出现头疼、呼吸道和眼刺激、疲倦欲睡、发热、恶心，以及过敏性肺炎、过敏性鼻炎、哮喘、传染性疾病和皮炎等症状。
这些疾病与环境因素、精神因素及接触的空气污染物有关，归根结底是由于室内空气质量差引起的。
1.1室内空气净化器的发展现状
空气净化技术是近二十年来随着现代科学技术，现代工业的发展而逐步形成的一门综合性新技术。
目前，改善室内空气质量的现行方法分为三种：
源控制、通风和空气净化。
源控制是改善空气质量最明显的方式，这在室外环境中使用得非常成功，也是发达国家很多城市室外空气质量明显改善的主要原因；通风可减少室内污染物的浓度，这种方式使各种污染物的减少程度并无差别，但通风空调装置与系统功能的改进和提高则是这项工程中必不可少的部分；空气净化作为一种治理手段与通风相似，都是在空气被污染后去减少污染物，空气净化系统是用来控制粒状物质、气体污染物，对大的固定污染物，净化除尘系统具有着不可比拟的有效性和可靠性。
空气净化的方式有很多种，主要分为杀菌和消毒，杀菌方法包括了：
高温干燥杀菌、高压蒸汽杀菌、气体杀菌、过滤杀菌、放射线杀菌等，消毒方法则包括了：
煮沸和常压蒸汽消毒、低温消毒法、紫外线照射法与药剂消毒法，众多方法各有所长。
室内空气净化器是实现空气净化的最直接、便捷的仪器，随着室内空气污染性质的不断变化与污染程度的加大，室内空气净化器技术也得到了快速地发展。
目前空气净化器产品有以下几种：
机械过滤式净化器、机械过滤吸附式净化器、静电式净化器、负离子净化器、紫外光空气净化器等。
机械过滤式净化器，是一种小型空气过滤器，空气经风机加压，通过过滤材料，从而净化颗粒污染物，只能除去一定大小的颗粒污染物，总体净化效果不佳。
机械过滤吸附式净化器，分别采用不同的净化机理取出颗粒污染物和气态污染物，这种净化器将普通空气过滤技术与活性炭吸附技术结合起来，总体上改善了净化性能，但活性炭存在吸附饱和状态，比较麻烦，因而没有得到广泛应用。
静电式净化器，是一种静电式空气过滤器，对较大的颗粒污染物效果较好，但是会产生臭氧等二次污染物，正被逐步淘汰。
负离子净化器，负离子净化器是目前被广泛使用的一种净化器，通过强电场产生负离子与颗粒污染物结合形成“重离子”，沉降或吸附在物体表面，并能杀灭细菌，净化效果良好，但是，这种空气净化器同样能产生臭氧，造成二次污染[3]。
紫外光空气净化器，是利用了紫外线的原理通过紫外线的照射，穿透微生物的细胞膜，破坏各种病菌，细菌，寄生虫以及其他致病体的DNA结构，毁坏其核酸分子键，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，从而达到消毒灭菌的作用。
在欧美、日韩等国，利用紫外线消毒原理的家用电器已经非常普及。
在国内一直长期应用于医疗卫生等领域。
例如近几年发生的SARS（非典），禽流感，手足口病等规模型的传染病，一直作为医疗机构重要的预防消毒手段。
室内紫外光空气净化器在安全、环保、效果方面获得重大突破，专为居家使用量身定做，更符合家庭消毒标准。
本课题的研究，正是采用工业设计理论中AVR单片机的智能控制方式，并结合传感器的数据采集功能，设计出能够实现紫外光线菌与室内通风功能的新型空气净化器，对室内空气净化技术的研究具有重要的促进意义。
1.2课题研究的内容与意义
本课题研究的主要内容为紫外线空气净化器控制系统的硬件设计与实现。
图1-1空气净化器功能实现过程图
课题所研究的空气净化器的功能实现过程如图1-1所示。
室内空气经过微风扇引风进入空气净化系统中，由传感器进行空气质量数据采集，并结合按键控制模块调节净化工作状态，通过液晶显示器显示其状态信息，随后空气经过内置过滤网，在自动/手动设定的工作状态下，使用紫外线进行杀菌，得到新鲜空气。
图1-1空气净化器功能实现过程图可以看出，控制系统需要实现的净化器主要功能包括：
1.净化器分为四种工作模式：
自动模式，高速模式，省电模式，睡眠模式；
2.工作的室内空间可分为：
X-Large，Large，Medium，Small与X-Small；
3.当前空气质量状态：
Good—>Poor，共分为5个档位显示空气质量好坏；
4.灯管与过滤网状态显示服务：
灯管Lamp与过滤网Filter的当前状态分为ServiceOn，ServiceSoon与On三种状态；
5.仪器工作定时设置：
分为1—>6小时的6个档位的定时设置。
具体设计的内容包括：
紫外光空气净化器控制系统的总体结构设计，将系统分为了电源控制模块、传感器数据采集模块、电机控制模块、紫外灯管控制模块、液晶显示器模块与其它辅助电路模块。
空气净化器可以帮助人们提高室内空气质量，本文所研究的紫外光空气净化器，可以捕捉的污染源系列非常广泛，包括细菌、真菌甚至病毒。
