空中花园室内空气更新系统的设计与试验

    随着城市经济发展，中央空调成为各种大型商业楼如写字楼，大型商场及酒店必不可少的制冷电器。但对于使用所有空调都会带来的一个问题是：长时间的室内封闭环境进行内部的循环，造成的空气不流通，室内空气质量下降，引发的诸如“空调病”的状况。据有关专家统计，在有空调的密闭室内，5至6小时后，室内氧气下降13．2％，大肠杆菌升高1．2％，红霉色菌升高1．11％，白喉菌升高0．5％，其它呼吸道有害细菌均有不同程度的增加。正是长期处在这种环境中工作生活的人，往往会不知不觉地得了“空调病”。正是基于“空气流通”这个思路。通过让室外空气经过花园植物的净化和富氧处理等净化处理，得到的清新且温湿度适宜空气，结合搭建起来的控制电路实现在合适的时间，合适的空气更新需求条件下向用户提供空气更新服务。改善室内空气质量。同时空气更新集中处理经济上更实惠，用户只需安装空气管道和空气阀门就行了。

1 系统结构及硬件电路设计
    系统以STC公司的51增强型单片机STC12C65A60S2芯片微控制器为核心，考虑到STC12C65A60S2的性能足够满足电路工作需求与及成本低的特点。选用STC12C65A60S2为最佳方案；概念模型分为：1)显示部分(12864显示屏)，用于实时显示花园和室内的温室度，花园内部土壤湿度，正在执行空气更新的用户房号这几个基本参数；2)操控检测部分(用VB语言写的上位机)用于实时显示存气仓内部空气清新度的各类参数：温度，湿度，CO2浓度，负离子浓度，与及经过算法后得到的空气综合清新程度的参数值。我们通过实际把数值划分范围，用高，良好，较差，差划分处理后的空气等级，以不同颜色指示灯显示空气质量的等级。上位机端有控制按钮，用于控制系统工作的模式，对象，设定工作的时间。3)传感器电路部分，用于检测空气质量参数。系统总体方案如图1所示。

1．1 DS1302数字时钟电路
    这里利用DS1302时钟电路设置空气更新系统的更换气体的时间点，以及设置换气工作的时间长度。
    DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2．5～5．5 V。时钟可工作在24小时格式或12小时(AM／PM)格式。DS1302与单片机的接口使用同步串行通信，仅用3条线与之相连接。可采用一次传送一个字节或突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源／后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

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    在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位至高位7，数据读写时序如图3所示。

1．2 DHT21传感器电路
    DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。电路如图4所示。

    DHT21的供电电压为5 V。传感器上电后，要等待1 s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚(VDD，GND)之间可增加一个100 nF的电容，用以去耦滤波。单总线接口；DATA用于微处理器与DHT21之间的通讯和同步．采用单总线数据格式，一次通讯时间5 ms左右，具体格式在下面说明，当前数据传输为40 bit，高位先出。
    数据格式：40 bit数据=16 bit湿度数据+16 bit温度数据+8 bit校验和
    例子：接收40 bit数据如下：
    0000001010001100 0000000101011111 11101110
    湿度数据温度数据校验和
    湿度高8位+湿度低8位+温度高8位+温度低8位=的末8位=校验和
    例如：
    00000010+10001 100+00000001+01011111=11101110
    湿度=65．2％RH温度=35．1℃当温度低于0℃时温度数据的最高位置1。例如：-10．1℃表示为1000000001100101用户主机(MCU)发送一次开始信号后，DHT21从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT21发送响应信号，送出40 bit的数据，并触发一次信号采集。(注：主机从DHT21读取的温湿度数据总是前一次的测量值，如两次测量间隔时间很长，请连续读两次以获得实时的温湿度值)

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2 主要软件设计
    软件主要采用VB6．0进行编程。VB6．0是微软公司开发的一种可视话的编程语言，具有集成的可视化数据库工具，Visual Basic6．0提供了一整套工具以及在任何应用程序中集成数据库。具有强大的数据访问、internet编程、使用新的控件、利用增强的控件提高性能和增强的向导功能等主要特点。用VB6．0编写的上位机软件主要用于实时显示花园和室内的空气的质量参数，以及作为空气更新处理的控制端。系统软件设计的流程图如图6所示。

3 系统应用
    该系统应用于室内空气更新，系统通过设置时钟(DS1302)或者直接人工手动来选择更新空气的时间点，和每一次空气更换的时间长度。同时用光敏电阻定性检测当前温室内的光照强度。光照强度弱的时候，花园中的植物呼吸作用强度更强，便改选用普通进风口，同时以保证输送空气的氧含量。多点设置温湿度传感器(DHT21)，比较花园及室内的空气温室度差异，根据采集数据，处理器将选择合适的空气预处理方式(如：增湿减湿，增温降温)过程，存气仓设置CO2传感器，检测从花园送进存气仓空气的CO2浓度。CO2浓度如果超过预设值空气将重新送回花园进行重新的富氧过程。负离子发生器用于存气仓内的空气第二气净化，增加空气的负离子浓度，进一步除去空气中的有害微粒。结果：室外空气经过净化过程，符合净化指标的输送到用户室内，不合符合指标条件的重新送回花园和进行空气预处理。最后实现整个中央空调下封闭的室内环境的空气规律流动更新。另外系统配置土壤湿度传感器，结合电磁阀组成的简单的智能灌溉系统，当土壤湿度低于设定值时，电磁阀打开盆头浇水，给花园植物补充生长需要的水份，实现花园的基本维护。通过实际应用发现，该测试系统测试结果准确、稳定可靠。程序面板的部分界面如图7所示。

4 结论
    该系统空气更新系统采用植物结合电子净化仪器共同实现室内空气更新；软件设计采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性和维护性。在改善中央空调背景下大型封闭室内环境的空气环境的同时，体现人与自然的和谐性。同时空气集中净化，相对用户各自净化来说更节能环保。实际应用表明该测试系统具有测试准确、稳定可靠、人机界面友好等特点，达到了设计要求。