PAGE基于SC92F8003單片機(jī)的輕量級(jí)太陽能車載空氣凈化器的設(shè)計(jì)摘要：近年來，伴隨著城市工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，空氣中的污染問題日漸突出，空氣質(zhì)量受到了人們?cè)絹碓絿?yán)密的關(guān)注。由于汽車室內(nèi)的裝飾材料等含有甲醛、苯、TVOC等有機(jī)污染物超標(biāo)，使得汽車室內(nèi)空氣中的灰塵、細(xì)菌、病毒、有毒化學(xué)物危害著人們的身體健康。近期有很多研究表明汽車室內(nèi)往往存在著甲醛、苯、TVOC等有機(jī)污染物超標(biāo)的情況，對(duì)人體造成了尤為嚴(yán)重的傷害。目前改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的方法以空氣凈化器為主，空氣凈化器被廣泛應(yīng)用，是一種國際公認(rèn)的方法。本文采用目前主流的空氣凈化技術(shù)及高效率的太陽能充電技術(shù)設(shè)計(jì)的一種綜合型設(shè)計(jì)。本文開發(fā)設(shè)計(jì)的輕量級(jí)太陽能車載空氣凈化器，利用了模塊結(jié)構(gòu)理念設(shè)計(jì)，運(yùn)用MPPT和鋰電池充電技術(shù)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行供電，采用氣體傳感器技術(shù)，采集汽車室內(nèi)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，利用高速M(fèi)CU賽元微單片機(jī)作為中央理器，通過中央理器控制負(fù)離子發(fā)生器釋放負(fù)離子來對(duì)汽車室內(nèi)的空氣進(jìn)行凈化。首先，聯(lián)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，采用了賽元微單片機(jī)中的SC92F8003作為系統(tǒng)中央處理器，并且對(duì)氣體傳感器等模塊結(jié)構(gòu)的需求進(jìn)行選型，完成系統(tǒng)基本方案的設(shè)計(jì)；其次，對(duì)系統(tǒng)的電路部分分模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，主要包括電源電能轉(zhuǎn)化模塊、氣體傳感器模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、負(fù)離子凈化模塊以及人機(jī)交互模塊等，并進(jìn)行PCB樣板的設(shè)計(jì)；再次，對(duì)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，在完成模塊選型和硬件電路初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，介紹系統(tǒng)軟件主要程序功能；最后，運(yùn)用了實(shí)物軟硬件結(jié)合模塊結(jié)構(gòu)化調(diào)試的方式，進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試工作。本設(shè)計(jì)開發(fā)的輕量級(jí)太陽能車載空氣凈化器具有環(huán)保、節(jié)能、可視化、及其價(jià)格親民等特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)開發(fā)與研究闡明，輕量級(jí)太陽能車載空氣凈化器計(jì)思路符合工程設(shè)計(jì)和市場(chǎng)需求。關(guān)鍵詞：車載，負(fù)離子，太陽能，空氣凈化器DesignoflightweightsolarcarairpurifierbasedonSC92F8003Abstract:Inrecentyears,withthedevelopmentofurbanindustryandeconomy,theproblemofairpollutionisbecomingmoreandmoreprominent,andairqualityhasbeenpaidmoreandmoreattention.Becausethedecorationmaterialsinthecarinteriorcontainformaldehyde,benzene,TVOCandotherorganicpollutantsbeyondthestandard,thedust,bacteria,virusesandtoxicchemicalsintheairinsidethecarendangerpeople'shealth.Alotofrecentstudieshaveshownthatthereareoftenexcessiveorganicpollutantssuchasformaldehyde,benzene,TVOCandsooninautomobileinteriors,whichcauseparticularlyseriousinjuriestohumanbody.Atpresent,themainmethodstoimproveindoorairqualityareairpurifiers,whicharewidelyusedandrecognizedinternationally.Thispaperadoptsthecurrentmainstreamairpurificationtechnologyandhighefficiencysolarenergychargingtechnologydesignofacomprehensivedesign.Inthispaper,developmentanddesignoflightweightsolarcarairpurifier,usingtheconceptofmodularstructuredesign,usingtheMPPTandlithiumbatterytechnologyforpowersupply,thissystemUSESthegassensortechnology,carindoorairqualitydata,usingtheyuanmicrohigh-speedMCUmicrocontrollerasthecentralprinciple,throughthecentralmanagermachinecontrolaniongeneratorreleasenegativeionstothecarindoorairpurification.Firstofall,thedesignofthejointsystemrequiresthatSC92F8003intheseiyuanmicrocontrollerisadoptedasthecentralprocessingunitofthesystem,andtherequirementsofthegassensorandothermodulestructuresareselectedtocompletethedesignofthebasicschemeofthesystem.Secondly,thecircuitstructureofthesystemispreliminarilydesigned,whichmainlyincludesthepowerconversionmodule,thegassensormodule,thefandrivecontrolmodule,thenegativeionpurificationmoduleandtheman-machineinteractionmodule.Thirdly,thesoftwarepartofthesystemispreliminarilydesigned.Onthebasisofmoduleselectionandhardwarecircuitpreliminarydesign,themainprogramfunctionsofthesystemsoftwareareintroduced.Finally,thehardwareandsoftwareofthesystemaredebuggedbythewayofstructureddebugging.Thisdesignanddevelopmentoflightweightsolarcarairpurifierhasenvironmentalprotection,energysaving,visualization,anditspricefriendly.Inthisdesigndevelopmentandresearchtoclarifythatlightweightsolarvehicleairpurifierdesignideasinlinewiththeengineeringdesignandmarketdemand.Keywords:Vehicle-mounted,Anion,Solarenergy,Airpurifier目錄第1章緒論 11.1系統(tǒng)開發(fā)的背景及意義 11.2國內(nèi)外研究狀況 21.2.1國外研究狀況 21.2.2國內(nèi)研究狀況 21.3課題的主要研究內(nèi)容 31.3.1總體任務(wù) 31.3.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 51.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟硬件環(huán)境 6第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 72.1微處理器的選型 72.2TVOC測(cè)量檢測(cè)裝置的選型 82.3MPPT輔電源裝置選型 82.4系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 82.5本章小結(jié) 9第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 103.