机器内的微风扇（又称通风机）使室内空气循环流动，污染的空气通过机内的空气过滤器（两次过滤）后将各种污染物清除或吸附，然后经过装在出风口的紫外线光灯管（工作时产生杀菌紫外线），达到清洁、净化空气的目的。
空气净化器不仅应用与办公、住家等室内净化，更频繁应用于医院这样的医疗机构的工作环境中，空气净化器通过静电吸附、紫外线灯管加以过滤系统，不仅可以过滤和吸附空气中带菌的尘埃，也可吸附微生物。
据实验数据显示，消毒后的细菌数符合国家标准，而且可以进行连续空气消毒，医院工作人员进入无菌工作间后，其空气中细菌数无明显回升，细菌数均低于国家规定的无菌间消毒标准。
由于空气净化器消毒对人体无毒害作用，对环境条件也无特殊要求，实现了真正意义上的人机共存[1]。
1.3本文的组织结构
根据单片机控制系统设计中的模块化、标准化、先进性与安全性原则，针对项目中紫外光室内空气净化器的设计需求，理论结合实验，分步、分模块设计出基于AVR单片机的控制系统，论文的组织结构如下：
第一章：
绪论，主要介绍了论文的研究背景，包括空气污染的现状分析、空气净化器的发展现状，介绍了研究的主要内容与意义，并分析了课题研究的可行性，以及论文的组织结构安排；
第二章：
空气净化器控制系统总体设计，概述了AVR单片机控制系统的设计与应用，再对本课题研究的紫外光空气净化器进行功能需求分析，给出了仪器的总体结构设计，同时设计了其控制系统的总体框架与系统运行的原理框架，并就框架中的各个模块进行概述；
第三章：
传感器数据采集模块设计与实现，详细地分析气体传感器与热释红外传感器的工作原理与电气特性，合理地选择TGS800与LHi878传感器，并设计出两种传感器的数据采集电路，利用AVR单片机对传感器采集的输出信号进行处理，将采集的信号通过程序控制转换为对电机工作状态的控制信号，设计实现空气净化器系统的传感控制模块；
第四章：
控制系统的硬件设计与实现，为本论文的主题研究部分，其结构示意如图1-2所示：
图12控制系统的硬件模块组成结构图
除上述的传感器数据采集模块外，主要还包括以下的设计内容：
（1）电源控制模块设计，根据空气净化器的需求分析结果，设计控制系统的电源控制模块，将输入的110V的交流电经过变压器输出为12V，再经桥式整流并虑波后得到9V直流电为红外传感器电路供电，同时由三端稳压芯片L7805降压到5V给单片机、气体传感器及其它器件供电，完成电路控制系统供电功能模块的设计；
（2）电机驱动控制模块设计，根据系统的功能需求，对比现有工业电机的特点，采用了单相交流异步电机（附加运转电容驱动），采用ATMEGA128单片机通过可控硅驱动光耦MOC3023驱动电机，控制其导通与转速的变化，程序将根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，以满足空气净化器的功能需求；
（3）其他功能模块设计，包括了紫外光发射灯管的控制模块、12864液晶显示器模块、控制系统的功能按键、红外遥控模块、灯管与过滤网状态计时与复位功能、JTAG程序仿真电路、AVRISP程序烧制模块的设计与实现，完成系统的辅助电路与保护电路设计；
第五章：
控制系统的软件设计与实现，AVR单片机控制程序设计，根据以上的各功能模块的设计与实现，采用AVR系列的ATmega128单片机，对初始化程序、显示器信号、电机驱动控制信号、灯管驱动控制信号以及功能按键进行控制与信号处理程序的编写，并进行程序的调试和运行检测；
第六章：
总结
本文所研究的空气净化器控制系统，是一套基于AVR单片机下设计开发的应用系统。
论文的创新点在于：
利用TGS800气体传感器进行室内空气质量的检测，并根据检测信号通过单片机程序控制净化器的工作状态；采用LHi878红外传感器采集移动的人体红外信号，并根据检测的脉冲信号调整净化器的工作状态。
论文研究的重点在于，控制系统的硬件设计，包括各个功能子模块的硬件选型、电路设计、原理图以及PCB设计等，并概述程序的设计。
1.4本章小结
本章以室内空气污染的现状与空气净化器的研究现状为背景，进行项目的调研与设计分析，根据课题项目的实际需求确定课题研究的主要内容与研究意义，并确定了本课题研究的室内空气净化器需要实现的主要功能和任务并明确划分了论文的整体组织结构。
第二章空气净化器控制系统的总体设计
单片机（又称微处理器）是在一片硅片上集成了中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM或Flash）、定时器/计数器以及多种I/O接口的单芯片微型计算机。
AVR单片机是Atmel公司于1997年推出的一款基于RISC指令架构的高性能、低功耗的8位单片机。
