空气净化器毕业设计.doc

齐鲁工业大学2014届本科毕业设计（论文）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16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，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 12 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、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RISC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：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-StudioAtmel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-AVRImageCraft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单片机CodeVisionAVRHpinfoTech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：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AVCCAVCC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AREFAREF为ADC的模拟基准输入引脚PENPEN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，ATmega128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，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；（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（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，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，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12864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、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根据空气净化器的功能需求，控制系统的核心控制芯片采用了AVR单片机系列的ATmega128高档单片机。ATmega128为基于AVRRISC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。控制系统的总体结构如下图2-5所示，在设计中将空气净化器的电路控制系统分为了传感器数据采集模块、液晶显示模块、交流电机控制模块、紫外灯管控制模块、功能按键模块等，这些模块的工作与运行都被ATmega128单片机程序控制，并且通过单片机使各模块之间的工作与功能相互关联。图2-5空气净化器的总体结构框图本文研究的紫外光室内空气净化器控制系统主要分为主控制板模块与驱动控制模块两个部分。控制系统由日常交流市电提供110V的电源，经过变压、整流与滤波，为主控制模块提供了5V与9V的直流电源，ATmega128单片机将根据传感器采集信号、按键指令驱动、控制电机和紫外灯管的工作，如图2-6所示为系统的总体原理框图。驱动控制电路部分的设计包括了系统电源电路，包括了桥式整流、三端稳压芯片LM7805得到5V直流电压、LM7809获取9V直流电压供电；电机驱动控制电路，其主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电容的保护；紫外光灯管驱动控制电路，实现对灯管的导通控制与异常信息检测、反馈。