室内空气净化系统.docx
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室内空气净化系统
编号:
____________
审定成绩:
____________
毕业设计(论文)
设计(论文)题目:
室内空气净化系统设计
单位(系别):
自动化系
*****************
专业:
电气工程及其自动化
班级:
05111202
学号:
**********
*****************
答辩组负责人:
潘显兵
填表时间:
2016年5月
重庆邮电大学移通学院教务处制
重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书
设计(论文)题目室内空气净化系统设计
学生姓名陈鑫系别自动化专业电气工程及其自动化班级05111202
指导教师张姣职称讲师联系电话
教师单位重庆邮电大学移通学院下任务日期_2015_年_12_月_29日
主
要
研
究
内
容
、
方
法
和
要
求
1.选用单片机作为主控制器;
2.完成部分模块的设计如温度检测模块、湿度检测模块、温湿度显示模块、电源模块、驱动电路模块、键盘输入模块和报警模块、控制模块;
3.实现系统的软件设计;
4.用PROTEL软件完成系统的原理图设计;
5.应用仿真软件Protus实现模拟。
进
度
计
划
第1周~第3周:
查阅资料,完成英文翻译及整体方案设计;
第4周~第6周:
完成系统硬件的设计;
第7周~第9周:
完成系统软件的设计;
第10周~第12周:
撰写论文、修改论文,完成答辩
主
要
参
考
文
献
[1]邓永光.基于单片机的室内智能通风控制系统研究[D].南昌:
南昌大学,2008.
[2]孙勇.生物安全实验室空调净化控制系统的研究和应用[D].西安:
西安电子科技大学,2009.
[3]冯磊.医院多功能情报监控系统的研究[D].上海:
上海交通大学,2008.
[4]肖德玲.基于Internet的远程室内空气品质检测与评价[D].西安:
西安工程科技学院,2004.
指导教师签字:
年月日
教研室主任签字:
年月日
备注:
此任务书由指导教师填写,并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。
摘要
在我们生活的大多数场所,为了节省能源,其建筑都是密封的。
即使在安装空调系统的前提下,通常的新风量约占空调总风量的15%左右,其余的85%都是室内的回风,因此室内的大部分空气都在往返循环使用,所以室内常积有许多诸如病毒、霉毒、细菌、真菌、烟尘、异味、化学物以及转换后的甲醛、笨、氨等污染,使室内空气质量更加恶化,污染更加严重。
在卫生部组织开展的全国公共场所中央空调通风系统卫生状况监督检查结果也表明,合格率仅为6.2%。
人们在这样的环境下生活工作,严重危害健康和生命。
本文主要对家用空气净化器进行分析设计,根据空气净化器的内部结构和各部件的工作原理,以及消费者需求进行设计。
设计了一种基于C8051F020单片机的智能室内空气净化系统,该系统主要包括气体传感器阵列数据采集模块、电机和紫外灯驱动控制模块、紫外灯灯管信号反馈模块、TFT液晶触摸显示模块、红外遥控和蜂鸣器发声装置等,实现了空气净化过程的智能控制,提供了TFT液晶触摸显示的友好操作界面。
【关键词】单片机数据采集空气净化系统
ABSTRACT
Inmostplacesofourlife,inordertosaveenergy,thebuildingwassealed.Evenunderthepremiseofinstallingairconditioningsystem,usuallyXinfengliangaccountedforabout15percentofthetotalairvolumeofairconditioning,theremaining85%areofindoorair,somostoftheindoorairareincyclicuse,sotheindoorconstantproducttherearemany,suchasvirus,mildew,bacteria,fungi、smoke、smell,chemicalsandturnafterthedecorationofformaldehyde,benzene,ammoniaandotherpollution,indoorairqualityworse,thepollutionismoreserious。
