周敬 吳君

（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院天津300400）

1 硬件部分

高效電子空氣凈化設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的硬件部分，是指維持電子空氣凈化器正常工作的，由各種電子元器件及連接導(dǎo)線焊接而成的可見(jiàn)部分。它主要由：電源、電源保護(hù)、單片微型計(jì)算機(jī)、狀態(tài)指示、波形整定、隔離驅(qū)動(dòng)、高壓驅(qū)動(dòng)、高壓電路短路保護(hù)、高壓產(chǎn)生、高壓整流、高壓輸出及高壓采樣電路等幾部分組成。

1.1 控制電路的電源構(gòu)成

控制電路的電源由市電220V提供，經(jīng)變壓器降壓輸出8V左右的交流電壓然后經(jīng)過(guò)電源保護(hù)電路和整流濾波電路送到三端穩(wěn)壓集成電路7805，最后輸出5V的直流電源供單片微型計(jì)算機(jī)使用。如圖1-3所示。

圖1-1控制電路的電源構(gòu)成

圖1 -1中，T1是電源變壓器，其功率取值是根據(jù)控制電路負(fù)載總功率之和來(lái)確定的本系統(tǒng)計(jì)算取值為30W；B1是由四個(gè)IN4007組成的整流橋電路，單個(gè)二極管的額定電流為1A因此足夠滿足電路的要求；C1和C3構(gòu)成高頻旁路電路，其作用是：當(dāng)電路中存在高頻電流時(shí)，由公式：Zc=1/2πfC可知，對(duì)于較小容量的電容來(lái)說(shuō)電路相當(dāng)于短路，使高頻電流從C1、C3短接到地，從而確保了電源的穩(wěn)定性；C2和C4起到平波的作用，單相橋式整流電路輸出的波形是帶有一定脈動(dòng)的電壓波形，為了使輸出電壓波形更平滑，可以采用電容或電感濾波，在這里我們采用了電容濾波的方式；由于單片微型計(jì)算機(jī)的電源要求比較嚴(yán)格，我們采用了專用的集成穩(wěn)壓電路7805。三端穩(wěn)壓器件78xx系列是目前最常用的線性降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，它簡(jiǎn)單易用、價(jià)格低廉，它運(yùn)用其器件內(nèi)部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)，這使它的性能很穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流，而且器件具有良好的溫度系數(shù)。

1.2 單片微型計(jì)算機(jī)

本系統(tǒng)使用的單片機(jī)ATmega48是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AVR系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)擁有十分優(yōu)越的性能：高性能、低功耗的8位AVR 微處理器；先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)；131條指令，大多數(shù)指令的執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期；32 x 8通用工作寄存器；全靜態(tài)操作；工作于16 MHz時(shí)性能高達(dá)16 MIPS；只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；具有非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；4字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash其擦寫壽命10000次；具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過(guò)片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程；真正的同時(shí)讀寫操作；256字節(jié)的EEPROM擦寫壽命100000次；512字節(jié)的片內(nèi)SRAM；可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密；兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC；六通道PWM；8路10位ADC；可編程的串行USART接口；可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口；面向字節(jié)的兩線串行接口；具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；片內(nèi)模擬比較器；引腳電平變化可引發(fā)中斷及喚醒MCU；特殊的微控制器特點(diǎn)；上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)；經(jīng)過(guò)標(biāo)定的片內(nèi)RC振蕩器；片內(nèi)/外中斷源；五種休眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式和Standby模式；23個(gè)可編程的I/O口線；工作電壓:1.8-5.5V；工作溫度范圍:-40°C至85°C；極低的功耗，在正常模式：1 MHz,1.8V:300μA；32 kHz,1.8V:20μA(包括振蕩器)掉電模式:1.8V，0.5μA。其管腳排列如圖1-2所示。

波形輸出模塊：該模塊是用來(lái)控制電子空氣凈化器輸出電壓大小的重要部件，它被集成在ATmega48單片機(jī)內(nèi)，利用程序可以方便地對(duì)波形輸出進(jìn)行控制。系統(tǒng)中使用的是ATmega48單片機(jī)第11腳既T0來(lái)產(chǎn)生快速PWM控制電子空氣凈化器的輸出電壓。PWM是脈沖寬度調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的，通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