主控制板部分的硬件设计主要包括了TGS气体传感器数据采集电路、LHi红外传感器数据采集电路、12864液晶LCD电路、功能按键电路、AVRISP程序烧写电路以及AVR单片机的工作与保护电路。图2-6空气净化器的控制系统原理框图空气净化器控制系统的核心与创新点在于利用气体传感器与运动传感器的数据采集功能，使得系统根据检测到的外部信息（包括室内空气质量、人体移动信号）自动调整仪器的工作状态。主控制模块与驱动控制模块主要是通过AVR单片机的软件程序来实现相互关联，协调系统的运行的。2.4本章小结本章以单片机控制系统为主题，介绍了AVR单片机的结构与特性，选择了本系统的单片机开发环境，并针对课题研究中选择的AVR系列的ATmega128单片机，说明其引脚功能与主要特性。随后介绍了单片机控制系统开发的几个流程，并根据流程步骤对基于AVR单片机的空气净化器控制系统进行功能需求分析和总体设计，完成了紫外光空气净化器的功能框架、结构框架与原理框架，并在此基础上概述了主要功能模块的设计过程与技术要点，为系统硬件与软件部分的详细设计提供了方案和依据。第三章 传感器数据采集模块设计与实现根据上面控制系统的总体分析与设计可知，在本课题的研究中，紫外光空气净化器的控制系统中使用了两个不同类型的传感器，用于采集外界信号，分别是热释电型红外传感器与空气质量检测传感器。本章就两种传感器的特性、参数进行介绍，并根据控制系统的需求设计出两个传感器的数据采集电路，并完成数据采集与信号的程序处理。3.1 数据采集系统传感器输出的信号经预处理变为电压模拟信号后，需转成数字量才能进行数字显示或送入单片机。这种把模拟信号数字化的过程称为数据采集5。数据采集系统提供了必要的模拟/数字（A/D）接口，通过使用放大器、滤波器、采样/保持电路、多路转换器和模拟/数字转换器（A/D）等部件，将一个或多个传感器的原始数据转换成适于数字处理的输出。数据采集系统能够完成把一个或多个传感器原始信号转换为以后处理、控制或显示用的等值数字信号的全部功能。典型的数据采集系统配置如图3-1所示，这种系统价格便宜，具有通用性，传感器与仪表放大器匹配灵活，有的已实现模块的集成化。图3-1典型的数据采集系统配置图3.2气体传感器数据采集模块设计气体传感器是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的传感器，有多种多样的检测方式，考虑使用的方便程度和寿命等因素，半导体型气敏气体传感器使用得最为普遍。在本节将完成控制系统的气体传感器的选型与数据采集模块的设计6。3.2.1 TGS传感器工作原理TGS传感器是厚膜金属氧化物半导体型的。它成本低、寿命长，利用简单电路即可对待检测气体具有良好的敏感特性。尤其适合应用在有毒和爆炸性气体的泄漏检测器上。TGS气体传感器的敏感材料是金属氧化物,最具代表性的是SnO2。金属氧化物晶体如SnO2在空气中被加热到一定高的温度时，氧被吸附在的带一个负电荷的晶体表面。然后，晶体表面的供与电子被转移到吸附的氧上，结果在一个空间电荷层留下正电荷。这样，表面势能形成一个势垒，从而阻碍电子流动。在传感器的内部，电流流过SnO2微晶的结合部位（晶粒边界）。在晶粒边界，吸附的氧形成一个势垒阻止载流子自由移动，传感器的电阻即缘于这种势垒。还原性气体出现时，带有负电荷的氧的表面浓度降低，导致晶粒边界的势垒降低。降低了的势垒使传感器的阻值减小了。3.2.2 TGS800数据采集电路为了提高系统中传感器的使用寿命，节省控制系统的消耗，在本项目的设计中，我们采用的是间接加热方式，使用了55L104G场效应管，对于传感器的电路进行导通与切断的控制8。55L104G场效应管的电路如图3-2所示：图3-2 55L104G场效应管内部电路图从上面的分析可知，实现TGS800气体传感器的信号采集与处理，首先要使传感器加热并导通工作，在传感器正常工作后，使单片机接收其输出信号，并进行信号的处理。在课题的设计中，TGS800传感器的空气质量信号采集电路如图3-3的设计，TGS800的1、2、3引脚连接到电源正极，5脚接MOSFET的漏极，而4、6引脚则为传感器的输出端，将传感器得到的由电阻值变化而引起的电压值变化信号，输出到单片机的PF1脚，进行A/D转换等程序处理。从电路原理图3-3可以看出，55L104G管的导通控制是通过ATmega128的PB6引脚来实现的，由单片机程序控制，当55L104G管导通时，电路对TGS800传感器进行加热，传感器可正常工作来采集数据；而当单片机发出断开指令的时候，TGS800则不被加热，传感器处于等待状态10。