Theresultsalsoshowedthatthequalifiedratewasonly6.2%,thehealthstatusofthecentralairconditioningandventilationsysteminthenationalpublicplacesorganizedbytheMinistryofhealth.Peoplelivingandworkinginthisenvironment,seriouslyendangerthehealthandlife。
Dualwavelengthhydrogenplasmapurificationtechnology,canindoesnotchangetheexistingventilationandpersonnelworkasusualdynamiccondition,rapidsterilization,disinfection,andatthesametime,improvetheambientairofoxygen。
Thisarticlemainlycarriesontheanalysisdesigntothehouseholdairpurifier,accordingtotheairpurifier'sinternalstructureandtheworkprincipleofeachcomponent,aswellastheconsumerdemandtocarryonthedesign。
DesignabasedonC8051F020MCUintelligentindoorairpurificationsystem。
Thesystemmainlyincludesgassensorarraydataacquisitionmodule,motorandUVlampdrivecontrolmodule,UVlamplampsignalfeedbackmodule,TFTLCDtouchdisplaymodule,infraredremotecontrolandabuzzersounddevice,realizetheairpurificationprocessofintelligentcontrol,providetheTFTLCDtouchdisplayfriendlyoperationinterface。
【Keywords】SinglechipDataacquisitionAirpurificationsystem
前言1
第一章 系统概述2
第一节空气净化器的研究意义2
一、空气质量隐患2
二、空气净化器的作用2
第二节空气净化发展史3
第三节空气净化器的研究现况4
一、亚都空气净化器调研4
二、美的空气净化器调研5
三、远大空气净化器调研5
第四节章节安排6
第二章系统总体方案设计7
第一节系统设计目标7
第二节现代空气净化器弊端7
第三节本系统功能定位8
第四节系统总体框图8
第三章硬件设计10
第一节单片机的选择10
第二节单片机的引脚介绍11
第三节气体质量检测12
一、检测气体的选择12
二、气体传感器的选择12
三、粉尘传感器的选择13
四、传感器硬件电路设计13
第四节继电器控制电路14
第五节电机和紫外灯控制电路14
第六节TFT液晶触摸显示16
第七节电源转换电路16
第四章软件设计18
第一节总体结构设计18
第二节主程序流程图18
第三节各子程序20
一、红外遥控设计20
二、液晶屏显示设计20
第五章系统仿真21
第一节proteus软件概述21
第二节实验结果显示21
结论24
致谢25
参考文献26
附录27
一、英文原文27
二、英文翻译33
前言
空气净化器的含义是指能够将大气中的各种杂质和污染物吸附、分解和消除的一种空气洁净机。
其中可分解和消除的空气包括PM2.5、毛发、异味、粉尘、花粉、甲醛之类的装修污染在内的过敏原和粉尘等都是空气中必须需要去除的污染物。
而空气净化器正好可以有效地消除了这样的污染,改善空气质量的产品之一,它主要使用的地方有室内,家庭,商业,工业和车辆内部等。
根据国家相关标准规定,广义上对于空气净化器定义是“从空气中分离并且消除一种或多种污染空气的设备。
对空气中的污染物有一定消除能力的装置。
”
由于经济的快速发展的同时,不可避免的也带来的环境的污染,随着人民生活水平的提高,人们也对环境和生活环境质量逐渐开始关注,近几年来,在空气中已经出现的一些问题,比如雾霾、酸雨等问题的出现,空气净化器这一新型产品也由此开始流行起来,并且这已成为一种流行的环保方式。
