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消毒機控制系統硬件設計


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就是經空氣以飛沫為主要的傳播途徑。我們身邊的空氣環境中充斥著大量的有害細菌、病毒和有機(或無機)污染顆粒、有毒粉塵等。因此,空氣的滅菌消毒對于防治疾病和身體健康具有很重要的意義。為了營造一個清新健康的工作和生活環境,設計一種既能凈化清新室內空氣,消除煙臭、霉味等異味,還能夠動態滅殺空氣中的細菌的自動化儀器具有十分重要的現實意義。

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、紫外線和化學藥劑。臭氧為無色、無殘留、有輕微氣味的氣體,有極強的消毒、殺菌功效,被稱為“綠色消毒劑”。臭氧是世界公認的廣譜、高效殺菌劑,它可迅速殺滅空氣中的細菌、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。利用臭氧對環境空氣進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,可以去除空氣中的煙味、腥味、臭味等異味,達到凈化空氣的目的。但是,高濃度的臭氧對人體有一定的危害,它能刺激人的呼吸道,造成呼吸系統疾病;造成人的神經中毒,引起頭暈頭疼、視力下降等。因此我們在消毒機設計中,對臭氧的產生時間和濃度進行了控制,并研究設計了消除臭氧的催化裝置,避免了高濃度臭氧的產生,使得臭氧消毒可在有人的環境中進行。

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,是國際上公認的主流消毒技術。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。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菌滅亡。

在消毒機設計時,我們把臭氧和紫外線設計成雙重消毒,并在機器中安裝了高效碳濾網,可以有效地清除空氣中的粉塵和雜質、二手煙,油煙等異味。因此該消毒機具有三重滅菌消毒功能,在殺菌消毒的同時可凈化空氣。

二、消毒機控制系統設計

在消毒機的控制系統設計中,主要有三大控制模塊,實現遙控控制、通過繼電器組對臭氧和紫外線以及不同工作模式下風機的運行狀態的自動控制、空氣質量的檢測以及液晶顯示等功能。控制系統原理框圖如圖1所示,其核心為ATMEGA8單片機。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。ATMEGA8的芯片內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路,具備高檔單片機全部性能和特點,但其價格僅與低檔單片機相當。它的高性能低價格,使其在產品市場上具有強大的競爭力,應用領域非常廣闊。

圖 1 消毒機控制系統原理框圖

整個系統采用遙控器控制,針對不同的室內環境和殺毒效果,系統分“清新”、“標準”、“強效”三種工作模式。開機默認“標準”模式,開機后由用戶根據環境自行遙控操作;用LCD實時顯示室內空氣質量和系統運行狀態,為用戶提供便利的操作界面;可自行設定機器運行時間,定時關機;具備報警提示紫外線系統、催化濾器和臭氧發生系統的壽命更換功能。

2.1輸入模塊設計

輸入模塊主要是對遙控器的接收控制。在紅外接收電路中,采用集成紅外接收器HS0038,靜態時輸出端輸出高電平,當接收到紅外信號時,按紅外信號的數據波形輸出負脈沖數據信號。在電路設計中將紅外接收頭的“OUT”端通過引腳PB0(ICP1)與單片機相連,由T/C的輸入捕捉單元來捕獲紅外遙控接收器的觸發信號。

2.2輸出模塊設計

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、大電流達林頓晶體管ULN2003芯片驅動。繼電器組控制要實現對風機、紫外燈和臭氧發生器的控制,使其能在不同的工作模式下自動開啟運行。在清新模式下,風機低檔運行,標準模式下開啟紫外燈和風機低檔運行,強效模式下風機高檔運行,并開啟臭氧發生器和紫外燈。考慮到高濃度臭氧對人體有害,由程序控制在強效模式下臭氧發生器的運行時間,每隔30s開啟一次,持續運行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,又避免了其對人體的危害。

液晶顯示部分主要顯示參數,如圖5所示,可顯示三種工作模式、室內動態空氣質量情況及相應的圖像表示、壽命提示以及設定的定時關機時間。其中室內空氣質量情況用清新度和潔凈度指數來詮釋,并用各指數對應的進度條的格數以及相應的笑臉、苦臉和哭臉分別來顯示空氣質量的好壞,十分形象直觀。在控制系統設計中主要采用LCD驅動器HT1621來驅動控制液晶顯示。HT1621作為一種新型段式液晶顯示器驅動芯片,可以驅動4位128段LCD。

圖 5 液晶顯示參數

2.3檢測模塊設計

室內空氣質量采用QS-01空氣質量傳感器和PPD4NS煙塵傳感器進行實時監測。QS-01是一種二氧化錫半導體氣體傳感器,可檢測多種污染性氣體,靈敏度高,感應特性較好。由實驗和傳感器的特性得知:空氣質量的污染程度與電阻RL的電壓值成正比例關系,即電壓值越高,污染程度越高,空氣質量越差。

煙塵的檢測采用日本進口的PPD4NS粉塵傳感器,該傳感器可高感度且穩定地檢測出1mm以上的微小粒子。PPD4NS是基于與粒子計數器相同的光散亂原理,每個粒子在光照下散射產生的光脈沖通過光電轉換器轉化成為信號幅度較大的電脈沖。當無顆粒物時,粉塵傳感器輸出高電平,當有顆粒物時,傳感器輸出負脈沖信號。在電路設計中將傳感器信號輸出端接在單片機的外部中斷INT0輸入端,通過測量負脈沖持續的時間長短來測定單位時間內顆粒物的濃度。通過調試可確定不同的顆粒物濃度對應潔凈度指數的進度條格數。

2.4軟件設計

軟件主要控制各模塊的功能實現,主要完成對紅外遙控信號接收、液晶顯示、工作模式運行狀態(即繼電器組的開關狀態)、空氣質量檢測、定時關機以及對EEPROM進行讀寫來實現壽命提示等功能的控制。整個控制系統任務線程比較多,主要通過主程序將各子程序模塊有機地組織起來。子程序主要包括工作模式選擇、液晶顯示、A/D轉換處理、煙塵檢測中斷、紅外遙控接收中斷、定時中斷等部分。

總結

該消毒機經投入使用后,運行穩定可靠,功能完全符合設計要求。以AVR單片機為核心控制系統的此設備具有工作穩定、操作方便,成本低廉等優點。該消毒機可適用于家庭臥室、客廳、辦公和醫療環境,具有十分廣闊的市場前景。

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