; sreg=0x00; admux=adc_input | (adc_vref_type 21 / delay n