但是现有空气净化器的市场比较单一,目前太机械化的缺点,虚有其表的功能是市场普遍存在的现象。
因此,通过对现有现象的基础上进行分析,我们必须在现有空气净化器系统的基础上对其再进行设计和创新将空气更好的滤清,其目的就是设计出相对容易使用的产品。
本文主要对室内空气净化器进行分析设计,根据人民的需求针对内部的结构和各部件的工作原理,以及消费者对产品的需求进行设计和改造。
其中包括对其的系统总体结构及工作原理、系统硬件设计、软件设计等诸多问题的研究。
第一章 系统概述
第一节空气净化器的研究意义
一、空气质量隐患
在我国,近年来我国室内空气污染状况惊人,室内空气污染对人体健康造成的威胁触目惊心,污染净化与健康的“隐形杀手”,也成为全世界各国共同关注的问题。
美国专家检测发现,在室内空气中存在500多种挥发性有机物,其中致癌物质就有20多种,致病病毒200多种。
危害较大的主要有:
氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。
中国消费者协会公布过一项调查结果:
抽样检测的新装修的住房中有七成含有有毒气体。
在这样的新居中,人们往往出现头痛、头晕、过敏性疲劳和眼、鼻、喉刺痛等不适感,世界卫生组织(WHO)将此现象称为“病态建筑物综合征”。
2002年8月初,中国消费者协会公布了一项调查结果:
北京对30户装修后的室内环境污染物进行检测,发现甲醛浓度超标达73%,杭州对53户装修后的室内环境污染物进行检测,发现甲醛浓度超标达79%,最高的超标达30倍以上。
近几年来,随着我国城镇居民的生活水平的提高,人们对自身的居住环境要求越来越高,不断改善着住房条件,从单一的增加居住面积到对住房的豪华装修。
目前,我国城镇居民每年有1500亿元花费在居室装修上,据不完全统计,上海市,仅仅家庭装修市场每年产值可达200-250亿元,而且以每年10-15%的速度递增。
据报道,找个室内装饰工程的市场需求量到2005年以超过6000亿元,它所带动的装饰材料和家电等超过4000亿元。
由室内装饰装修材料引起的室内环境污染也日益严重。
另据统计,我国由于室内空气污染造成的损失,如果按支付意愿价值估计,约为106亿美元。
在工业,经济,开发高度发展的同时,我们的室内环境也日益的被严重污染。
二、空气净化器的作用
空气净化器主要是用来净化室内空气的小型家电产品。
使用空气净化器净化室内空气是国际公认的改善室内空气质量的方法。
性能优良的空气净化器可有效地去除空气中的有害气体,吸附空气中的悬浮颗粒,特别是各种细菌和病毒,一般是以悬浮颗粒作为生存载体,所以也同时被清除,空气净化器对于改善室内空气质量,维护人们身体健康大为有益。
空气净化器可以给人们带来纯净的空气,为人们的健康保驾护航,很多特殊人群尤为适合。
例如孕妇、儿童、老人、呼吸道疾病患者,办公室一族,以及长期开车、处于人多且室内污染较大的人群。
纯净的空气有助于人体的生长发育,愉悦心情,提高工作效率。
例如孕妇在空气污染严重的室内会感到身体不适,出现头晕,出汗,口干舌燥,胸闷欲吐等症状,对胎儿的发育产生不良的影响。
患上心脏疾病的可能性是呼吸清新空气的孕妇所生孩子的3倍。
而办公室一族由于工作状态大都在办公室里,每天对着电脑,少有机会运动并到室外呼吸新鲜的空气,在恒温密闭空气质量不好的环境中,容易导致头晕,胸闷,乏力,情绪起伏大等不适症状,影响工作效率,引发各种疾病,严重者还可致癌。
因此选择一款合适的空气净化器,对人们的生活品质是事半功倍。
根据美国环保署的研究,人们在室内空间接触到空气污染物的平均程度是室外空间的2.5倍,严重时甚至可高达100倍;而国内调查表明,城市居民每天在室内的时间长达21.53小时,占全天时间的90%。
因此,人体健康与室内空气净化程度关系密切,“健康呼吸”已成为迫切的需要,设计出一台能够高效便捷净化室内空气质量的净化器显得尤其重要。
第二节空气净化发展史
空气净化器起源于消防用途,1823年,约翰和查尔斯·迪恩发明了一种新型烟雾防护装置,可使消防队员在灭火时避免烟雾侵袭。
1854年,一个名叫约翰斯·滕豪斯的人在前辈发明的基础上又取得新进展:
通过数次尝试,他了解到向空气过滤器中加入木炭可从空气中过滤出有害和有毒气体。
二战期间,美国政府开始进行放射性物质研究,他们需要研制出一种方式过滤出所有有害颗粒,以保持空气清洁,使科学家可以呼吸,于是HEPA过滤器应运而生。