本课题设计中的AVR单片机采用的是基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器ATmega128，本章的研究将完成基于AVR单片机的空气净化器控制系统总体分析与设计。
2.1AVR单片机
AVR单片机是一款基于RISC指令架构的8位单片机。
AVR单片机采用RISC（ReducedInstructuinSetComputer，精简指令集计算机）结构，具有1MIPS/MHz的高速运行处理能力。
AVR单片机运用Harvard结构，在前一条指令执行的时候就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。
在其他的RISC以及类似RISC结构的单片机中，外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达12倍（8051）。
AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，它是8位单片机中第一个真正的RISC结构的单片机。
由于AVR单片机采用了Harvard结构，所以它的程序存储器和数据存储器是分开组织和寻址的，寻址空间分别为可直接访问8MB的程序存储器和8MB的数据存储器。
同时，由32个通用工作寄存器所构成的寄存器组被双向映射，因此，可以采用读写寄存器和读写片内快速SRAM存储器两种方式来访问32个通用工作寄存器。
同时，AVR单片机采用低功率非挥发的CMOS工艺制造，内部分别集成Flash、E2PROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器，除了可以通过SPI口和一般的编程器对AVR单片机的Flash程序存储器和E2PROM数据存储器进行编程外，绝大多数的AVR单片机还具有线编程（ISP）的特点，为学习和使用AVR单片机带来了极大的方便[1]。
AVR单片机的内部结构如图2-1所示：
图2-1单片机的内部结构图
2.1.1AVR单片机开发工具选择
AVR单片机的开发工具包括C编译器、BASCOM-AVR宏汇编器、程序调试器和仿真器、在线仿真器。
表2-1列出了AVR单片机常用的软、硬件开发工具与开发环境[2]。
表2-1AVR单片机的开发工具
名称
说明
AVR-Studio
Atmel公司官方推出的AVR单片机的免费集成开发环境，只支持汇编级的开发调试。
AVR-Studio集成开发环境包含了AVRAssembler编译器、AVRStudio调试器、AVRProg串行及并行下载功能和JTAGICE仿真等功能
ICC-AVR
ImageCraft公司推出的C编译器，ICC-Demo版在45天内为免费完全版，45天后转为2KB代码限制版
IAR-AVRIAR
公司推出的C编译器，支持用C和C++来开发AVR单片机
CodeVisionAVR
HpinfoTech公司推出的C编译器，Demo版有2KB代码限制，如果要消除2KB代码限制，必须进行注册
PonyProg
免费的ISP下载软件，支持多种器件的程序下载
SL-ISP
双龙公司免费的AVR单片机ISP下载软件
AVR-JTAGAVR
单片机的JTAG仿真器，可对所有具有JTAG仿真接口的AVR单片机进行实时仿真调试及程序下载
在本课题的研究中，由于功能的需求采用了AVR系列的Atmega128单片机，同时采用了C语言进行AVR单片机的开发，因此选择了CodeVisionAVR进行程序编写，并使用AVR-JTAG进行仿真调试，而使用PonyProg进行程序的下载与烧制。
2.1.2ATmega128单片机
ATmega128单片机的引脚配置如图2-2所示：
图2-2ATmega128单片机引脚配置图
表2-2Atmega128单片机引脚功能概述
引脚
说明
VCC
数字电路的电源
GND
地
端口
A（PA7..PA0）
端口A为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流
端口
B（PB7..PB0）
端口B为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流
端口
C（PC7..PC0）
端口C为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流
端口
D（PD7..PD0）
端口D为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流
端口
E（PE7..PE0）
端口E为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流
