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基于单片机的PM2.5空气质量净化系统设计

摘要

大千世界，精彩万分！现如今国家发展进步的同时，也涌现了诸多问题。各大产业蓬勃发展也存在着很多弊端，而人们却没有对这些问题进行及时充分的解决，所以如今对于我们来说的三大风险正是：资源匮乏，环境污染，生态失衡。环境污染的最重要方面是空气污染，土壤污染和水污染。由于它严重影响我们的生活质量和国家的可持续发展政策，因此我们应该注重环境的改造和重建，使人类重新回到没有污染的温室。但这是一个需要持续很长时间的项目。因为俗话说万里长城自然不是一天建成的，所以对于这一问题，我们要有信心而且抱着打好持久战的准备，有朝一日我们自然会迎来环境优化的曙光！

想要改良生活质量，防止环境污染对人类造成危害，为此本文设计了一款基于单片机的PM2.5空气质量净化系统，它的核心部件是一个空气智能化检测装置，可以检测空气污染程度和指标。初始设定一个标准环境数值，当空气浑浊程度超标，系统风扇将会开启，吸收污染物气体颗粒，负离子发生器开始工作，为空间提供洁净气体，使空气得以净化。

该系统易于使用，非常适合空气质量检测和小空间空气清洁，这使我们能够在良好的环境中工作，学习和娱乐。建造一个美丽，干净的生活空间！

关键词：环境污染；单片机；空气净化器；负离子发生器；空气净化器。

 

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.1.1大气污染现状 1

1.1.2空气净化器发展史 2

1.2课题研究意义 3

1.3课题主要任务 3

第二章 系统设计方案 5

2.1系统结构总体概述 5

2.2装置组成结构 6

2.2.1环境空气质量检测部分 6

2.2.2负离子空气净化器设备驱动部分 7

2.3声光报警系统电路的驱动部分 8

2.4系统功能设计 9

第三章 系统硬件设计 10

3.1控制系统设计 10

3.1.1 系统单片机介绍 10

3.1.2 STC单片机的内部结构 10

3.2 QS-01空气质量传感器 13

3.2.1 传感器简介 13

3.2.2 QS-01的结构 13

3.3 PM2.5传感器检测模块设计 14

3.4红外线控制 17

3.4.1红外线装置简介 17

3.4.2红外遥控编码 18

3.5 液晶显示器 19

3.5.1显示器简介 19

3.5.2 液晶显示原理及分类 19

3.6风机驱动模块设计 21

3.7电机控制模块设计 22

3.7.1控制电路原理 22

3.7.2单相异步交流电机 24

3.8 负离子空气净化器 25

3.8.1净化器简介 25

3.8.2 负离子发生器结构 25

第四章 软件设计 27

4.1主体程序设计 28

4.2红外遥控设计 29

4.3液晶屏显示设计 30

4.4 传感器QS-01工作设计 31

第五章 系统调试与仿真 32

5.1硬件调试 32

5.2软件仿真与测试 32

5.2.1 Proteus仿真系统简介 32

5.2.2仿真结果 33

第六章 结论 35

附录：电路总图 36

参考文献 37

致 谢 39

 

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1大气污染现状

2018年，一份全球空气污染调查报告显示，中国目前的空气质量较差并且污染严重。因为这份报告是世界卫生组织对来自52个国家的252个城市进行调查比对分析出的结果，因此很有说服性。它显示世界最严重三大污染城市分别是太原，米兰和北京。而前几名在榜上的城市也有多个在中国，比如乌鲁木齐，石家庄，重庆等，大气隐患危机人类健康，这不得不给我们敲响了警钟。[1]

近年来，人们经常提起PM2.5，它的确危及人类的健康.PM2.5是一种在空气中直径为2.5μm或更小的细颗粒物质。它可以长时间悬浮在空气中，它的浓度越高，空气污染越严重。与其他大气颗粒相比，PM2.5具有以下特点：颗粒小，面积大，活性强，容易附着有毒有害物质，并能长久停留于大气。PM2.5对人体健康和环境的危害，也正是因为这些特征。

当代互联网时代的到来使我们在很长一段时间内处在一个相对封闭的空间。所以室内空气污染极度影响人们健康。开门关门，朋友拜访等都会使颗粒污染物一直围绕着我们，因此不用外出，就会不知不觉被空气污染物所袭击。室内空气污染的到底有多大的危害呢？我们查阅了以下调查资料：