在20世纪50、60年代,HEPA过滤器一度非常流行,很受防空洞设计和建设人员欢迎。
进入20世纪80年代,空气净化的重点已经转向空气净化方式,如家庭空气净化器。
过去的过滤器在去除空气中的恶臭、有毒化学品和有毒气体方面非常好,但不能去除霉菌孢子、病毒或细菌,而新的家庭和写字间用空气净化器,不仅能清洁空气中的有毒气体,还能净化空气,去除空气中的细菌、病毒、灰尘、花粉、霉菌孢子等。
现在,空气净化器已经有了多种不同的设计制作方式,并且每一次技术的变革都为人们室内空气品质的改善带来显著效果。
而这一切目的只有一个:
希望能净化室内空气来提高人们的生活质量。
目前市场上空气净化器大都主要构成有:
机箱外壳、过滤段、风道设计、电机、电源、液晶显示屏等。
决定寿命的是电机,决定净化效能的是过滤段,决定是否安静的是风道设计、机箱外壳、过滤段、电机。
第三节空气净化器的研究现况
一、亚都空气净化器调研
亚都空气净化器是以活性炭过滤网、HEPA过滤网为技术特点的空气净化器。
其风格各异,整体来看,今年的产品趋于简约风格,并添加了一些人机互动的形式功能。
其高端产品特点:
材料趋势以实木和金属为主;造型采用有机形态;操作以界面显示操作为主;给人的感受是造型独特;整体特点:
独特的材质和高性能。
图1.1亚都装修卫士净化器
其中端产品的特点:
材料趋势以ABS和哑光喷漆为主;造型趋于简约;操作以实体按键加小显示为主;给人的感受常规合理;整体特点:
可以人机互动。
其低端产品特点:
材料趋势以ABS加图案为主;造型采用硬朗的线条;操作以实体按键、无界面为主;给人的感受是常规合理;整体特点:
有一定的针对性主题和性价比。
适用场所:
新装修的房子。
相信很多刚装修的房子的朋友都知道,房间装修好以后,不能立即住进去,因为里面甲醛污染非常严重。
大多情况下都是放置一个月才住进去。
其实这个时候可以用亚都空气净化器(见图1.1),非常有用。
办公室或公共场所。
这些地方因为人流大,抽烟等空气污染非常严重,也比较适合安装空气净化器。
二、美的空气净化器调研
美的空气净化器的整体造型简约,体量轻薄,性价比较高,以中低端产品为主,高端产品重视操作的便捷性,滤网的更换别致。
其高端产品特点:
材料趋势以钢化玻璃加图案为主(见图1.2);造型简约有层次感;操作以界面显示操作为主;给人的感受专业感强;整体特点:
独特的材质和高性能。
其中端产品的特点:
材料趋势以ABS加金属漆为主;造型简约有层次感;主要采用实体按钮或无显示操作;给人的感受是超薄;整体特点:
超薄。
图1.2美的空气净化器
其低端产品特点:
材料趋势以ABS加高亮喷漆为主;造型简约加密集通风隔栅;操作以界面显示操作为主;给人的感受是使用;整体特点:
材质和高性能。
三、远大空气净化器调研
远大空气净化器(见图1.3)全线产品风格统一均为金属包裹密集网孔,表面光亮,汽车涂料。
高中低端产品主要以性能和产品比例作为差异化,高端瘦高,中低端矮胖,均为小界面显示。
表面材料趋势:
金属外壳加汽车漆;造型:
简洁几何加密集网孔;操作:
实体按键加小显示;感受:
专业感设备感强;特点:
专业加色彩DIY。
图1.3远大空气进化器
第四节章节安排
本文一共分为五章,分别介绍了空气净化器的系统概述、系统总体方案设计、系统的硬件设计和软件设计、系统仿真五个章节对空气净化器做了全面的介绍分析。
详细的介绍了空气净化系统的组成与设计和系统的内部硬件构造和软件程序,最后的系统仿真让我们深刻理解空气净化系统的理论,理论联系实际、强化动手能力、训练创新思维。
第二章系统总体方案设计
第一节系统设计目标
通过对现代人生活环境及方式的研究,从而发现一些问题,由于现代人在工作和生活方式的改变,越来越注重环境质量,而随着这种观念的深入,空气净化器的开发、设计、研究、使用必将成为现代人所关注的问题之一。
而现今国内市场上的产品造型过于单一,大多缺乏新意,产品之间相似度高,无法将形式与功能统一并且相融合,而且材料浪费,二度污染的现象普遍存在。
所以一款高效、节能、智能的空气净化器才是消费者最终需求。
因此,针对市场上这一普遍现象,本课题希望通过研讨国内外优秀的设计并通过调研分析,在现有空气净化器系统的基础上再设计与创新,设计出便于使用的,功能相对完善一款产品。
为丰富国内市场,为赶上外国先进水平尽一份力。
第二节现代空气净化器弊端
面对当下雾霾重污染及装修污染物肆虐的环境,为了呼吸健康,越来越多的人选择通过购买空气净化器来“搞好自己家的空气环境”。