圖1 -2 ATmega48管腳排列圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：該模塊是用于采樣電子空氣凈化器輸出電流大小的重要部件，它被集成在ATmega48單片機(jī)內(nèi)，利用程序可以方便地對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。ATmega48的模數(shù)轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：10位逐次逼近型，0.5 LSB的非線性度，±2 LSB的絕對(duì)精度，65-260μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，0-VCC的ADC輸入電壓范圍，可選的1.1V ADC參考電壓，連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來(lái)自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準(zhǔn)。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入到ADC的電壓保持恒定。ADC由AVCC引腳單獨(dú)提供電源。

模擬比較器：該模塊是用于采樣電子空氣凈化器輸出電壓放電次數(shù)的重要部件，它被集成在ATmega48單片機(jī)內(nèi)，利用程序可以方便地對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。模擬比較器對(duì)正極AIN0的值與負(fù)極AIN1的值進(jìn)行比較。當(dāng)AIN0上的電壓比負(fù)極AIN1上的電壓要高時(shí)，模擬比較器的輸出ACO即置位。比較器的輸出可用來(lái)觸發(fā)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的輸入捕捉功能。此外，比較器還可觸發(fā)自己專有的、獨(dú)立的中斷。用戶可以選擇比較器是以上升沿、下降沿還是交替變化的邊沿來(lái)觸發(fā)中斷。在本系統(tǒng)中采用了比較器專有、獨(dú)立的中斷來(lái)控制。

1.3 主電路的電源構(gòu)成

主電路的電源由電源變壓器、電抗器、熔斷器、整流橋和濾波電容構(gòu)成，如圖1-3所示。

圖1 -3主電路電源的構(gòu)成

電路中使用電抗器L1的目的是穩(wěn)定電壓的作用，從前面介紹電子空氣凈化器的原理我們知道，凈化設(shè)備通常工作在電暈與閃絡(luò)之間，電極通過(guò)氣體放電產(chǎn)生閃絡(luò)時(shí)，電路相當(dāng)于短路，為了穩(wěn)定電源電壓，必須采取必要的穩(wěn)定措施，因此要加上一個(gè)電抗器。

1.4 波形整定與隔離驅(qū)動(dòng)

如圖1-4所示：圖中，R13、Q4、D13、C7、L2、Q2、R9、R10、C3構(gòu)成了一個(gè)波形整定驅(qū)動(dòng)電路，脈沖變壓器T2起到隔離放大作用。

圖1 -4波形整定與隔離驅(qū)動(dòng)電路

1.5 高壓驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路

如圖1-5所示，單片機(jī)發(fā)出的PWM波形經(jīng)過(guò)變壓器T2隔離后直接加到MJE18006上，使其驅(qū)動(dòng)高壓脈沖變壓器T1工作。圖1-7中，D11、D9、C20、R18、R19、D18構(gòu)成對(duì)三極管的保護(hù)電路。

圖1 -5高壓驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路

1.6 高壓產(chǎn)生、整流輸出及采樣電路

如圖1-5所示，電路中T1是高壓脈沖變壓器，A和B兩端是高壓脈沖變壓器的次級(jí)繞組，它通常輸出近10000V的高壓，高電壓經(jīng)兩個(gè)ED2174二極管整流后輸出到電暈極和沉塵極。電路中，RA、RB、RC、RD、RP構(gòu)成電壓采樣電路；R6、R16、R1、R20和R23、D12構(gòu)成電流采樣電路。

圖1 -5高壓產(chǎn)生、整流輸出及采樣電路

2 軟件部分

高效電子空氣凈化設(shè)備電氣控制系統(tǒng)采用了模塊化程序設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立工作，在需要統(tǒng)一工作時(shí)只要通過(guò)函數(shù)的調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)工作，這樣的模塊化設(shè)計(jì)不僅便于閱讀和調(diào)試，還便于程序的移植。

系統(tǒng)軟件流程圖如下。

3 高效電子空氣凈化設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的工作過(guò)程

根據(jù)電子空氣凈化設(shè)備工作原理的介紹，要使電子空氣凈化設(shè)備的凈化效率達(dá)到最大值，通常應(yīng)使它的電暈極工作在“臨界放電”狀態(tài)，即處在電暈與閃絡(luò)之間。當(dāng)電暈電極在還沒(méi)有發(fā)生閃絡(luò)之前的一瞬間，其電離作用是最大的，一旦發(fā)生了閃絡(luò)，電極空間被擊穿就相當(dāng)于短路，此時(shí)兩電極之間電壓幾乎為零，這時(shí)的電離作用反而最小了，因此為了保證空氣凈化設(shè)備的凈化效率，其電氣控制系統(tǒng)應(yīng)能避免電暈電極處在長(zhǎng)時(shí)間或頻繁的閃絡(luò)狀態(tài)。高效電子空氣凈化設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的工作過(guò)程如圖1-6所示。