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)概述 103.2各模塊硬件電路的設(shè)計(jì) 103.2.1電源模塊 103.2.2TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊 143.2.3負(fù)離子凈化模塊 153.2.4風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 163.2.5人機(jī)交互模塊 173.3PCB板的設(shè)計(jì) 183.4本章小結(jié) 19第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 204.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述 204.2編程軟件環(huán)境 214.3系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 224.4各子模塊程序設(shè)計(jì) 224.4.1系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì) 224.4.2人機(jī)交互模塊序程設(shè)計(jì) 244.5軟件可靠性設(shè)計(jì) 274.6本章小結(jié) 28第5章實(shí)物調(diào)試與功能實(shí)現(xiàn) 295.1實(shí)物調(diào)試概述 295.2系統(tǒng)軟件與硬件調(diào)試 295.3功能實(shí)現(xiàn) 305.4本章小結(jié) 31第6章總結(jié)與展望 326.1全文總結(jié) 326.2課題展望 33參考文獻(xiàn)： 34致謝 35PAGE41第1章緒論1.1系統(tǒng)開發(fā)的背景及意義社會(huì)高速發(fā)展的條件下，空氣質(zhì)量問題日漸突出，其主要有兩個(gè)方面的原因：1、空氣質(zhì)量污染源種類增多；2、自然環(huán)境的自我恢復(fù)能力減弱。在日常生活中，生活垃圾焚燒處理產(chǎn)生了大量灰塵、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等有害污染氣體污染環(huán)境唐曉波，王永清.城市空氣污染治理的有效思路探索[J].2015；化工廠的廢水、氣體處理不當(dāng)，隨意排放；裝修材料中含有各種微量有害有毒等的元素等，都是空氣質(zhì)量問題日漸嚴(yán)重的原因之一。此外，人們的亂砍濫伐導(dǎo)致大自然的自我恢復(fù)能力減弱，全球空氣質(zhì)量問題面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。我國處于發(fā)展中國家，工業(yè)化的普及也帶來諸多空氣質(zhì)量的問題。唐曉波，王永清.城市空氣污染治理的有效思路探索[J].2015人們向往美好的生活，健康、環(huán)保的意識(shí)逐漸提高的同時(shí)更注重生活質(zhì)量。空氣質(zhì)量問題給人們健康生活帶來諸多不利，同時(shí)國家層面有關(guān)部門也出臺(tái)了一系列改善環(huán)境問題的政策。在人們追求更加美好生活的同時(shí)，汽車已經(jīng)深入人們的生活方式并已經(jīng)成為人們生活的一部分。與室內(nèi)空氣質(zhì)量問題相比，人們更加關(guān)注室外環(huán)境的空氣質(zhì)量問題，因而很大程度上忽略了室內(nèi)空氣質(zhì)量問題，尤其是汽車室內(nèi)空氣質(zhì)量問題。汽車大部分時(shí)間都處于相對(duì)密閉環(huán)境下，汽車內(nèi)裝修材料中混有甲醛、苯等有毒物質(zhì)，經(jīng)過長期室內(nèi)密封的環(huán)境和自然環(huán)境作用下，使得汽車室內(nèi)的有毒有害物質(zhì)揮發(fā)出來，導(dǎo)致汽車室內(nèi)空氣含有相對(duì)較高濃度的有害氣體，人們長期處于此類環(huán)境下會(huì)對(duì)生命健康產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。本課題主要研究解決汽車內(nèi)空氣質(zhì)量情況的問題，分析國內(nèi)外目前市場(chǎng)的空氣凈化器的優(yōu)劣，有目的性地改善目前車載空氣凈化器的劣勢(shì)，作為市場(chǎng)的一種補(bǔ)充。輕量級(jí)太陽能車載空氣凈化器采用不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論分析，并將兩種不同的方案結(jié)合市場(chǎng)需求綜合進(jìn)行評(píng)估，總結(jié)出最優(yōu)的方案，從而減少汽車內(nèi)空氣中的有毒有害氣體，解決改善汽車室內(nèi)空氣質(zhì)量的問題，提高人們的生活水平。因此輕量級(jí)太陽能車載空氣凈化器的設(shè)計(jì)很有意義。1.2國內(nèi)外研究狀況1.2.1國外研究狀況國外對(duì)車載空氣凈化技術(shù)的研究起步早于國內(nèi)，發(fā)展相對(duì)完善。日本在20世紀(jì)80年代開始開發(fā)空氣凈化技術(shù)，而歐美國家的空氣凈化器研究更是提早到了20世紀(jì)40年代和50年代。因此，國外空氣凈化技術(shù)相對(duì)完善，凈化效率相對(duì)較好，住宅利用率相對(duì)較高。從凈化污染物上看，在經(jīng)歷了經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展帶來的空氣污染的陣痛以后，歐美國家大氣狀況一直保持在非常理想的水平，室內(nèi)空氣污染物分為：懸浮顆粒物和氣態(tài)污染物李曉東.朔黃鐵路綜合調(diào)度樓新風(fēng)凈化方案討論[J].神華科技，2017。故目前空氣凈化器多以攔截大顆粒污染物為主，很少考慮可吸入顆粒物、裝修污染造成的有機(jī)揮發(fā)性污染物等。李曉東.朔黃鐵路綜合調(diào)度樓新風(fēng)凈化方案討論[J].神華科技，2017從國家標(biāo)準(zhǔn)上看，歐美及日本等國家對(duì)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)和凈化器性能評(píng)價(jià)方面設(shè)定了清晰、明確、嚴(yán)格的國家標(biāo)準(zhǔn)，并且隨著市場(chǎng)發(fā)展不斷更新完善，對(duì)指導(dǎo)凈化器技術(shù)發(fā)展、規(guī)范凈化器銷售市場(chǎng)行為起到了積極的引導(dǎo)。從生產(chǎn)企業(yè)上看，國外的夏普、松下、戴森、飛利浦、霍尼韋爾等知名企業(yè)都積累了先進(jìn)的生產(chǎn)專利技術(shù)和豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，在全球銷量處于領(lǐng)先水平。我國的老牌企業(yè)亞都、美的、格力等和互聯(lián)網(wǎng)新生代企業(yè)小米等也在加大投入力度，在空氣凈化器研發(fā)上有迎頭趕超之勢(shì)。1.2.2國內(nèi)研究狀況目前我國空氣凈化器的生產(chǎn)技術(shù)在吸收學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的空氣過濾凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上，積極開展對(duì)靜電吸附技術(shù)、PM2.5凈化技術(shù)、活性炭吸附技術(shù)、HEPA高效過濾技術(shù)、負(fù)離子技術(shù)等技術(shù)的研究與開發(fā)楊乾.基于AVR的多功能室內(nèi)空氣凈化器設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2015。負(fù)離子凈化器是目前被世界各國公認(rèn)的安全、可靠、效果顯著的空氣凈化器之一，主要通過風(fēng)機(jī)加快室內(nèi)空氣流動(dòng)使空氣中有害有毒氣體流過HEPA、活性炭等前置過濾介質(zhì)對(duì)其進(jìn)行吸附，再經(jīng)過負(fù)離子發(fā)生器所產(chǎn)生的負(fù)離子物質(zhì)對(duì)空氣進(jìn)行凈化、除塵、除味和滅菌等。我國在80年代開始引進(jìn)負(fù)離子發(fā)生器，并展開對(duì)有關(guān)方面的技術(shù)研究。國產(chǎn)的初代負(fù)離子空氣凈化器主要是產(chǎn)品單一，僅裝有負(fù)離子發(fā)生器，而無其它輔助凈化方式，完全依靠負(fù)離子凈化空氣，且初代產(chǎn)品負(fù)離子效率低，濃度低，在距離發(fā)生器5cm處的位置測(cè)量，負(fù)離子濃度平均僅為18～22萬個(gè)/cm3，臭氧濃度嚴(yán)重超標(biāo)，消費(fèi)者有咽部不適的癥狀發(fā)生。二代負(fù)離子發(fā)生器提升了負(fù)離子濃度，在距離發(fā)生器5cm處的位置測(cè)量，負(fù)離子濃度平均為50～70萬個(gè)/cm3，但臭氧濃度依然嚴(yán)重超標(biāo)。從二代產(chǎn)品開始，歐洲、美國、日本等國家開始控制負(fù)離子空氣凈化器的行業(yè)準(zhǔn)入制度。在美國，臭氧濃度一旦超出國家標(biāo)準(zhǔn)即判定產(chǎn)品不合格。三代負(fù)離子空氣凈化器在提升了負(fù)離子濃度的同時(shí)解決了臭氧濃度超標(biāo)問題，在距離發(fā)生器5cm處的位置測(cè)量，負(fù)離子濃度達(dá)到100萬個(gè)/cm3，并且開始增加諸多輔助凈化方式，如HEPA、活性炭吸附等。目前負(fù)離子空氣凈化器的負(fù)離子濃度，在距離發(fā)生器5cm處的位置測(cè)量，負(fù)離子濃度達(dá)到1000萬個(gè)/cm3以上，在距離發(fā)生器50cm處的位置測(cè)量，負(fù)離子濃度依然能達(dá)到150萬個(gè)/cm3左右，且臭氧濃度控制在0.1mg/m3以下。楊乾.基于AVR的多功能室內(nèi)空氣凈化器設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，20151.3課題的主要研究內(nèi)容1.3.1總體任務(wù)本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是設(shè)計(jì)開發(fā)出一款基于SC92F8003單片機(jī)的輕量級(jí)太陽能車載空氣凈化器。本設(shè)計(jì)運(yùn)用了模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，圖1-1為系統(tǒng)總體流程圖。