（1）美国卫生组织：72％的病因与室内污染有关，而这其中包括的50-90％的癌症病因与生活环境有直接关系。

（2）在湖南省，为了调查空气污染对儿童免疫力的影响，我们研究了9岁至10岁的儿童。结果表明受污染地区儿童免疫力降低为正常儿童的三分之一。

（3）人体器官学协会研究表明，在过去的25年中，皮炎，支气管炎等过敏性疾病的比例增长趋势迅猛，从2％增长到56％。主要原因是室内的生活环境受到污染。

（4）据统计家居室内比室外空气被污染几率高3到12倍，可以看出居室空气污染相对更严重。[2]

凡事提前防范是很有必要的，对环境恶劣现状采取一些措施很有必要。主要分为户外和室内两种方式，比如关闭排放废气不达标企业或者对家中的环境加以保护。以下三种方法可以用来明确预防PM2.5：

1.过滤法：例如空调，加湿器等，它的益处就是可以使PM2.5的浓度下降，弊端是滤膜需要定时清洁和翻新。

2.水吸附法：例如鱼缸，超声雾化器等，益处是可以将亲水性PM2.5排除的很彻底，弊端是会使室内不干燥，也不能清除所有PM2.5。

3.盆栽吸收法：可通过绿色盆栽较大的叶片，减少不洁净气体并吸附PM2.5，益处是能进行气体交换释放有利气体，弊端是效率不高，也可能导致不易于人体的气体排出。[3]

1.1.2空气净化器发展史 

人们常常提到的空气清新机，它的专业术语就是空气净化器，能够分解被污染的气体，并能及时将它们吸收，它是当今技术发展的结晶，可以让我们的生活空间更洁净。对于21世纪的各家各户来说，家用空气净化器是寻求洁净生活首选。

空气净化器最早用于消防方面。1826年，约翰詹姆斯发明了防烟装置，它是可以防止人类发生危险的新型装置。随后，杰克贝尔吸取前人经验，又取得了新的进展。经过了大量实验研究，他终于消除了空气中的不利气体，因为把碳元素加入到了过滤器中；二战期间，美国政府开始研制针对放射性物质的过滤方法，这些方法可以帮助筛选出有害颗粒。20世纪出现了HEPA过滤器，它能保证空气质量与安全。[4]空气净化器是用于清洁室内空气的小家电产品，室内空气污染都可以靠它来缓解。空气污染物在空中停留时间长，而且随时发生变化，危害极大，所以在国际上都很认可空气净化器的使用。目前，空气净化器有几大发展阶段：

一代净化器：过滤式空气净化器，能高效净化室内空气中的PM2.5，但对一些病毒的净化效果不是很理想。

二代净化器：静电式空气净化器，吸收空气中PM2.5速度迅猛，也能去除异味并杀菌。

三代净化器：分子络合技术空气净化器。络合剂使有害气体分子溶于水，从而净化空气。

四代净化器：它是最新一代的净化器，在温度不高的情况下，进行常温催化。

市场上购买的空气净化器种类繁多，在技术和所用材料上都有些差异，最受欢迎的几种类型有：负离子净化器、静电吸附净化器、空间过滤净化器等；它的介质有：活性炭、合成纤维、负氧离子等。主要由过滤段、风机、红外线控制、液晶显示屏、外壳等构成。风机性能好坏代表产品可以使用多久，过滤段选用何种级别意味着净化程度是否彻底。目前，不同设计生产方式的净化器用于不同的环境，每一项技术的改进和转变，都使室内空气质量达到明显的好转。它的宗旨就是：净化室内空气，从而提高生活质量。[16]

1.2课题研究意义

“城市空气质量研究论坛”报告中显示，从宏观来看，我国城市空气质量基本不达标，甚至排在世界倒数。经济的确在进步，而天平的另一端也伴随环境的污染越发严重，但是近年来，人们的思想和对美好生活的向往却在不断提高，因此对良好自然环境的需求也更加强烈，因为它可以帮助我们拥有健康的身体和心灵，从而能够促进工作热情，提高生活效率。