圖1 -6高效電子空氣凈化設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的工作過(guò)程

系統(tǒng)上電后，計(jì)算機(jī)首先對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)部位進(jìn)行檢測(cè)，確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行；檢測(cè)無(wú)異常后，開(kāi)始啟動(dòng)高壓放電次數(shù)采樣模塊和高電壓輸出側(cè)電流采樣模塊，并逐漸升高輸出電壓使電暈電極出現(xiàn)閃絡(luò)，以便于采集閃絡(luò)數(shù)據(jù)；確定閃絡(luò)數(shù)據(jù)的目的是給計(jì)算機(jī)劃一道“最大輸出限位”線，系統(tǒng)控制輸出電壓的方法是采用PWM技術(shù)，計(jì)算機(jī)輸出的脈沖占空比可從0%～100%連續(xù)可調(diào)，對(duì)應(yīng)的電暈極電壓也是從0到最大值連續(xù)可調(diào)。假設(shè)某一時(shí)刻的空氣閃絡(luò)電壓為9000V對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)輸出的脈沖占空比為90%，此時(shí)記錄下該時(shí)刻的脈沖占空比，計(jì)算機(jī)就可以知道目前輸出的占空比應(yīng)是在90%以下，否則系統(tǒng)就會(huì)處在連續(xù)閃絡(luò)狀態(tài)而這種狀態(tài)是系統(tǒng)所不允許的。確定完閃絡(luò)數(shù)據(jù)后，在閃絡(luò)的情況下逐漸調(diào)小脈沖占空比，當(dāng)占空比小到一定數(shù)值后輸出電壓不再發(fā)生閃絡(luò)，此時(shí)的占空比數(shù)據(jù)就是熄弧數(shù)據(jù)。確定熄弧數(shù)據(jù)的目的有兩個(gè)：一是在系統(tǒng)出現(xiàn)閃絡(luò)時(shí)能直接載入該數(shù)據(jù)，使輸出脈沖占空比直接降到熄弧時(shí)的占空比，也就是電暈極電壓直接降到熄弧電壓，這樣做提高了系統(tǒng)的快速反映能力；二是在系統(tǒng)出現(xiàn)閃絡(luò)時(shí)載入熄弧數(shù)據(jù)，既保證了電弧能有效熄滅又不至于使電暈極電壓降得太低，因?yàn)殡姇灅O電壓太低時(shí)其電離能力會(huì)降低，從而影響了凈化設(shè)備的凈化效率。選擇最佳數(shù)據(jù)就是在閃絡(luò)數(shù)據(jù)和熄弧數(shù)據(jù)之間選擇一個(gè)能讓系統(tǒng)處在“臨界放電”狀態(tài)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就是能使系統(tǒng)運(yùn)行在最大凈化效率上的點(diǎn)；每10分鐘重新設(shè)定“最佳數(shù)據(jù)”的目的是為了使系統(tǒng)能隨著環(huán)境的變化而相應(yīng)調(diào)整輸出電壓：空氣中的含塵量、濕度都是不均勻的這些因素會(huì)直接影響電子空氣凈化設(shè)備的凈化效率，為了保證凈化設(shè)備的凈化效率，系統(tǒng)必須每隔一定時(shí)間就調(diào)整一次輸出電壓，以保證系統(tǒng)的凈化效率一直處在最佳狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試，高效電子空氣凈化設(shè)備更有效的去除空氣中的懸浮顆粒物(灰塵、花粉等),殺滅吸附其上的病毒和細(xì)菌;同時(shí)吸附分解空氣中有毒有害氣體以提高室內(nèi)空氣清潔度,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣凈化。

[1]王純.除塵設(shè)備手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社.2009.1

[2]程鵬.自動(dòng)控制原理.高等教育出版社.2010.4

[3]楊寧.微機(jī)控制技術(shù).高等教育出版社.2005.11