图3-3 TGS800信号采集电路图表3-1 TGS800电路元器件清单标号名称规格R1电阻51KR2电阻390R40电阻390UR1可调电阻100KQ1场效应管55L104GSN1气体传感器TGS8003.2.3TGS800采集信号程序（1）采集信号处理程序由上图可知，单片机端口PF1为ADC的模拟输入引脚，在这里PF1被用作传感器采集信号的输出端口，根据TGS800传感器的特性知道，其输出端口的电压值将随着检测的空气质量不同而发生变化，单片机首先进行采样，并将根据电压的变化范围与幅度来判断当前空气质量8。在本项目中，由外部可调电阻将传感器的输出电压范围设置在1V4V，并且根据设计的需求，将空气质量分为了“优很差”五个状态，单片机将根据检测端口的电压值变化范围来输出结果，自定义了AD转换参数v=adc_data，其程序的流程图如图3-4所示：图3-4气体传感器采集信号处理程序流程图（2）加热导通控制程序单片机引脚PB6是用来控制55L104场效应管状态导通功能的端口，当单片机程序给PB6端一个高电平信号的时候，场效应管即被导通，使得TGS800传感器被加热工作。在实现中，将其导通设置在初始化的程序中，当空气净化器开始工作的时候，即进行导通加热，实现的主要语句为：DDRB=0xff；PORTB=0xff。3.3本章小结本章研究了电子电路设计中的数据采集系统，并依据空气净化器电路控制系统的设计需求，使用了气体传感器和海曼LHi878红外传感器，设计出了两种传感器数据采集模块：空气质量信息数据采集模块构成了本电路控制系统的数据采集系统，可实现系统的信号自动检测与调整空气净化器工作运行状态的功能，是本论文研究的核心与创新点所在。第四章 控制系统的硬件设计与实现前面章节介绍了传感器数据采集系统，为空气净化器的控制系统提供了空气质量采集信号，为系统完成了信息自动采集功能的设计。本章将根据系统的总体设计内容，基于ATmega128单片机详细地介绍控制系统主要的硬件部分，主要包括了系统的电源控制模块、电机驱动与控制模块、液晶显示控制模块、紫外光灯管控制模块、功能按键模块以及JTAG仿真电路、AVRISP程序下载电路模块。4.1控制系统硬件模块总体结构由空气净化器控制系统的需求分析可知，其控制系统的硬件模块主要是对其硬件功能电路进行设计，主要的电路包括了系统的电源控制电路、电机驱动与控制电路、紫外灯管驱动与控制电路、液晶显示器控制电路、红外遥控接收电路、功能按键电路以及JTAG仿真电路、单片机程序下载电路等，硬件模块总体结构如图4-1所示。图4-1控制系统硬件模块总体结构图4.2电源控制模块设计电源电路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，但是本控制系统由于受到元气件工作电压的影响，其供电类型有三种，一是110V交流电，一是5V的直流电压，一是9V的直流电压，因此设计了电源控制模块的结构如图4-2所示，将电源模块分为三个子模块。图4-2电源控制模块总体结构图由电源模块结构知道，电源电路首先将电压进行降压，转换为12V电源，然后经过桥式整流与直流变换得到12V的直流电源。设计控制系统部分使用的直流电源电路原理如图4-3所示，根据主控制电路上元器件的特性，红外传感器正常工作需要9V电源，而单片机等其它分支电路都需要直流5V供电。从电路原理图可以看出，外部输入电压为110V/50Hz的交流，经过变压器T1进行降压，得到12V交流电，从电路原理图可以看出，外部输入电压为110V/50Hz的交流，经过变压器T1进行降压，得到12V交流电，随后经由二极管D、D、D、和电容组成整流滤波电路得到12V直流电压，其中而二极管选用S1AB型，电容选用25V/3300F的铝电解电容。使用稳压芯片将12V变换为5V和9V的直流电压。从图中可以看出，三端稳压芯片LM7805的OUT端输出的5V直流电压经过电容C2滤波后，为TGS800传感器电路、单片机电路、显示器电路等模块供电；而使用具有+9V电压输出的三端稳压芯片LM7809得到9V直流电，进行直流滤波后将9V为LHi878传感器电路模块供电。图4-3电源控制电路原理图4.3电机控制模块设计根据系统的总体设计需求分析可知，本空气净化器控制系统中，采用的是交流单相异步电动机，电机的驱动与控制模块是整个系统至关重要的部分，电机将在单片机的控制下带动微风扇的转动，使室内空气形成循环，调整空气净化器的工作状态与杀菌效果。