消毒機(jī)控制系統(tǒng)硬件方案開發(fā)

眾所周知，空氣既是人類賴以生存的必要條件，也是傳播疾病的重要媒介。目前世界上有41種主要傳染病，經(jīng)過空氣傳播的就有14種，占傳染病傳播的首位。2003年帶給人類巨大損失的SARS就是經(jīng)空氣以飛沫為主要的傳播途徑。我們身邊的空氣環(huán)境中充斥著大量的有害細(xì)菌、病毒和有機(jī)（或無機(jī)）污染顆粒、有毒粉塵等。因此，空氣的滅菌消毒對(duì)于防治疾病和身體健康具有很重要的意義。為了營造一個(gè)清新健康的工作和生活環(huán)境，設(shè)計(jì)一種既能凈化清新室內(nèi)空氣，消除煙臭、霉味等異味，還能夠動(dòng)態(tài)滅殺空氣中的細(xì)菌的自動(dòng)化儀器具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、空氣殺菌消毒方案選擇

空氣消毒目前比較常用的方法主要有三種：臭氧、紫外線和化學(xué)藥劑。臭氧為無色、無殘留、有輕微氣味的氣體，有極強(qiáng)的消毒、殺菌功效，被稱為“綠色消毒劑”。臭氧是世界公認(rèn)的廣譜、高效殺菌劑，它可迅速殺滅空氣中的細(xì)菌、病毒等，并在殺菌后快速還原成氧氣，沒有任何的殘留及二次污染。利用臭氧對(duì)環(huán)境空氣進(jìn)行消毒是目前最為高效、方便、快捷的方式之一。另外，臭氧的除臭能力很強(qiáng)，可以去除空氣中的煙味、腥味、臭味等異味，達(dá)到凈化空氣的目的。但是，高濃度的臭氧對(duì)人體有一定的危害，它能刺激人的呼吸道，造成呼吸系統(tǒng)疾病；造成人的神經(jīng)中毒，引起頭暈頭疼、視力下降等。因此我們?cè)谙緳C(jī)設(shè)計(jì)中，對(duì)臭氧的產(chǎn)生時(shí)間和濃度進(jìn)行了控制，并研究設(shè)計(jì)了消除臭氧的催化裝置，避免了高濃度臭氧的產(chǎn)生，使得臭氧消毒可在有人的環(huán)境中進(jìn)行。

紫外線也具有殺菌消毒的功能。紫外線消毒具有高效率、廣譜性、低成本、長壽命和無二次污染的特點(diǎn)，是國際上公認(rèn)的主流消毒技術(shù)。紫外線殺菌波段主要介于200nm～300nm之間，其中以253.7 nm波長的殺菌能力最強(qiáng)。菌類吸收紫外線能量后，引起DNA分核蛋白之間的鏈斷裂而使細(xì)菌滅亡。

在消毒機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，我們把臭氧和紫外線設(shè)計(jì)成雙重消毒，并在機(jī)器中安裝了高效碳濾網(wǎng)，可以有效地清除空氣中的粉塵和雜質(zhì)、二手煙，油煙等異味。因此該消毒機(jī)具有三重滅菌消毒功能，在殺菌消毒的同時(shí)可凈化空氣。

二、消毒機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在消毒機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要有三大控制模塊，實(shí)現(xiàn)遙控控制、通過繼電器組對(duì)臭氧和紫外線以及不同工作模式下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)控制、空氣質(zhì)量的檢測以及液晶顯示等功能?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖1所示，其核心為ATMEGA8單片機(jī)。ATMEGA8是ATMEL公司推出的一款高性能、低功耗的8位AVR高檔單片機(jī)。ATMEGA8的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備高檔單片機(jī)全部性能和特點(diǎn)，但其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)。它的高性能低價(jià)格，使其在產(chǎn)品市場上具有強(qiáng)大的競爭力，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。

整個(gè)系統(tǒng)采用遙控器控制,針對(duì)不同的室內(nèi)環(huán)境和殺毒效果,系統(tǒng)分“清新”、“標(biāo)準(zhǔn)”、“強(qiáng)效”三種工作模式。開機(jī)默認(rèn)“標(biāo)準(zhǔn)”模式，開機(jī)后由用戶根據(jù)環(huán)境自行遙控操作；用LCD實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)空氣質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為用戶提供便利的操作界面；可自行設(shè)定機(jī)器運(yùn)行時(shí)間，定時(shí)關(guān)機(jī)；具備報(bào)警提示紫外線系統(tǒng)、催化濾器和臭氧發(fā)生系統(tǒng)的壽命更換功能。

2.1輸入模塊設(shè)計(jì)

輸入模塊主要是對(duì)遙控器的接收控制。在紅外接收電路中，采用集成紅外接收器HS0038，靜態(tài)時(shí)輸出端輸出高電平，當(dāng)接收到紅外信號(hào)時(shí)，按紅外信號(hào)的數(shù)據(jù)波形輸出負(fù)脈沖數(shù)據(jù)信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)中將紅外接收頭的“OUT”端通過引腳PB0(ICP1)與單片機(jī)相連，由T/C的輸入捕捉單元來捕獲紅外遙控接收器的觸發(fā)信號(hào)。