圖1-1系統(tǒng)總體流程圖1.3.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可分為電源模塊、TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊、負(fù)離子凈化模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊、MCU中央處理與其它外圍電路等模塊電路及程序。1、電源模塊：本模塊分為USB主電源系統(tǒng)和MPPT（MaximumPowerPointTracking最大功率點(diǎn)跟蹤）輔電源系統(tǒng)，為鋰電池充電。目前現(xiàn)有的汽車電源接口多為DC12V或者DC24V，在微處理器中以5V居多，TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊、負(fù)離子凈化模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊的電源系統(tǒng)均為5V供電。因此，需要車載充電器作為電源中繼。USB主電源系統(tǒng)采用微盟的ME4055作為主充電芯片。微盟的ME4055是一款具有電池正負(fù)極反接保護(hù)，采用恒定電流，恒定電壓線性控制的單節(jié)鋰離子電池充電芯片。其SOT23-6封裝外圍元件數(shù)目需求相對(duì)少，使得電路設(shè)計(jì)更為方便。ME4055性價(jià)比高，作為鋰電池電源適配器相對(duì)理想。MPPT輔電源系統(tǒng)，即是指控制器能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統(tǒng)以最高的效率對(duì)蓄電池充電武曉偉，王亞軍，黃小賢等.智能型LED太陽能路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].能源與環(huán)境，2010。MPPT應(yīng)用于光伏發(fā)電中，利用可再生資源以最大的充電效率對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電能，減少充電時(shí)間，減少不可再生資源的浪費(fèi)，提高充電效率。武曉偉，王亞軍，黃小賢等.智能型LED太陽能路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].能源與環(huán)境，20102、TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊：本模塊采用了深圳市惠聯(lián)智控的KQM2800A型空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊作為TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊。此模塊是用于檢測(cè)空氣中包含有機(jī)化合物的氣體的模塊。模塊包含一顆高靈敏度的VOC傳感器，以及一顆32M主頻的高性能51內(nèi)核MCU。內(nèi)部集成12bit高精度AD轉(zhuǎn)換，以及100萬次擦寫次數(shù)的EEPROM。模塊完善的傅里葉轉(zhuǎn)換及分離算法，極好的抑制傳感器受各種因素導(dǎo)致的漂移。3、負(fù)離子凈化模塊：本設(shè)計(jì)采用了晶雍JY-A-C133負(fù)離子發(fā)生器。該負(fù)離子通過高壓放電，通過電解空氣中的TVOC等有害氣體中和帶正電的空氣飄塵無電荷后沉降，配合HEPA過濾網(wǎng)將有害氣體過濾，使空氣得到凈化。4、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：本模塊采用了臺(tái)灣臺(tái)達(dá)（Delta）NS55B06四線鼓風(fēng)機(jī)作為風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。它具有五萬小時(shí)超長壽命，滾珠軸承，超靜音，閉環(huán)回路控制，防塵防水，風(fēng)量大等特點(diǎn)。5、人機(jī)交互模塊：本模塊采用OLED作為顯示器。OLED具有高亮度，操作簡單，可顯示漢字、ASCII、圖案等。OLED功耗相對(duì)比較低，不需要背面光源，自帶高對(duì)比度，可視化優(yōu)越。本模塊用的顯示器是天騎士的12864OLED顯示模塊。6、MCU中央處理：本設(shè)計(jì)中以賽元微電子的SC92F8003作為中央主控芯片。SC92F8003的內(nèi)部資源豐富，滿足本設(shè)計(jì)所需求。SC92F8003擁有高性能的抗干擾性能，適合應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)控制、大小智能家電和智能家居消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域。1.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟硬件環(huán)境本文基于SC92F8003單片機(jī)的輕量級(jí)太陽能車載空氣凈化器的設(shè)計(jì)采用的軟硬件環(huán)境如下：1、硬件環(huán)境：電腦、SC92F8003芯片、SCLink仿真器，各類模塊及傳感器、基本的電子元器件、電焊鐵及熱風(fēng)槍、示波器、萬用表，隔離電源，負(fù)載儀器，TVOC測(cè)試儀器，低壓太陽能光伏PV板及模擬汽車室內(nèi)環(huán)境箱子等；2、軟件環(huán)境主要包括：設(shè)計(jì)軟件AltiumDesigner2017；SC92F8003單片機(jī)程序編寫軟件keil5，串口助手等。

第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)采用了SC92F8003嵌入式單片機(jī)，主要目的是對(duì)汽車室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量，通過TVOC測(cè)量檢測(cè)當(dāng)前汽車內(nèi)當(dāng)前環(huán)境中空氣所含有的揮發(fā)性有機(jī)物及煙塵的總濃度，經(jīng)過中央處理器處理后反饋到顯示器，并且通過中央處理器對(duì)相應(yīng)的外設(shè)工作，從而達(dá)到自動(dòng)凈化汽車室內(nèi)空氣的目的。本系統(tǒng)基本方案設(shè)計(jì)運(yùn)用了模塊結(jié)構(gòu)化思想，優(yōu)先對(duì)硬件所需要的資源進(jìn)行了選型，接著對(duì)硬件功能模塊結(jié)構(gòu)化電路進(jìn)行原理設(shè)計(jì)和PCB布局走線，最后進(jìn)行軟件功能模塊結(jié)構(gòu)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)分為兩大部分，一為硬件部分，二是軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，然后軟硬件功能模塊結(jié)構(gòu)化調(diào)試，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊功能，最后統(tǒng)籌兼顧各個(gè)模塊之間的關(guān)系邏輯，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體調(diào)試，驗(yàn)證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。2.1微處理器的選型在本系統(tǒng)中，所選擇的中央處理器必須滿足處理速度快，可靠性高，功耗低和成本低的特點(diǎn)。因此，所選擇的中央處理器與現(xiàn)有的中央處理器相比，需要選擇滿足上述條件的單片機(jī)作為系統(tǒng)中央處理器。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和市場(chǎng)的狀況，要求將產(chǎn)品的總體的成本盡可能保持低水平狀態(tài)，以方便產(chǎn)品的推廣，增加產(chǎn)品的銷量。在產(chǎn)品開發(fā)層面，選擇一款適合本產(chǎn)品的中央處理器尤為重要。系統(tǒng)的性能高并不表現(xiàn)于產(chǎn)品的價(jià)格，而是根據(jù)實(shí)際的需求。市場(chǎng)上有著各種各樣的微處理器芯片，目前常見的消費(fèi)類電子產(chǎn)品的MCU有4位微處理器（開發(fā)難度相對(duì)較高，可移植低）和8位微處理器。8位微處理器主要包括51系列（如宏晶STC89C等），AVR微處理器，合泰微處理器，中微芯成，九齊等。而16位微處理器有德州儀器等，32位的微處理器有STM32系列等，但此類處理器均為中高端微處理器，在價(jià)格方面不適宜作為本設(shè)計(jì)的微處理器。51系列的SC92F8003在8位微處理器中表現(xiàn)優(yōu)秀，處理速度快，通用性強(qiáng)，支持C語言開發(fā)，容易開發(fā)，內(nèi)部資源我和外設(shè)接口豐富，以及價(jià)格親民化，性價(jià)比高，易被市場(chǎng)接受。因此選擇SC92F8003作為本設(shè)計(jì)的微處理器，符合設(shè)計(jì)和市場(chǎng)所需要。2.2TVOC測(cè)量檢測(cè)裝置的選型本裝置采用了深圳市惠聯(lián)智控的KQM2800A型空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊作為TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊。該模塊的作用是檢測(cè)空氣中所含有機(jī)化合物氣體總濃度的模塊。模塊包含一顆高靈敏度的VOC傳感器，以及一顆32M主頻的高性能51內(nèi)核MCU。內(nèi)部集成12bit高精度AD轉(zhuǎn)換，以及100萬次擦寫次數(shù)的EEPROM。模塊完善的傅里葉轉(zhuǎn)換及分離算法，極好的抑制傳感器受各種因素導(dǎo)致的漂移。