基于51单片机的空气净化机的设计

0 引言
    随着工业和社会的发展，全球空气污染很严重，人类健康正面临着“室内空气污染”的威胁。因此，人们需要专门的空气净化装置一空气净化机。空气净化机发展至今，先后经历了两代产品。第一代产品采用物理方法，即通过过滤、吸附、磁化、负离子等消除烟尘，其缺点在于无法消除由异味、病原菌、病毒、微生物等造成的污染。第二代产品利用化学反应产生臭氧负离子来净化空气，但是臭氧有令人难以容忍的刺鼻味道，并且臭氧作为强氧化剂对人体有一定的伤害。国内目前大量使用的空气净化机是以砍伐木材为代价，生产特殊纸张做成过滤器，给生态环境造成很大破坏，也增加了消费成本。若过滤器未能及时更换，空气净化机不仅无法实现空气净化功能，而且本身成为污染源，造成二次污染。本文介绍基于51单片机的智能高效空气净化机属环保节能、高科技、经济型产品。

1 总体设计
1．1 高压静电除尘原理
    高压静电除尘是根据静电荷的异性相吸、同性相斥的原理，利用静电力将空气中带电粉尘吸附沉降下来，以达到除尘的目的。
    含有粉尘颗粒的气体，在接有高压直流电源的阴极线(又称电晕极)和接地的阳极板之问所形成的高压电场通过时，由于阴极发生电晕放电、气体被电离，此时，带负电的气体离子，在电场力的作用下，向阳极板运动，在运动中与粉尘颗粒相碰，则使尘粒荷以负电，荷电后的尘粒在电场力的作用下，亦向阳极运动，到达阳极后，放出所带的电子，尘粒则沉积于阳极板上，从而得到净化的气体。
1．2 空气净化机的总体设计框图
    空气净化机的总体设计框图如图1所示。51单片机控制各部件工作，当本空气净化机工作时，风速发生器开始转动，被污染的空气从进风口进入净化机，经过层层净化后，最终变成清新的空气从出风口流出。

    前过滤器可以滤除空气中的大颗粒，包括大颗粒灰尘、绒毛及毛发等；高压静电除尘单元的作用是吸附空气中的细小颗粒，如烟雾、花粉、细菌、病毒等；异味吸收器用来吸收常见的室内异味及化学气体，带来令人愉悦的洁净空气；风速发生器有高、中、低风三种工作模式，可以根据具体的需求对风速进行调整；负离子发生器能够释放负离子，使空气更清新怡人。
    操作按键可以实现空气净化机的开、关，及对空气净化机的工作模式进行调整，指示灯则会指明空气净化机当前的工作状态；还可以根据需要点亮夜光灯，照亮居室。
    为了防止空气的二次污染，应分别对高压静电除尘单元和异味吸收器进行定期的清洗或更换。高压静电除尘单元每两周用自来水清洗一次，异味吸收器一年更换一次。清洗和更换的时问由单片机预先设定，机器运行时间满两周或一年时，相应的指示灯被点亮并发出警报声，提醒人们清洗高压静电除尘单元或者更换异味吸收器。清洗或者更换完成后，可以操作按键，使单片机重新计时。

2 电路设计
2．1 单片机的选择
    单片机采用silicon Laboratories 公司的C8051F310，它是一种完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，内部主要集成了SMBus／IIC、增强型UART和SPI串行接口、单端／差分ADC、高精度可编程的内部时钟振荡器、VDD监视器、内部上电复位模块、捕捉／比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器／定时器阵列(PCA) 等功能部件。C8051F310使用Silicon Laboratories专利的高速CIP-51微控制器内核，70％的指令执行时间为一个或者两个系统时钟周期；工作电压为2．7～3．6V，典型工作电流为5mA，功耗比较低。另外，此单片机还具有16kB可在系统编程的FLASH存储器，可用于非易失性数据存储。
2．2 单片机控制电路
    单片机控制电路的结构框图如图2所示。

    P1．x~P3．x是单片机的普通I／O端口，各端口可承受的最大电压为5V。为了减少干扰，应将暂时不用的引脚接地。
    单片机接受从按键电路发来的指示信号，分析处理后，向风速调整电路、状态指示灯电路和其他电路发送控制信号，以实现空气净化机工作状态的改变。

3 软件设计
    为提高系统的快速性和实时性，系统的软件设计全部使用汇编语言编程。软件采用模块化设计，有利于修改和调试。程序主要分5部分：主程序、计时中断服务子程序、风速调整子程序、夜光灯子程序和负离子发生器子程序。主程序首先对各个数据寄存器和外围电路进行初始化，随后进入查询状态，当按键有信号输入时便调用相应的子程序。利用LED指示灯和蜂鸣器，指示系统的工作状态。
    从FLASH存储区划分出两部分，分别作为高压静电除尘单元FLASH存储区和异味吸收器FLASH存储区，用来存储高压静电除尘单元的工作时间和异味吸收器的工作时间。
    计时中断服务子程序设计框图如图3所示。系统每工作15分钟，便产生一次中断，进行计时处理后，返回主程序。

    在风速调整子程序中，根据按键的次数不同，系统把机器调整为低、中、高风和关机状态。在低、中和高风状态时高压静电除尘单元处于工作状态，此时其他按键处于有效状态；在关机状态，高压静电除尘单元处于关闭状态，并且其他按键也是不起作用的。
    夜光灯子程序设计框图如图4所示。夜光灯开关按键有两种功能，按键时间小于3秒时，改变夜光灯的工作状态；按键时间大于或等于3秒时，清零异味吸收器的工作时间。
    负离子发生器子程序与夜光灯子程序设计相似，先判断负离子按键时间是否满足3秒，如果不满足，执行打开或者关闭负离子发生器及负离子发生器指示灯并结束返回主程序；否则擦除高压静电除尘单元FLASH存储区的时间、返回主程序。

4 结束语
    利用51单片机设计的本空气净化机具有结构简单、性能可靠、节能环保等优点。经过多次测试，该系统工作稳定。