设计的控制电路,由单相异步交流电机的特性，对于电机的驱动采用高低电压驱动方法，即不论电动机工作的频率如何，在绕组通电的开始用高压供电，使绕组中的电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。电机的引脚如图4-4所示，VCC41接110V交流电的火线，GND为接地，CAP接启动电容，Data为控制信号输入端。图4-4单相电机引脚图电机的驱动与控制电路如图4-5所示，当空气净化器通电时图4-5中电机MOTOR的1脚接110V交流电，2脚接地，3脚为高电平状态，4脚接通启动电容；单片机通过PE3引脚发出低电平信号后，此时电机被启动运转。单片机驱动程序发出的驱动信号经过MOC3023的M端口，将转化的信号输出到Q4管，将该管导通，信号输出到MOTOR引脚端，电机即被驱动6。图4-5中MOC3023(六个脚)是一种可控硅驱动光耦，1K电阻R8为Q4的门极提供限流作用；在驱动光耦中，发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管，转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离干扰的作用12。图4-5电机驱动电路原理图4.4灯管控制模块的设计本论文研究的空气净化器的主要原理是利用紫外光灯管进行杀菌，利用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，同时加以过滤网净化空气。微风扇在电机带动的情况下，实现仪器的通风作用，使得空气形成流动，经过过滤网在紫外光灯管发射的紫外线下进行杀菌、消毒。在项目中采用的紫外光灯管是Philips的8W紫光灯，额定工作电压为110V，波长范围为254-365nm。对于该紫外光灯管，其控制模块比较简单，除了如上按键K3对其使用寿命的计时与复位处理外，紫外光灯管的导通控制则是利用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，其控制电路如图4-6所示。图4-6紫外光灯管驱动电路原理图与电机驱动的方式相同，MOC3023(六个脚)它是一种可控硅驱动光耦，单片机引脚PE2发出低电平信号后，经过MOC3023直接输出到LINE端口，将紫外光灯管导通驱动，BALLAST1为连接电抗镇流器的引脚。4.5液晶显示器模块设计由空气净化器控制系统的需求分析可以知道，当仪器通电正常运行时，其显示器就显示出空气净化器的各种信息，包括了：工作模式、房间大小、空气质量、电机转速、定时信息、过滤网状态与灯管状态信息。4.5.1 12864显示器基本结构空气净化器单片机控制系统的显示模块采用SMG12864液晶显示器，型号为SMG12864G2-ZK，这是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（1616点阵）、128个字符（816点阵）及64256点阵的显示RAM（GDRAM）；可以与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8位并行及串行两种连接方式；具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。其外形尺寸如图4-7所示：图4-7SMG12864G2-ZK液晶外形尺寸图SMG12864液晶显示器的模块引脚说明如下表4-1所示：表4-1SMG12864液晶显示器引脚说明引脚名称方向说明1VSS-电源负极2VDD-电源正极（+5V）3V0-LCD偏压输入（悬空）4RS(CS)H/L数据/命令选择端（片选信号输入）5R/W(STD)H/L读/写控制信号（串行数据输入）6E(SCLK)H,H/L使能信号（串行移位脉冲输入）7DB0I/O数据08DB1I/O数据19DB2I/O数据210DB3I/O数据311DB4I/O数据412DB5I/O数据513DB6I/O数据614DB7I/O数据715PSBH/LH：并行数据模式L：串行数据模式16NC-空17/RSTH/L复位端（L：复位）18NC-空脚19LED+-背光源正极20LED-背光源负极其主要技术参数如表4-2所示：表4-2SMG12864液晶显示器技术参数显示容量：12864点阵点尺寸：0.480.48(WXH)mm工作电压：4.85.2V模块最佳工作电压：5.0V工作电流：4.0mA(5.0V)背光源颜色：白色(5.0V)背光源工作电流：150.0mA蓝膜负显STN4.5.2 