2.3MPPT輔電源裝置選型本設(shè)裝置選用宇芯晟電子的CN3791芯片模塊作為MPPT輔電源系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用宇芯晟電子的CN3791芯片模塊作為MPPT輔電源系統(tǒng)。CN3791是一款自帶PWM降壓型芯片，具有涓流，恒流和恒壓充電模式，采用ESOP8封裝，需要外設(shè)元件相對(duì)比較少，適合運(yùn)用在輕量級(jí)光伏發(fā)電對(duì)單節(jié)鋰電池充放電管理。2.4系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本文開發(fā)的輕量級(jí)太陽能車載空氣凈化器系統(tǒng)擁有節(jié)能環(huán)保，凈化效果高，人性化，智能化等諸多特點(diǎn)，其主要由以下模塊構(gòu)成：1、電源模塊：由鋰電池和太陽能共同為本系統(tǒng)提供電源；2、TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊：主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)當(dāng)前汽車室內(nèi)環(huán)境下，空氣中所含有機(jī)化合物氣體和煙塵的總濃度；3、負(fù)離子凈化模塊：中央處理器控制電子開關(guān)，使負(fù)離子凈化模塊工作，釋放負(fù)離子達(dá)到空氣凈化的作用；4、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：主要起是加速車內(nèi)流動(dòng)的作用；5、人機(jī)交互模塊：主要作用是提供人機(jī)交互界面和交換方式。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示：圖2-1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖2.5本章小結(jié)本章開章先介紹本設(shè)計(jì)的需求，簡單分析了不同的微處理器在行業(yè)上應(yīng)用的情況，并簡易通過對(duì)比，最終選擇了51系列賽元微的SC92F8003作為本系統(tǒng)的微處理器。接著對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需求的TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊和MPPT輔電源設(shè)備進(jìn)行了篩選，最后對(duì)系統(tǒng)簡單進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用模塊結(jié)構(gòu)化，將整個(gè)系統(tǒng)分為若干個(gè)小模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡易闡明各個(gè)模塊在本設(shè)計(jì)的作用。

第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)概述在前章中，介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并選擇了系統(tǒng)的微處理器和傳感器，本章根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案所需要，采用模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思路，分別對(duì)硬件電路的各個(gè)功能模塊進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，其中主要包括電源電路模塊、TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊、負(fù)離子凈化模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及人機(jī)交互模塊硬件電路設(shè)計(jì)等。本設(shè)計(jì)采用AltiumDesigner2017設(shè)計(jì)工具，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件原理圖設(shè)計(jì)，再進(jìn)行硬件電路PCB板進(jìn)行布局走線和優(yōu)化，最后采用了實(shí)物驗(yàn)證的方法對(duì)各個(gè)模塊間進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，在完成獨(dú)立測(cè)試之后，整合各個(gè)模塊，完成系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。3.2各模塊硬件電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性，產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)成本，硬件電路盡可能減少外圍電子元器件的使用。硬件電路設(shè)計(jì)大部分采用現(xiàn)有的集成芯片，增強(qiáng)抗干擾能力，降低產(chǎn)品的成本，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度和可靠性。下面對(duì)各個(gè)模塊分別進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)。3.2.1電源模塊電源作為電子產(chǎn)品中最重要的一部分，為電子產(chǎn)品提供能源。目前大部分的汽車電源為12V。本設(shè)計(jì)需要一個(gè)車載充電器DC12V轉(zhuǎn)DC5V作為系統(tǒng)外部供電和充電。本系統(tǒng)所有模塊均支持5V工作。原理圖如圖3-1、圖3-2所示：圖3-1鋰電池充電及升壓原理圖圖3-2MPPT輔電源模塊原理圖由電源模塊原理圖3-1、圖3-2可知，電源模塊分別為USB主電源系統(tǒng)和MPPT輔電源系統(tǒng)，雙電源共同為系統(tǒng)提供電源。USB主電源系統(tǒng)，微盟的ME4055作為聚合物鋰電池充電管理芯片，是一款完整的單節(jié)聚合物鋰離子電池充電器，帶有可編程電流設(shè)定的功能。以下表格是ME4055在電路設(shè)計(jì)中，用戶所需知道電路設(shè)計(jì)參數(shù)。參數(shù)范圍單位輸入電壓:VCC-0.3～10VPROG引腳電壓-0.3～VCC+0.3VBAT引腳電壓-0.3～10VSTDBY引腳電壓-0.3～10VCHRG引腳電壓-0.3～10VBAT引腳電流800mAPROG引腳電流1200μA結(jié)溫范圍-40～150℃工作環(huán)境溫度范圍Topa-40～85℃存儲(chǔ)溫度范圍Tstr-55～150℃引腳溫度和時(shí)間+260（10S）℃封裝熱阻（結(jié)到空氣）200℃/W封裝功耗0.63W表3-1ME4055絕對(duì)最大額定值ME4055最大可編程充電電流設(shè)定可達(dá)800mA，集成了二極管和電流檢測(cè)電阻，自帶反接保護(hù)。ME4055內(nèi)部集成熱反饋電路，在過載充電或者芯片工作溫度過高，芯片主動(dòng)降流充電，使得芯片的功率降低，保護(hù)芯片不被損壞，提高了芯片的可靠性。為了安全性能，充電電流不允許長時(shí)間處于滿負(fù)荷條件工作，根據(jù)充電電流設(shè)置公式：Ibat=（Vprog/Rprog）*1270，本設(shè)計(jì)的充電電流為500mA。再利用ME4055包含有漏級(jí)開路輸出的狀態(tài)指示端CHRG作為判斷電池充電狀態(tài)信號(hào)傳送給中央處理器處理。以下簡述ME4055的充電過程原理。當(dāng)外部輸入電壓大于電壓欠壓保護(hù)閾值且使能端處于高電平時(shí)，ME4055開始給電池充電，此時(shí)CHRG引腳處于低電平狀態(tài)。如果電池電壓低于2.9V，充電器將會(huì)對(duì)電池涓流預(yù)充電，當(dāng)電池電壓超過2.9V時(shí)，ME4055將會(huì)自動(dòng)使用恒流模式對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓接近4.2V時(shí)，充電電流逐漸減小。當(dāng)電流降低到充電結(jié)束閾值(即恒定電流模式時(shí)的百分之十)時(shí)，充電結(jié)束，此時(shí)CHRG端口為高阻抗?fàn)顟B(tài)，STDBY則為低電平。當(dāng)電池電壓下降到充電閾值以下時(shí)，同時(shí)外部電源在接入情況下，ME4055自動(dòng)開始對(duì)電池新一輪的充電。為保證電池電壓的精度在1%以內(nèi)，芯片內(nèi)部自建有超高精度電壓基準(zhǔn)電路，誤差放大電路和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)電路等誤差處理電路。當(dāng)輸入電壓低于電池電壓時(shí)，ME4055將會(huì)進(jìn)入睡眠模式，漏電流低至2uA，降低電池的非需要的功耗。如果使能端接低電壓平，芯片將停止充電。充電過程示意圖3-3如下：圖3-3充電過程示意圖可編程充電電流是由PROG引腳與GND之間的電阻器來配置的。根據(jù)充電電流設(shè)置公式：Ibat=（Vprog/Rprog）*1270。本設(shè)計(jì)的USB主電源系統(tǒng)的充電電流理論值設(shè)計(jì)為635mA。參數(shù)范圍單位VCC，VG，DRV，CHRG，DONE到GND的電壓-0.3～30VVG管腳到VCC管腳電壓-8～VCC＋0.3VCSP，BAT，MPPT，COM到GND的電壓-0.3～6.5V存儲(chǔ)溫度工作環(huán)境溫度65～150-40～85℃℃焊接溫度(10秒)260℃表3-2CN3791絕對(duì)最大額定值CN3791是具有PWM降壓型太陽能最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT），由太陽能發(fā)電電池組組成的PV板驅(qū)動(dòng)的單鋰電池充電管理集成電路。CN3791具太陽能最大功率點(diǎn)追蹤特點(diǎn)的同時(shí)也具備有涓流充電模式，恒流充電模式和恒壓充電模式。