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消毒机控制系统硬件设计


众所周知,空气既是人类赖以生存的必要条件,也是传播疾病的重要媒介。目前世界上有41种主要传染病,经过空气传播的就有14种,占传染病传播的首位。2003年带给人类巨大损失的SARS就是经空气以飞沫为主要的传播途径。我们身边的空气环境中充斥着大量的有害细菌、病毒和有机(或无机)污染颗粒、有毒粉尘等。因此,空气的灭菌消毒对于防治疾病和身体健康具有很重要的意义。为了营造一个清新健康的工作和生活环境,设计一种既能净化清新室内空气,消除烟臭、霉味等异味,还能够动态灭杀空气中的细菌的自动化仪器具有十分重要的现实意义。

一、空气杀菌消毒方案选择

空气消毒目前比较常用的方法主要有三种:臭氧、紫外线和化学药剂。臭氧为无色、无残留、有轻微气味的气体,有极强的消毒、杀菌功效,被称为“绿色消毒剂”。臭氧是世界公认的广谱、高效杀菌剂,它可迅速杀灭空气中的细菌、病毒等,并在杀菌后快速还原成氧气,没有任何的残留及二次污染。利用臭氧对环境空气进行消毒是目前最为高效、方便、快捷的方式之一。另外,臭氧的除臭能力很强,可以去除空气中的烟味、腥味、臭味等异味,达到净化空气的目的。但是,高浓度的臭氧对人体有一定的危害,它能刺激人的呼吸道,造成呼吸系统疾病;造成人的神经中毒,引起头晕头疼、视力下降等。因此我们在消毒机设计中,对臭氧的产生时间和浓度进行了控制,并研究设计了消除臭氧的催化装置,避免了高浓度臭氧的产生,使得臭氧消毒可在有人的环境中进行。

紫外线也具有杀菌消毒的功能。紫外线消毒具有高效率、广谱性、低成本、长寿命和无二次污染的特点,是国际上公认的主流消毒技术。紫外线杀菌波段主要介于200nm~300nm之间,其中以253.7 nm波长的杀菌能力最强。菌类吸收紫外线能量后,引起DNA分核蛋白之间的链断裂而使细菌灭亡。

在消毒机设计时,我们把臭氧和紫外线设计成双重消毒,并在机器中安装了高效碳滤网,可以有效地清除空气中的粉尘和杂质、二手烟,油烟等异味。因此该消毒机具有三重灭菌消毒功能,在杀菌消毒的同时可净化空气。

二、消毒机控制系统设计

在消毒机的控制系统设计中,主要有三大控制模块,实现遥控控制、通过继电器组对臭氧和紫外线以及不同工作模式下风机的运行状态的自动控制、空气质量的检测以及液晶显示等功能。控制系统原理框图如图1所示,其核心为ATMEGA8单片机。ATMEGA8是ATMEL公司推出的一款高性能、低功耗的8位AVR高档单片机。ATMEGA8的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路,具备高档单片机全部性能和特点,但其价格仅与低档单片机相当。它的高性能低价格,使其在产品市场上具有强大的竞争力,应用领域非常广阔。

图 1 消毒机控制系统原理框图

整个系统采用遥控器控制,针对不同的室内环境和杀毒效果,系统分“清新”、“标准”、“强效”三种工作模式。开机默认“标准”模式,开机后由用户根据环境自行遥控操作;用LCD实时显示室内空气质量和系统运行状态,为用户提供便利的操作界面;可自行设定机器运行时间,定时关机;具备报警提示紫外线系统、催化滤器和臭氧发生系统的寿命更换功能。

2.1输入模块设计

输入模块主要是对遥控器的接收控制。在红外接收电路中,采用集成红外接收器HS0038,静态时输出端输出高电平,当接收到红外信号时,按红外信号的数据波形输出负脉冲数据信号。在电路设计中将红外接收头的“OUT”端通过引脚PB0(ICP1)与单片机相连,由T/C的输入捕捉单元来捕获红外遥控接收器的触发信号。

2.2输出模块设计

输出模块主要有液晶显示和继电器组控制两部分。

控制继电器输出部分通过高耐压、大电流达林顿晶体管ULN2003芯片驱动。继电器组控制要实现对风机、紫外灯和臭氧发生器的控制,使其能在不同的工作模式下自动开启运行。在清新模式下,风机低档运行,标准模式下开启紫外灯和风机低档运行,强效模式下风机高档运行,并开启臭氧发生器和紫外灯。考虑到高浓度臭氧对人体有害,由程序控制在强效模式下臭氧发生器的运行时间,每隔30s开启一次,持续运行15s,这样在消除臭氧的催化装置和软件控制双重控制下,既保证臭氧的消毒杀菌作用,又避免了其对人体的危害。

液晶显示部分主要显示参数,如图5所示,可显示三种工作模式、室内动态空气质量情况及相应的图像表示、寿命提示以及设定的定时关机时间。其中室内空气质量情况用清新度和洁净度指数来诠释,并用各指数对应的进度条的格数以及相应的笑脸、苦脸和哭脸分别来显示空气质量的好坏,十分形象直观。在控制系统设计中主要采用LCD驱动器HT1621来驱动控制液晶显示。HT1621作为一种新型段式液晶显示器驱动芯片,可以驱动4位128段LCD。

图 5 液晶显示参数

2.3检测模块设计

室内空气质量采用QS-01空气质量传感器和PPD4NS烟尘传感器进行实时监测。QS-01是一种二氧化锡半导体气体传感器,可检测多种污染性气体,灵敏度高,感应特性较好。由实验和传感器的特性得知:空气质量的污染程度与电阻RL的电压值成正比例关系,即电压值越高,污染程度越高,空气质量越差。

烟尘的检测采用日本进口的PPD4NS粉尘传感器,该传感器可高感度且稳定地检测出1mm以上的微小粒子。PPD4NS是基于与粒子计数器相同的光散乱原理,每个粒子在光照下散射产生的光脉冲通过光电转换器转化成为信号幅度较大的电脉冲。当无颗粒物时,粉尘传感器输出高电平,当有颗粒物时,传感器输出负脉冲信号。在电路设计中将传感器信号输出端接在单片机的外部中断INT0输入端,通过测量负脉冲持续的时间长短来测定单位时间内颗粒物的浓度。通过调试可确定不同的颗粒物浓度对应洁净度指数的进度条格数。

2.4软件设计

软件主要控制各模块的功能实现,主要完成对红外遥控信号接收、液晶显示、工作模式运行状态(即继电器组的开关状态)、空气质量检测、定时关机以及对EEPROM进行读写来实现寿命提示等功能的控制。整个控制系统任务线程比较多,主要通过主程序将各子程序模块有机地组织起来。子程序主要包括工作模式选择、液晶显示、A/D转换处理、烟尘检测中断、红外遥控接收中断、定时中断等部分。

总结

该消毒机经投入使用后,运行稳定可靠,功能完全符合设计要求。以AVR单片机为核心控制系统的此设备具有工作稳定、操作方便,成本低廉等优点。该消毒机可适用于家庭卧室、客厅、办公和医疗环境,具有十分广阔的市场前景。

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