本文设计的空气净化系统可以帮助人们缓解空气污染带来的忧虑。它可以实时监控并检测室内环境质量，用空气质量传感器就可以轻松完成这一步骤。利用单片机为微处理器，分析处理模块的输入信号，时刻使室内空气质量达标，为我们提供洁净的生活空间。空气净化器便携、简易，他在任何时间任何地点都可以工作，净化室内空气，它更是宅男宅女们的福音，这样看来，本空气净化器的设计迫在眉睫，因为它可以帮助人们精神集中，心情舒畅，更有益于身心健康。

1.3课题主要任务

本设计总体思路就是：在单片机担任主要调控角色的同时，传感器的输入则为启动系统正常运行的信号，当有数值或波形不达标，净化系统就会自动启动开始工作。此装置可以可以设置不同的数值作为报警时的信号，如果当前空气质量不达标，就会自动报警并开启工作模式，开始净化。PM2.5灵敏度模块可以解决使用中的零点漂移，保证系统可靠性。

系统设计的几大任务：

1.在单片机的控制下，接收并处理信号

2.掌握空气质量传感器的基本知识

3.PM2.5模块的研究

4.液晶显示器的研究

5.红外控制的研究

6.风机驱动模块的设计

7.电机模块的设计

8.负离子空气净化器的设计

 

参考文献

[1]王力芬，空气污染及防治调查研究[M]北京：环境质量检测，2009.

[2]刘昌海，室内环境污染防治论题报告[M]北京：环保组织论坛，2014.

[3] 雷伏容，PM2.5浓度指标及基本知识手册[M].北京：清华大学出版社，2010. 

[4]张为民，测控系统中的智能空气净化控制器研制[J]．西北民族大学学报(自然科学版) ．2004（02）：32-33． 

[5]高惠芳，模拟数字量转换过程控制研究[M].北京：科学出版社，2010. 

[6]姚健、陶卫东，粉尘传感器设计及研究[D] ．宁波大学理学院．2009.5.

[7]蒙晋佳、韩桂华，空气负离子发生器产品状况 [J].医疗卫生设备，2003. 

[8]王福瑞等，单片微机测控报警系统设计大全[M].北京航空航天大学出版社，1998（331-337）.

[9]胡学海,单片机原理及应用系统设计[M].北京：电子工业出版社，2005.10.

[10]康华光，STC系列单片机发展历程及构造设计研究[M].北京：高等教育出版社，1999.6.

[11]杨度城，夏普PM2.5传感器测试应用[D]．哈尔滨工程大学．2007．

[12]刘黎明等，红外遥控技术系统应用[J].英文期刊MICROCO TROLLER&EMBEDDED SYSTEM.2002(7).

[13]林土胜，液晶显示技术原理[M].北京：机械工业出版社，2010 

[14]郭天祥，风速传感器介绍[M].北京：电子工业出版社，2009.

[15]赵继文,异步交流电机系统应用[M].北京：科学出版社，2002.

[16]黄继昌，负离子臭氧浓度关系调查报告[M].北京：人民邮电出版社，2004. 

[17]杨文力，LCD液晶显示技术研究[M].北京：机械工业出版社，2013.

[18]侯玉宝、李成群，基于Proteus的STC系列单片机设计与仿真 [M].北京：电子工业出版社，2008.

[19] Cheng Guodong. Linearity engineering in permafrost areas . Journal of Glaciology and Geocryology(in Chinese)，2013,23(3)：213—217.

[20] Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M]. . 2005.

[21] Rhee W.Design of high-performance CMOS charge pumps inphase-locked loops. IEEE International Symposium on Cir-cuits and Systems. 2014.

[22] Todd Charles Weigandt.Low-phase-noise,low-timing-jitter design techniques for delay cell based VCOs and frequency synthesizers[C]//PHDthesis. .2016. 

[23] George Lee,Karina Ng,Edmond Kwang.Design of ring oscillator based voltage controlled oscillator. Project Final Report[R]. 2015.

[24] T. C. Weigandt,B. Kim,and P. R. Gray.Analysis of Timing Jitter in CMOS Ring Oscillators. IEEE International Symposium on Circuits and Systems. 2014.

[25] Nonis R,Da Dalt N,Palestri P,et al.Modeling,design andcharacterization of a new low-jitter analog dual tuning LC-VCOPLL architecture[J]. IEEE Journal of Solid State Circuits. 2015.

[26] B Schneier．Applied Crytography：Algorithms，and Source Code in C．New York：Jone Wiley& Sons. 2014．301—307.