充電模式由CN3791的CSP引腳和BAT電池引腳之間的電流采樣電阻設(shè)置的。CN3791的涓流充電模式，恒流充電模式和恒壓充電模式原理與ME4055相同。以下簡要闡述CN3791的MPPT理論和應(yīng)用設(shè)計(jì)。當(dāng)太陽能發(fā)電電池組組成的PV板提供的電流輸出能力降低時(shí)，CN3791內(nèi)部電路能夠自適應(yīng)追蹤太陽能發(fā)電電池組組成的PV板的最大功率點(diǎn)，用戶不需要考慮因外部天氣干擾的原因而導(dǎo)致功率不足的問題。CN3791使用恒壓方法跟蹤太陽能發(fā)電電池組組成的PV板的最大功率點(diǎn)。在太陽能發(fā)電電池組組成的PV板的伏安特性曲線中，當(dāng)環(huán)境溫度恒定時(shí)，在不同的日照強(qiáng)度下，最大功率輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓基本相同，即只要太陽能電池板的輸出端電壓保持恒定，在該溫度下光照強(qiáng)度不同時(shí)，太陽能電池板可以輸出最大功率。CN3791對(duì)PV板最大功率點(diǎn)跟蹤端的MPPT引腳電壓調(diào)制為1.205伏，通過匹配芯片外的反饋電阻MR2和MR3組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，可以跟蹤PV板的最大功率點(diǎn)。根據(jù)公式：VMPPT＝1.205×(1＋R3／R4)可以編程設(shè)定PV板的最大功率點(diǎn)。當(dāng)輸入電壓掉電時(shí)，CN3791自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式，內(nèi)部電路被關(guān)斷。充電電流和充電電壓示意圖如圖3-4所示：圖3-4充電電流和充電電壓示意圖3.2.2TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊本模塊采用深圳市惠聯(lián)智控的KQM2800A型空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊作為TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊。如圖3-5所示：圖3-5TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊實(shí)物圖KQM2800A通過VOC傳感器對(duì)空氣中污染氣體進(jìn)行采樣，并采用高性能高速M(fèi)CU進(jìn)行AD采集，將采集數(shù)據(jù)按周期作傅里葉形變換，轉(zhuǎn)換后的頻域數(shù)據(jù)通過與數(shù)據(jù)庫中保存的各種漂移頻域數(shù)據(jù)作分離處理，將采集的頻域數(shù)據(jù)中受溫度濕度氣壓以及其他漂移的頻域部分幅值移除，再將處理后的頻域及幅值合成為真實(shí)污染數(shù)據(jù)，通過串口或者分級(jí)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量的檢測(cè)。本模塊上電的時(shí)候，需要一個(gè)3到5分鐘的預(yù)熱過程，此過程傳感器需要加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，不同環(huán)境下加熱溫度有差異。通常溫度越低以及停止使用時(shí)間越久，預(yù)熱穩(wěn)定時(shí)間越長。模塊綜合設(shè)定為3分鐘時(shí)間，期間模塊會(huì)不停進(jìn)行傅里葉形變換，矯正環(huán)境誤差和傳感器的漂移誤差，并且模塊輸出數(shù)據(jù)為最大值0xffff(KQM2800AU)或者0級(jí)污(KQM2800AS)，低電平輸出(KQM2800AP)。3分鐘后輸出相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果數(shù)據(jù)。當(dāng)長期未使用（包括第一次使用）或者地理位置發(fā)生變化導(dǎo)致環(huán)境差異較大，因傳感器特性需要延長預(yù)熱時(shí)間，通常需要5-10分鐘。其后的上電預(yù)熱時(shí)間按照標(biāo)準(zhǔn)3分鐘即可。從模塊通訊方式上設(shè)計(jì)出電路如圖3-6所示：圖3-6TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊驅(qū)動(dòng)原理圖3.2.3負(fù)離子凈化模塊負(fù)離子凈化模塊是一種能電解空氣的分子，使空氣中的分子分解成電負(fù)離子和正離子的設(shè)備，該設(shè)備將輸入的直流或交流電經(jīng)EMI處理電路及雷擊保護(hù)電路處理后，通過脈沖式電路，過壓限流；高低壓隔離等線路升為交流高壓，然后通過特殊等級(jí)電子材料整流濾波形成純凈的直流負(fù)高壓，最后將直流負(fù)高壓連接到金屬的等物質(zhì)上來實(shí)現(xiàn)尖端放電，從而產(chǎn)生了大量的電子(e-)，然而電子在空氣中的存活時(shí)間很短（一般只有nS級(jí)），所以電子很快會(huì)被空氣中的氧分子(O2)氧化，于是便形成了空氣負(fù)離子。負(fù)離子凈化模塊通過中央處理器控制工作，釋放負(fù)離子，使汽車室內(nèi)空氣達(dá)到凈化的效果。下圖所示為負(fù)離子發(fā)生器的組成圖，如圖3-7所示：圖3-7負(fù)離子發(fā)生器的組成圖負(fù)離子具有以下作用：①殺菌功能：負(fù)離子發(fā)生器在產(chǎn)生負(fù)離子的同時(shí)會(huì)伴隨著產(chǎn)生少量的臭氧，臭氧是自然界很好的氧化劑，結(jié)合負(fù)離子更易吸附各種病毒、細(xì)菌，從而達(dá)到殺死細(xì)菌、病菌、微生物等物質(zhì)的目的。②凈化空氣、消除煙塵：負(fù)離子帶的負(fù)電荷與空氣中的煙霧塵埃帶的正電荷進(jìn)行中和，自然形成沉積，從而起到凈化空氣，消除煙塵的目的。③使人精神振奮，改善睡眠：經(jīng)負(fù)氧離子作用，可使人精神振奮，改善睡眠，同時(shí)具有鎮(zhèn)痛等作用黃錦文.新型車載智能空氣凈化器系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江西：江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2011。黃錦文.新型車載智能空氣凈化器系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江西：江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，20113.2.4風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊普通風(fēng)機(jī)內(nèi)部主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電刷來實(shí)現(xiàn)電流換向，要定期清理碳刷，且運(yùn)行摩擦損耗較大、發(fā)熱量高，影響電機(jī)壽命，降低輸出效率。臺(tái)灣臺(tái)達(dá)（Delta）NS55B06四線鼓風(fēng)機(jī)作為風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，它具有五萬小時(shí)超長壽命，滾珠軸承，超靜音，閉環(huán)回路控制，防塵防水，風(fēng)量大等特點(diǎn)。電機(jī)風(fēng)扇實(shí)物圖如圖3-8、圖3-9所示：圖3-8四線鼓風(fēng)機(jī)實(shí)物圖正面圖3-9四線鼓風(fēng)機(jī)實(shí)物圖背面四線鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3-10所示：圖3-10四線鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3.2.5人機(jī)交互模塊傳統(tǒng)的1286LCD顯示器屏，需要背光且功耗高，而OLED(OrganicLight-EmittingDiode)功耗低、更加適合小型系統(tǒng)。由于兩者發(fā)光材料的不同，OLED在不同的環(huán)境中顯示效果更好，模塊供電可以是3.3V或5V，且不需要修改模塊電路。OLED屏具有多個(gè)控制指令：可控制OLED的亮度、對(duì)比度、開關(guān)升壓電路等指令，操作方便、功能豐富，可顯示漢字、ASCII、圖案等。圖3-11OLED12864顯示模塊電氣性能參數(shù)圖為了節(jié)省中央處理器的IO引腳，提高應(yīng)用效率，本設(shè)計(jì)對(duì)人機(jī)交互模塊采用IIC通訊方式進(jìn)行通訊。圖3-12人機(jī)交換模塊原理圖3.3PCB板的設(shè)計(jì)1、基于AltiumDesigner2017的PCB電路板設(shè)計(jì)上文簡要地分析了每個(gè)硬件電路模塊的設(shè)計(jì)，從實(shí)際運(yùn)用出發(fā)，綜合考慮到生產(chǎn)成本和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)所需要的電子元器件均采用貼片封裝，去除后焊加工，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。將根據(jù)每個(gè)電子元件對(duì)應(yīng)的封裝，結(jié)合各個(gè)模塊導(dǎo)進(jìn)PCB板上，進(jìn)行PCB布局和走線。圖3-13PCB電路圖圖3-14PCB樣板實(shí)物圖圖3-15PCBA樣板實(shí)物圖采用AltiumDesigner2017的PCB電路設(shè)計(jì)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)原理圖和PCB布局走線，在完成初樣PCB板樣設(shè)計(jì)后，將PCB生產(chǎn)資料送達(dá)PCB線路廠直接生產(chǎn)加工。初樣完成后，PCB存在一些問題。在一個(gè)電子設(shè)備中，導(dǎo)致電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性的差異是一個(gè)綜合因素。