但空气净化器市场品类繁多的,存在很大的弊端。
通过调查发现,目前空气净化器技术主要分为两种,一种是我们比较熟悉的传统过滤网型产品,需要定期更换滤网。
另外一种是最新的逐渐受热捧的无耗材产品。
传统滤网型空气净化器技术应用的比较广泛,研发成本低,占据大部分的市场份额。
但传统空气净化器在净化时,会把不能分解污染物吸附在过滤网上,长时间堆积饱和会再次释放回到空气中,造成二次污染危害健康。
还有,传统过滤网型产品存在后续维护成本高、不能分解甲醛、不能净化超细微颗粒物等弊端,而且产品滤网寿命结束后,无法回收,只能作为垃圾处理,滤网普遍由PP熔喷纤维或者玻璃纤维构成,掩埋后很难降解,容易对环境形成了二次污染。
所以一款绿色、节能、智能、清新持久的净化器才是消费者的最终需求。
综合上述因素空气清新器的设计对于现代人生活方式和工作环境尤为重要。
因此,在本次设计中将使用环境问题作为设计的重要因素,将环境与形态设计更好的融合。
第三节本系统功能定位
空气净化器采用负离子过滤技术(负离子空气净化器:
是一种利用自身产生的负离子对空气进行净化、除尘、除味、灭菌的环境优化电器,其与传统的空气净化机的不同之处是以负离子作为作用因子,主动出击捕捉空气中的有害物质,而传统的空气净化机是风机抽风,利用滤网过滤粉尘来净化空气,称为被动吸附过滤式的净化原理,需要定期更换滤网,而负离子空气净化器则无需耗材)。
自动识别空气质量并启动净化,让您的环境不知不觉中得到净化。
触控指示灯可控制其启动与关闭节能环保。
人机界面简单易懂,把操作做到最简化,避免误操作。
第四节系统总体框图
设计的智能空气净化系统可对室内空气中的粉尘、甲醛、CO2等有毒有害气体信息实时采集,利用过滤膜过滤室内空气中的颗粒状污染物,利用紫外线的照射破坏致病体的DNA结构达到消毒灭菌的作用。
系统启动分为自动模式和手动模式两种,自动模式中对有害气体浓度净化标准有一般、良好、优质3种标准,手动模式中的3个电机分别运行在低速、中速、高速3种状态。
一般标准对应启动的是低速运行的电机,依此类推。
自动模式下用户选择净化标准后即可实现净化过程的自动控制,手动模式下用户选择启动某种转速的电机,但当净化完成后还需其他手动操作。
在自动模式净化过程中,空气中有毒有害气体浓度低于或等于标准值时,停止电机,高于标准值时,自动启动电机,实现了标准值下室内空气净化过程的智能控制。
在手动模式净化过程中,用户可根据液晶屏显示的空气质量数据选择启动某种转速的电机,但当净化完成时电机仍会运转,需手动关闭或切换其他转速或模式。
室内空气中粉尘或甲醛浓度持续6h超过某一设定值,液晶屏会显示“清洗膜”,提示用户清洗或更换过滤膜。
CO2含量超过设定值时,液晶屏会显示“打开窗户”,提示用户开窗。
同时主控芯片通过紫外灯灯管信号反馈电路传输的信号判别紫外灯是否正常工作。
为了实现对空气净化过程中的智能化控制,应该提高系统的性能与可靠性,采用C8051F020做为控制核心芯片,系统主要包括气体的传感器阵列数据采集模块、电机与紫外灯驱动控制模块、紫外灯灯管信号反馈模块、TFT液晶触摸显示模块、红外遥控和蜂鸣器发声装置等。
气体的传感器阵列有DHT11温湿度传感器、DSM501粉尘传感器、MG811型CO2传感器、MQ138甲醛气体传感器。
系统结构框图,如图2.1所示。
图2.1系统结构框图
第三章硬件设计
第一节单片机的选择
本文设计了一种基于C8051F020单片机的智能室内空气净化系统。
C8051F020是基于高速8051微控制器内核、流水线指令的结构,速度可到达25Mindication/s,4352字节的数据RAM,64k字节可以在线编辑的flash存储器,外部64字节的数据存储器接口。
内部含有真正12bit100ksample/s的八通道ADC,真正8字节500ksample/s的8通道ADC,均可以带PGA和模拟的多路开关,和2个12bitDAC。
具有8byte宽的端口I/O口,可以同时操作的硬件SMBus(I2CTM的兼容),SPITM以及两个UART串口。
可有5个通用的16bit定时器,可编程的16bit定时器阵列,有5个可捕捉模块。
与旧版的51系列单片机相比,在相同成本的情况下,可靠性和速度得到了很大提高。
C8051F020单片机的引脚配置如图3.1所示:
图3.1C8051F020单片机引脚配置图
第二节单片机的引脚介绍
C8051F020单片
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