端口
F（PF7..PF0）
端口F为ADC的模拟输入引脚。
如果不作为ADC的模拟输入，端口F可以作为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流
端口
G（PG4..PG0）
端口G为5位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流
RESET
复位输入引脚。
超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。
低于此时间的脉冲不能保证可靠复位
XTAL1
反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入
XTAL2
反向振荡器放大器的输出
AVCC
AVCC为端口F以及ADC转换器的电源，需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也应该如此。
使用ADC时应该通过一个低通滤波器与VCC连接
AREF
AREF为ADC的模拟基准输入引脚
PEN
PEN是SPI串行下载的使能引脚。
在上电复位时保持PEN为低电平将使器件进入SPI串行下载模式。
在正常工作过程中PEN引脚没有其他功能
ATmega128为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，是典型的高档AVR系列单片机。
由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾[4]。
引脚功能的说明如表2-2：
AVRATmega128内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与运算逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。
2.2空气净化器
空气污染物是指由于人类活动或自然过程排入空气的并对人类或环境产生有害影响的那些物质。
一般分为固态污染物和气态污染物两大类，固态污染物常见的有粉尘、烟雾等（通常称为颗粒物）；气态污染物常见的有装修污染产生的甲醛、苯、氨、挥发性有机物等。
紫外光空气净化器，其主要的消毒灭菌方式是利用了紫外线的原理通过紫外线的照射，穿透微生物的细胞膜，破坏各种病菌，细菌，寄生虫以及其他致病体的DNA结构，毁坏其核酸分子键，使细菌当即死亡或不能繁殖后代。
与此同时，紫外光空气净化器必须完成空气过滤、通风以及自动采集空气质量、室内人体红外指标的功能。
2.2.1空气净化器结构功能分析
本项目需要设计的紫外光空气净化器具有自身独特的空气净化技术与控制系统，其主要功能结结构如图2-3所示：
图2-3空气净化器功能结构图
从图中可以看出系统的主要执行功能如下：
（1）控制面板上电源开关POWER（ON/OFF）按键，可以打开和关闭空气净化器，包括打开/关闭紫外线灯管、电机与液晶显示器；
（2）控制面板上的房间大小（RoomSize）按键，可手动选择空气净化器工作的环境，将房间大小分为：
特小（X-Small）、小（Small）、中等（Medium）、大（Large）、特大（X-Large）五个等级；
（3）控制面板上的工作模式（Mode）按键，可以手动选择仪器的工作模式，将模式分为：
自动模式、超级模式、省电模式与睡眠模式四种；
（4）控制面板上的定时（TimeSet）按键，可以设置空气净化器的工作时间，定时设置从30分钟—>60分钟...—>360分钟，以30分钟为一区间进行设置；
（5）面板上紫外线灯管（LAMP）和过滤网（FILTER）状态按键，是在计时器信息显示它们使用寿命已至，并将其更换后，将计时器进行复位的操作功能；
（6）红外遥控装置，通过遥控器可以控制净化器的工作状态，对净化器工作模式进行调节，用红外遥控代替按键操作；
（7）电机（Motor）工作状态随着传感器检测信号与按键控制信号的变化而改变，在不同的状态下，电机转速不同。
例如：
在超级模式下，电机转速较快；而在省电模式下，电机转速较为缓慢。
（8）液晶显示器（12864LCD），正常工作时将正确显示初始化状态信息，并能够及时根据传感器检测信号与按键信号的变化，调整显示的状态；还显示出气体传感器检测出的当前空气质量的信息，由优（Good）—>很差（Poor），共五个等级显示空气质量好坏。
2.2.2控制系统功能设计分析
空气净化器（AirCleaner）定义为：
对室内空气中的固态污染物、气态污染物等具有一定去除能力的电器装置。