系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要因素有電子元器件的品質(zhì)，電子元器件之間的選型及配合，電子模塊的設(shè)計(jì)，PCB板的布局及走線，PCB生產(chǎn)加工的材料和工藝精度要求等方面因素。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)抗干擾能力，PCB設(shè)計(jì)需要主要以下幾個(gè)方面。1.確定PCB印刷電路板的外形尺寸。元器件優(yōu)先單面放置。需要雙面放置元器件，在底層（BottomLayer）位置錯(cuò)位放置一些輕元器件。2.高壓元器件與低壓元器件之間應(yīng)該要設(shè)置較寬的的電氣隔離或者物理隔離。3.合理布局接口元器件的位置和方向。接口元器件是PCB板與其他外圍電子元件或模塊進(jìn)行通訊或外圍為PCB提供電源等作用。此類元件應(yīng)該放在PCB板邊緣上，方向一直水平或者垂直擺放。4.對(duì)于易產(chǎn)生噪聲的元件，例如電感，晶體振蕩器等高頻電子元器件或者感性元器件，大電流電路元件和開關(guān)電路等容易產(chǎn)生噪聲干擾，應(yīng)該被隔離放置，此類元件不允許大面積敷地線，盡可能遠(yuǎn)離信號(hào)線或獨(dú)立成模塊，增強(qiáng)抗感染能力。對(duì)于石英晶體振蕩器，應(yīng)該盡可能靠近中央處理器的時(shí)鐘信號(hào)輸入引腳。從整體上提高電路板的抗干擾能力和系統(tǒng)可靠性。5.各個(gè)功能模塊應(yīng)該設(shè)置測(cè)試點(diǎn)。3.4本章小結(jié)本章首先依據(jù)本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，分別對(duì)電源模塊、TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊、負(fù)離子凈化模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊等模塊的硬件電路進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，其次對(duì)基于AltiumDesigner2017PCB電路設(shè)計(jì)軟件對(duì)本系統(tǒng)的原理圖制作和對(duì)PCB布局走線進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后對(duì)PCB存在的問題進(jìn)行簡單的分析工作。

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述硬件電路和軟件驅(qū)動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)電子控制系統(tǒng)，硬件設(shè)施作為一個(gè)電子控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時(shí)還需要軟件驅(qū)動(dòng)的配套支持。軟件驅(qū)動(dòng)作為電子控制系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)都由軟件程序表現(xiàn)出來的。硬件是軟件的載體，軟件是硬件的實(shí)現(xiàn)，唯有兩者完全結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。前文已經(jīng)介紹了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，結(jié)合前文的硬件電路設(shè)計(jì)，接下來本章主要針對(duì)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。良好的軟件程序設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行和功能實(shí)現(xiàn)的高效率和穩(wěn)定性。軟件設(shè)計(jì)除了需要滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，還要注意在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中需要注意系統(tǒng)的可靠性和軟件抗干擾性。因此本系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)過程中要求考慮一下幾點(diǎn)：①程序系統(tǒng)整潔、定時(shí)精準(zhǔn)、響應(yīng)敏捷。一個(gè)系統(tǒng)軟件有的百條指令，有的成千上萬條指令，指令眾多，這時(shí)就程序系統(tǒng)整潔尤為重要。設(shè)計(jì)多個(gè)子程序，不同功能應(yīng)有不同的子程序，實(shí)現(xiàn)程序模塊結(jié)構(gòu)化，然后采用程序調(diào)用的方式，將各個(gè)子程序銜接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件功能。本系統(tǒng)程序有多個(gè)模塊程序，特別是人機(jī)交互模塊對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格，通過實(shí)時(shí)刷新人機(jī)交互模塊，將系統(tǒng)所擁有的信息反饋給用戶，達(dá)到人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)可視化。系統(tǒng)軟件的實(shí)時(shí)性表現(xiàn)在系統(tǒng)在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件做出相應(yīng)響應(yīng)的特性。②系統(tǒng)可靠性好、運(yùn)行穩(wěn)定。本系統(tǒng)是通過TCOC測(cè)量檢測(cè)模塊采集數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且作出相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。③系統(tǒng)的可修改性和程序可移植性。電子產(chǎn)品更新迭代速度相對(duì)比較快，在對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)后期可能面臨的新迭代的情況，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)程序應(yīng)具有一定的程序可裁剪性，兼容性，通用性和可移植性。本章的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化子程序、各個(gè)模塊子程序和中斷服務(wù)程序等。4.2編程軟件環(huán)境由前文知，本系統(tǒng)采用賽元微系列SC92F8003單片機(jī)作為中央處理器，根據(jù)選用單片機(jī)編程和調(diào)試軟件采用了C語言作為軟件設(shè)計(jì)語言。C語言同時(shí)具備著高級(jí)語言和匯編語言的特點(diǎn)，它能用于系統(tǒng)應(yīng)用程序的編寫，也可以用作應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。C語言編寫并不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛。C語言具有以下優(yōu)勢(shì)：①開發(fā)效率高、開發(fā)周期短。C語言可以加快開發(fā)進(jìn)度，降低開發(fā)成本。②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)條理清楚。結(jié)構(gòu)化編碼的顯著特點(diǎn)是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦阌谑褂谩⒕S護(hù)和調(diào)試。李錚，葉艷冰，汪德俊.C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015李錚，葉艷冰，汪德俊.C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015③允許直接訪問物理地址，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，能夠像匯編語言一樣對(duì)位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作，可以用來寫系統(tǒng)軟件李巖，李雪斌，宋家興.C語言的發(fā)展特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].藝術(shù)科技，2016。李巖，李雪斌，宋家興.C語言的發(fā)展特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].藝術(shù)科技，2016賽元微系列SC92F8003單片機(jī)是一款高性能的51內(nèi)核單片機(jī)，開發(fā)環(huán)境為KeilC51，下面簡單介紹KeilC51開發(fā)環(huán)境。Keil公司是一家行業(yè)優(yōu)秀的微控制器軟件開發(fā)IDE提供商。KeilC51集成了ANSIC編譯器、宏匯編程序、庫管理器等工具，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)成為行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，支持逾500種51內(nèi)核單片機(jī)。KeilC51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器采用C語言開發(fā)環(huán)境，同時(shí)保留了匯編代碼高效，快速的特點(diǎn)。KeilC51集成開發(fā)環(huán)境包含編譯器，匯編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器等。