2.2輸出模塊設(shè)計(jì)

輸出模塊主要有液晶顯示和繼電器組控制兩部分。

控制繼電器輸出部分通過高耐壓、大電流達(dá)林頓晶體管ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)。繼電器組控制要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)、紫外燈和臭氧發(fā)生器的控制，使其能在不同的工作模式下自動(dòng)開啟運(yùn)行。在清新模式下，風(fēng)機(jī)低檔運(yùn)行，標(biāo)準(zhǔn)模式下開啟紫外燈和風(fēng)機(jī)低檔運(yùn)行，強(qiáng)效模式下風(fēng)機(jī)高檔運(yùn)行，并開啟臭氧發(fā)生器和紫外燈?？紤]到高濃度臭氧對(duì)人體有害，由程序控制在強(qiáng)效模式下臭氧發(fā)生器的運(yùn)行時(shí)間，每隔30s開啟一次，持續(xù)運(yùn)行15s，這樣在消除臭氧的催化裝置和軟件控制雙重控制下，既保證臭氧的消毒殺菌作用，又避免了其對(duì)人體的危害。

液晶顯示部分主要顯示參數(shù)，如圖5所示，可顯示三種工作模式、室內(nèi)動(dòng)態(tài)空氣質(zhì)量情況及相應(yīng)的圖像表示、壽命提示以及設(shè)定的定時(shí)關(guān)機(jī)時(shí)間。其中室內(nèi)空氣質(zhì)量情況用清新度和潔凈度指數(shù)來詮釋，并用各指數(shù)對(duì)應(yīng)的進(jìn)度條的格數(shù)以及相應(yīng)的笑臉、苦臉和哭臉分別來顯示空氣質(zhì)量的好壞，十分形象直觀。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要采用LCD驅(qū)動(dòng)器HT1621來驅(qū)動(dòng)控制液晶顯示。HT1621作為一種新型段式液晶顯示器驅(qū)動(dòng)芯片，可以驅(qū)動(dòng)4位128段LCD。

2.3檢測模塊設(shè)計(jì)

室內(nèi)空氣質(zhì)量采用QS-01空氣質(zhì)量傳感器和PPD4NS煙塵傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。QS-01是一種二氧化錫半導(dǎo)體氣體傳感器，可檢測多種污染性氣體，靈敏度高，感應(yīng)特性較好。由實(shí)驗(yàn)和傳感器的特性得知：空氣質(zhì)量的污染程度與電阻RL的電壓值成正比例關(guān)系，即電壓值越高，污染程度越高，空氣質(zhì)量越差。

煙塵的檢測采用日本進(jìn)口的PPD4NS粉塵傳感器，該傳感器可高感度且穩(wěn)定地檢測出1mm以上的微小粒子。PPD4NS是基于與粒子計(jì)數(shù)器相同的光散亂原理，每個(gè)粒子在光照下散射產(chǎn)生的光脈沖通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成為信號(hào)幅度較大的電脈沖。當(dāng)無顆粒物時(shí)，粉塵傳感器輸出高電平，當(dāng)有顆粒物時(shí)，傳感器輸出負(fù)脈沖信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)中將傳感器信號(hào)輸出端接在單片機(jī)的外部中斷INT0輸入端，通過測量負(fù)脈沖持續(xù)的時(shí)間長短來測定單位時(shí)間內(nèi)顆粒物的濃度。通過調(diào)試可確定不同的顆粒物濃度對(duì)應(yīng)潔凈度指數(shù)的進(jìn)度條格數(shù)。

2.4軟件設(shè)計(jì)

軟件主要控制各模塊的功能實(shí)現(xiàn)，主要完成對(duì)紅外遙控信號(hào)接收、液晶顯示、工作模式運(yùn)行狀態(tài)（即繼電器組的開關(guān)狀態(tài)）、空氣質(zhì)量檢測、定時(shí)關(guān)機(jī)以及對(duì)EEPROM進(jìn)行讀寫來實(shí)現(xiàn)壽命提示等功能的控制。整個(gè)控制系統(tǒng)任務(wù)線程比較多，主要通過主程序?qū)⒏髯映绦蚰K有機(jī)地組織起來。子程序主要包括工作模式選擇、液晶顯示、A/D轉(zhuǎn)換處理、煙塵檢測中斷、紅外遙控接收中斷、定時(shí)中斷等部分。

總結(jié)

該消毒機(jī)經(jīng)投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，功能完全符合設(shè)計(jì)要求。以AVR單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)的此設(shè)備具有工作穩(wěn)定、操作方便，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。該消毒機(jī)可適用于家庭臥室、客廳、辦公和醫(yī)療環(huán)境，具有十分廣闊的市場前景。

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