根据项目的实际需求，紫外光空气净化器是利用了紫外线的原理通过紫外线的照射，穿透微生物的细胞膜，破坏各种病菌，细菌，寄生虫以及其他致病体的DNA结构，毁坏其核酸分子键，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，从而达到消毒灭菌的作用。
根据以上设计的紫外线空气净化器的功能概述，设计控制系统的需求模块如下图2-4所示：
图2-4空气净化器控制系统功能需求模块图
由上图可将空气净化器控制系统分为以下主要模块进行详细的设计：
（1）传感器数据采集模块：
该模块是利用传感器对外部信号进行采集与处理功能的实现，分为运动传感器与化学传感器两个分支。
运动传感器为LHi878热释红外传感器，用于检测移动的人体红外信号源，当人体对空气净化器发射的红外信号变强的时候，电机转速加快，加强空气净化幅度；化学传感器为TGS气体传感器，用于检测甲烷和丙烷等可燃性气体、一氧化碳、硫化氢等有毒气体，以及酒精等各种气体浓度，当室内的气体浓度发生变化的时候，TGS传感器输出不同的电压增量，由AVR单片机进行信号处理，并对应状态调整电机的转速；
（2）电源电路模块：
该部分是整个控制系统的供电核心，空气净化器的电源经外部变压器输入了110V的交流电压，电源电路首先将电压进行降压，转换为12V电源，然后经过桥式整流与直流变换得到12V的直流电源，随后使用LM7805得到5V直流电压，经LM7809得到9V直流电压，并直流滤波后将9V为LHi878传感器模块供电，为其它模块提供5V工作电压；
（3）电机控制模块：
项目中采用的电机为电容式启动的单相异步交流电机，电机工作在110V交流电源下，并由单片机提供驱动信号，由ATMEGA128单片机通过可控硅驱动光耦MOC3023驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机程序将根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；
（4）灯管控制模块：
紫外光灯管的导通控制是利用ATmega128单片机指令来实现的。
其控制电路同样是通过单片机控制可控硅驱动光耦MOC3023来实现的，通过ATMEGA128单片机通过可控硅驱动光耦MOC3023，驱动Philips紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作并完成电路设计与程序的编写；
（5）显示器控制模块：
采用了SMG12864液晶显示器，型号为SMG12864G2-ZK，这是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形。
液晶显示器的主要功能负责显示空气净化器的工作信息，包括了工作模式、房间大小、紫外灯管与过滤网工作状态、空气质量、定时设置等信息，通过ATmega128单片机的控制，实现数据的I/O交换。
（6）红外遥控模块：
红外遥控模块一般分为两个部分，红外发射器与接收电路，由于项目中委托企业已经设计出了红外发射器部分，并提供了每个按钮发射的红外波形与时序，在本文中只需设计出红外接收电路，与红外遥控程序即可。
（7）按键控制模块：
按键功能的设计主要包括：
开关“POWER”按键、工作模式按键、房间大小按键、定时按键、灯管状态复位按键、过滤网状态复位按键。
（8）其它辅助电路模块：
主要包括了AVR单片机工作与保护电路，JTAG程序仿真电路、AVRISP程序烧制模块以及主控制电路中的电源滤波设计等。
2.3系统总体结构设计及工作原理
根据空气净化器的功能需求，控制系统的核心控制芯片采用了AVR单片机系列的ATmega128高档单片机。
ATmega128为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
控制系统的总体结构如下图2-5所示，在设计中将空气净化器的电路控制系统分为了传感器数据采集模块、液晶显示模块、交流电机控制模块、紫外灯管控制模块、功能按键模块等，这些模块的工作与运行都被ATmega128单片机程序控制，并且通过单片机使各模块之间的工作与功能相互关联。
图2-5空气净化器的总体结构框图
本文研究的紫外光室内空气净化器控制系统主要分为主控制板模块与驱动控制模块两个部分。
控制系统由日常交流市电提供110V的电源，经过变压、整流与滤波，为主控制模块提供了5V与9V的直流电源，ATmega128单片机将根据传感器采集信号、按键指令驱动、控制电机和紫外灯管的工作，如图2-6所示为系统的总体原理框图。
驱动控制电路部
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