uVision5IDE可為它們提供優(yōu)秀的開發(fā)環(huán)境。以下介紹uVision5IDE的組成部分。①源代碼編輯器：uVision5延用了KeilC51家族風(fēng)格，布局合理，人性化。彩色的語法提高了用戶對(duì)源代碼的識(shí)別能力。②斷點(diǎn)：Vision5允許用戶在編輯時(shí)在條件表達(dá)式，變量或存儲(chǔ)器訪問等均可設(shè)置斷點(diǎn)，方便用戶調(diào)試程序。③變量和存儲(chǔ)器：用戶可以在編輯器中篩選所需要調(diào)試的變量來觀察其取值。雙層窗口顯示，可進(jìn)行以下調(diào)整:1.當(dāng)前函數(shù)的局部變量；2.堆棧調(diào)用(callstack)頁面上的調(diào)用記錄(樹)(calltree)；3.不同格式的四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。4.3系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)是根據(jù)硬件電路各模塊而設(shè)計(jì)的，在鋰電池插入后，系統(tǒng)參數(shù)初始化，系統(tǒng)進(jìn)入關(guān)機(jī)休眠狀態(tài)，等待按鍵輸入喚醒。系統(tǒng)被喚醒后，判斷是否進(jìn)入開機(jī)狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入開機(jī)狀態(tài)后，系統(tǒng)將進(jìn)行處理各個(gè)模塊的關(guān)系，不斷循環(huán)控制，使得汽車室內(nèi)空氣達(dá)到凈化的目的。4.4各子模塊程序設(shè)計(jì)由前文知，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。子模塊主要包括中央處理器系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)、TVOC測(cè)量檢測(cè)程序設(shè)計(jì)、人機(jī)交互模塊程序設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)、中斷子程序設(shè)計(jì)等程序設(shè)計(jì)。4.4.1系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)在中央處理器系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)過程中，首先需要對(duì)中央處理器系統(tǒng)進(jìn)行初始化，本系統(tǒng)的初始化程序有中央處理器IO口初始化、TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊通訊配置初始化、人機(jī)交互模塊通信配置初始化、定時(shí)器配置初始化、中斷服務(wù)程序配置初始化等：1、端口初始化：SC92F8003提供了最多18個(gè)可控制的雙向GPIO端口，輸入輸出控制寄存器用來控制各端口的輸入輸出狀態(tài)，當(dāng)端口作為輸入時(shí)，每個(gè)IO端口帶有由PxPHy控制的內(nèi)部上拉電阻。此18個(gè)IO同其他功能復(fù)用。IO口存在三種狀態(tài)：高電平、低電平、高阻態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)不同I/O口設(shè)置為不同狀態(tài)；voidIO_Init(void){P0CON=0x00;//設(shè)置P0為高阻太輸入模式P0PH=0x00;//關(guān)閉P0上拉P1CON=0x00;//設(shè)置P1為高阻輸入P1PH=0xFF;//P1帶上拉模式P2CON=0xFF;//設(shè)置P2為強(qiáng)推挽模式P2PH=0x00;//關(guān)閉P0上拉}2、TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊初始化：由于采用KQM2800A傳感器，采用串口通訊方式。SC92F8003支持一個(gè)全雙工的串行口，可方便用于同其它器件或者設(shè)備的連接，例如Wifi模塊電路或其它UART通信接口的驅(qū)動(dòng)芯片等。UART0的功能及特性如下：①串行通信口可通過SPOS[1:0]切換至不同引腳；②三種通訊模式可選：模式0、模式1和模式3；③可選擇定時(shí)器1或定時(shí)器2作為UART的波特率發(fā)生器；④發(fā)送和接收完成可產(chǎn)生中斷RI/TI，該中斷標(biāo)志需要軟件清除。其模塊初始化程序如下：voidUart0_Init(uintFreq，unsignedlongintbaud)//Uart0_Init(void){P1CON=0x9F;//TX/設(shè)置為輸入P1PH=0x60;//TX上拉SCON=0X50;//設(shè)置通訊方式為模式一，允許接收TMCON=0X02;//T1頻率源自于fSYSTMOD=0X20;//16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器PCON=0X80;//SMOD=1串行端口在系統(tǒng)時(shí)鐘的1/4下運(yùn)行TH1=(Freq*1000000/baud)]]8;//波特率為定時(shí)器T1的溢出時(shí)間高八位TL1=Freq*1000000/baud;//波特率為定時(shí)器T1的溢出時(shí)間低八位TR1=0;//關(guān)閉定時(shí)器1ET1=0;//關(guān)閉定時(shí)器中斷EUART=1;//開啟UART0中斷EA=1;//開啟總中斷}UART0中斷中斷服務(wù)函數(shù):voidUartInt(void)interrupt4{if(RI){RI=0;//接收完成可產(chǎn)生中斷RI，中斷標(biāo)志需要軟件清除。UartReceiveFlag=1;if(UartReceiveFlag4bit==0)//每一幀數(shù)據(jù)有4個(gè)字節(jié){TVOC[_num]=SBUF;//將收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)組中_num++;if(_num]=4){UartReceiveFlag4bit=1;//收到4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)_num=0;}}}}4.4.2人機(jī)交互模塊序程設(shè)計(jì)根據(jù)OLED12864的硬件電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)將SC92F8003單片機(jī)的P2^4和P2^5作為IIC通訊的SCL和SDA端口，與OLED12864進(jìn)行通訊。由OLED12864模塊的芯片手冊(cè)可知，OLED12864模塊流程為如圖4-1所示：圖4-1LED12864模塊流程圖系統(tǒng)的Logo、空氣質(zhì)量、充電模式狀態(tài)等信息在人機(jī)交互模塊上顯示出來。voidTVOC_Data_Transformation(void){ staticucharDida=0; if(UartReceiveFlag4bit==1) { UartReceiveFlag4bit=0; //預(yù)熱中 if(TVOC[1]==0Xff&&TVOC[2]==0Xff) { PWMCON1=0x00; FAN_OFF; P10=0; OLED_ShowChinese(48,4,7);//顯示“預(yù)” OLED_ShowChinese(64,4,8);//顯示“熱”” OLED_ShowChinese(80,4,9);//顯示“中” //計(jì)時(shí) if(TimerCnt_1ms>=2000)//1s { TimerCnt_1ms=0; Dida++; if(Dida>=4) Dida=0; } //預(yù)熱動(dòng)態(tài)顯示“*” switch(Dida) { case0: OLED_ShowString(96,4,"*",4);//上行顯示“*” OLED_ShowString(96,5,"*",4);//下行顯示“*” break; case1: OLED_ShowString(96,4,"**",4);//上行顯示“**” OLED_ShowString(96,5,"**",4);//下行顯示“**” break; case2: OLED_ShowString(96,4,"***",4);//上行顯示“***” OLED_ShowString(96,5,"***",4);//下行顯示“***” break; case3: OLED_ShowString(96,4,"****",4);//上行顯示“****” OLED_ShowString(96,5,"****",4);//下行顯示“****” break; default: Dida=0; break; } } else { TempTVOC=((TVOC[1]<<8)+TVOC[2]); PWMCON1=0x10; FAN_ON; Display_Data[0]=TempTVOC/10000+'0';//萬位 Display_Data[1]=TempTVOC/1000%10+'0';//千位 Display_Data[2]=TempTVOC/100%10+'0';//百位 //數(shù)據(jù)分離 if(Display_Data[0]=='0') { if(Display_Data[1]=='0') { if(Display_Data[2]=='0') { Display_Data[0]='';//null Display_Data[1]=''; Display_Data[2]=''; Display_Data[3]=TempTVOC/10%10+'0';//個(gè)位 Display_Data[4]='.';//小數(shù)點(diǎn) Display_Data[5]=TempTVOC%10+'0';//十分位 } else { Display_Data[0]=''; Display_Data[1]=''; Display_Data[2]=TempTVOC/100%10+'0';//十位 