12864显示器控制电路由上可知，SMG12864液晶显示器共20引脚，液晶模块由外部提供+5V电源，脚3是显示器的对比度调节，连接到UR2电位器上，以便获取显示器最佳的显示效果；第17脚是LCD屏的复位功能引脚；第19和20引脚分别为显示器背光的正负极，LED+和LED-同样由+5V电源提供；片选信号RS、读写控制信号RW、使能信号E分别接到ATmega128单片机的PG0-PG2引脚上；液晶显示器的DB7-DB0为数据信号引脚，接在了ATmega128的PA7-PA0输入输出接口上，设计出的显示器模块的控制电路如图4-8所示：图4-8 SMG12864液晶显示器控制电路图4.6红外遥控模块设计根据常用的红外遥控装置，本系统的红外遥控装置共分为两个部分：红外发射模块与红外接收模块，应用编/解码专用集成电路芯片来进行遥控操作。红外发射模块即遥控器的信号发射端，发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。红外遥控器发射电路的功能组成，其中的编码器即调制信号，按遥控器用途的编码方式可以很简单、也可以很复杂。4.7按键模块的设计按键是最简单的单片机输入设备，通过按键输入相应的数据或命令，可实现人机对话功能。在空气净化器控制系统的设计中，根据系统的设计需求，设计灯管状态复位按键K3与过滤网状态复位按键K2，如图4-9所示。图4-9复位按键的电路原理图K2、K3为过滤网和紫外光灯管的状态复位按键，分别接到单片机的PD1、PD0引脚上，PD0与PD1为单片机的中断处理引脚，通过中断的处理，将计数器的设计复位到初始状态，重新计时。4.8程序仿真与下载模块的设计由于单片机的引脚配置的不同，在企业对于产品批量生产的背景下，本研究舍弃了通用的程序仿真与下载工具，设计了专门针对ATmega128单片机的程序仿真电路与程序下载模块，以提高操作的熟练性与设备稳定性。4.8.1JTAG仿真电路JTAG是单片机最典型的程序仿真接口方式，是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试，拥有在线编程的方式。本空气净化器控制系统的单片机仿真电路则是采用JTAG方式，改进了标准接口，其电路原理如图4-10所表示。图4-10JTAG程序仿真电路原理图JTAG接口连接+5V电源，输出到ATmega128接口的信号为TCK、TDO、TMS、TDI，电路中附加一些保护电阻。改进后的JTAG接功能口如下：表4-3改进后的JTAG接口引脚名称描述1TCK测试时钟2GNDNC3TDO测试数据输出4VTref接电源5TMS测试模式选择6nSRST接系统复位信号7Vsupply接电源8nTRSTNC9TDI测试数据输入10GND接地4.8.2ISP下载电路由AVR单片机控制系统的特性可知，AVRISP是AVR单片机最典型的程序下载方式，AVR单片机都有ISP下载接口，可以通过ISP下载线把程序下载到单片机中。ISP下载线成本低廉，制作简单，一个并口ISP下载线只需几十元即可得到。因此，在本控制系统的开发中也采用了AVRISP方式下载ATmega128单片机的程序。ISP接口的电路如图4-11所示，为AVRISP的并行接口电路原理。图4-11 AVRISP并行口电路原理图从上图可以看出，ISP接口的4、6、8、10引脚接地处理，2脚则接+5V电源，为工作电路供电，1引脚接单片机的MOSI，3引脚悬空处理，5脚接RST，7脚接到SCK，9脚连接到MISO上，其主要功能如下：表4-4集成的ISP接口引脚名称描述1MOSI主机输出从机输入2VCC接电源3NCNC4GNDNC5RST接系统复位信号6GNDNC7SCK串行时钟8GNDNC9MISO主机输出从机输入10GND接地MISO：是SPI通道的主机数据输入，从机数据输出。当单片机工作于主机模式时，不论DDB3设置如何，这个引脚都将设置为输入。当工作于从机模式时，这个引脚的数据方向由DDB3控制。设置为输入后，上拉电阻由PORTB3控制；MOSI：是SPI通道的主机数据输出，从机数据输入。当工作于从机模式时，不论DDB2设置如何，这个引脚都将设置为输入。当工作于主机模式时，这个引脚的数据方向由DDB2控制。设置为输入后，上拉电阻由PORTB2控制；SCK：是SPI通道的主机时钟输出，从机时钟输入。当工作于从机模式时，不论DD