Display_Data[3]=TempTVOC/10%10+'0';//個(gè)位 Display_Data[4]='.';//小數(shù)點(diǎn) Display_Data[5]=TempTVOC%10+'0';//十分位 } } else { Display_Data[0]=''; Display_Data[1]=TempTVOC/1000%10+'0';//百位 Display_Data[2]=TempTVOC/100%10+'0';//十位 Display_Data[3]=TempTVOC/10%10+'0';//個(gè)位 Display_Data[4]='.';//小數(shù)點(diǎn) Display_Data[5]=TempTVOC%10+'0';//十分位 } } else { Display_Data[0]=TempTVOC/10000+'0';//萬位 Display_Data[1]=TempTVOC/1000%10+'0';//千位 Display_Data[2]=TempTVOC/100%10+'0';//百位 Display_Data[3]=TempTVOC/10%10+'0';//十位 Display_Data[4]='.';//小數(shù)點(diǎn) Display_Data[5]=TempTVOC%10+'0';//十分位 } OLED_ShowString(48,4,Display_Data,16);//顯示TVOC數(shù)據(jù) OLED_ShowString(0,4,"TVOC:",16);//顯示“TVOC” OLED_ShowString(96,4,"PPM",16);//顯示單位“PPM” if(TempTVOC<=15)//TVOC濃度<1.5ppm { PWMDTY4=FANPWMDutyLow; OLED_ShowString(54,7,"(*^_^*)",7);//顯示字符 } elseif(TempTVOC>15&&TempTVOC<=100)//TVOC濃度1.5~10ppm { PWMDTY4=FANPWMDutyMid; OLED_ShowString(54,7,"(T_T)",7);//顯示字符 } else //TVOC濃度>10ppm { PWMDTY4=FANPWMDutyHig; OLED_ShowString(54,7,"(ToT)",7);//顯示字符 } } }}4.5軟件可靠性設(shè)計(jì)由前章講述，在電子產(chǎn)品中，一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由兩大主要因素引起。一個(gè)電子控制系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，除了硬件器件的可靠性，還有軟件系統(tǒng)的可靠性。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中主要考慮了一下幾方面的軟件可靠性設(shè)計(jì)。1、開機(jī)自檢首次開機(jī)（即上電瞬間），主程序優(yōu)先跑Delay延時(shí)函數(shù)，因?yàn)殡妷簩儆谀M量，不能突變，上電瞬間延時(shí)等待系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。然后先對(duì)中央處理器系統(tǒng)的硬件和軟件狀態(tài)進(jìn)行自我測(cè)試，測(cè)試過程中如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的程序進(jìn)行自我處理或者優(yōu)化。開機(jī)自我檢測(cè)程序包括對(duì)中央處理器的ROM、RAM、IO口狀態(tài)等內(nèi)部資源進(jìn)行自我的測(cè)試。2、輸入端多次采樣外界不確定因素對(duì)中央處理器的輸入的干擾，會(huì)造成輸入信號(hào)瞬間改變，系統(tǒng)檢測(cè)到此類信號(hào)必須排除干擾的影響，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。中央處理器的輸入干擾過濾方法有重復(fù)采樣法、加權(quán)平均的方法，中值過濾法，平均濾波法等方法。比如對(duì)于采樣ADC值的時(shí)候，采取多次讀取ADC值，去除最大值和小值在進(jìn)行平均值濾波，這樣得到相對(duì)準(zhǔn)確的ADC值，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會(huì)提高很多。3、防止程序“跑飛”數(shù)組越界，中斷服務(wù)程序缺失，看門狗復(fù)位等現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致中央處理器程序“跑飛”，程序出亂。在程序設(shè)計(jì)過程中，需要考慮定義的數(shù)組在數(shù)組運(yùn)用過程中是否出現(xiàn)越界現(xiàn)象；檢查中斷服務(wù)函數(shù)的中斷標(biāo)志位是否軟件清“0”；程序是否陷進(jìn)某個(gè)循環(huán)或者看門狗時(shí)間設(shè)置過短導(dǎo)致看門狗溢出等。4.6本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，首先對(duì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了概述，并介紹了編程環(huán)境，然后進(jìn)行了系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)，并分模塊進(jìn)行了系統(tǒng)初始化子程序、TVOC測(cè)量檢測(cè)模塊子程序、人機(jī)交互模塊子程序，和中斷子服務(wù)程序的軟件設(shè)計(jì)，最后介紹了系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。

第5章實(shí)物調(diào)試與功能實(shí)現(xiàn)5.1實(shí)物調(diào)試概述相對(duì)軟件仿真，實(shí)物論證是將設(shè)計(jì)好的程序下載到系統(tǒng)中，是一種直接的，準(zhǔn)確的，高性能的研究方法。實(shí)物論證通過實(shí)物的方式驗(yàn)證，能夠直觀地調(diào)試系統(tǒng)功能。5.2系統(tǒng)軟件與硬件調(diào)試在前文中介紹了本設(shè)計(jì)采用KEILC51的開發(fā)環(huán)境。在程序設(shè)計(jì)過程中主要遇到以下問題。問題一：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，編譯不通過。問題的解決方法：點(diǎn)擊KEILC51中編譯輸出（BuildOutput）欄錯(cuò)誤提示路徑即可直接跳轉(zhuǎn)到相關(guān)聯(lián)的錯(cuò)誤，再結(jié)合上下關(guān)聯(lián)查找出問題的根源。本問題是main.c文件和IO_Init.c文件中都存在FAN_ON，F(xiàn)AN_OFF的宏定義，屬于重復(fù)宏定義，刪除IO_Init.c文件里的FAN_ON，F(xiàn)AN_OFF宏定義即可。圖5-1編譯不通過問題二：系統(tǒng)編譯通過，但是風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)無法調(diào)速。問題的解決方法：在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中，此類問題會(huì)經(jīng)常發(fā)生。優(yōu)先排除硬件是否存在問題，根據(jù)圖3-10硬件電路設(shè)計(jì)，首先對(duì)MOS管測(cè)試，采用萬用表對(duì)MOS管測(cè)試，萬用表打到二級(jí)管擋位，紅表筆放置G極，黑表筆分別測(cè)試D極和S極，G極到D極和S極均有0.6V的電壓，確定了硬件電路不存在問題。再次排除了風(fēng)機(jī)為正常。綜合得出問題出現(xiàn)在于系統(tǒng)軟件當(dāng)中。經(jīng)過逐步排查問題，問題原因是單片機(jī)的寄存器值定義出錯(cuò)，修改后風(fēng)機(jī)能夠正常調(diào)速。問題三：人機(jī)交互模塊的顯示部分無法顯示或顯示亂碼。問題的解決方法：經(jīng)過排查，得出是系統(tǒng)程序的問題。人機(jī)交互模塊無法顯示的原因是人機(jī)交互模塊的時(shí)鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳定義用反了，修改后顯示部分信息。顯示亂碼的原因是字符取模的方式和顯示邏輯沖突，修正取模方式即可正常使用。問題四：負(fù)離子的濃度不足，凈化效率過低。問題的解決方法：查閱負(fù)離子凈化模塊的說明書，知道負(fù)離子凈化模塊的輸入電壓為5V，工作功率小于1W。獨(dú)立測(cè)試負(fù)離子凈化模塊，負(fù)離子凈化模塊正常工作，負(fù)離子濃度大于5*10^6PCS/cm3，排除負(fù)離子凈化模塊存在問題。測(cè)量負(fù)離子凈化模塊接口，電壓為3.8V，從而確定負(fù)離子凈化模塊的供電存在問題。導(dǎo)致負(fù)離子的濃度不足，凈化效率過低的原因是升壓IC的電感值過小，紋波過大，更換升壓電感和加大濾波電容后負(fù)離子的濃度大于5*10^6PCS/cm3，凈化效率正常。5.3功能實(shí)現(xiàn)經(jīng)過系統(tǒng)的軟件和硬件的模塊結(jié)構(gòu)化實(shí)物逐步調(diào)試，修改系統(tǒng)完成順利。下圖為初代樣機(jī)。圖5-2初代樣機(jī)PCBA與外設(shè)圖本次試驗(yàn)環(huán)境為研發(fā)室，采用實(shí)驗(yàn)艙模擬汽車室內(nèi)環(huán)境的簡易實(shí)驗(yàn)。由系統(tǒng)人機(jī)交互模塊可清晰看到當(dāng)前環(huán)境所測(cè)到的TVOC值和系統(tǒng)其他的信息。所被測(cè)氣體為TVOC值，單位為PPM。系統(tǒng)其它信息：客戶指定文字“航盛”；充電類型，“0”形狀為太陽能充電，箭頭形狀為充電器充電；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速擋位和TVOC濃度擋位，“(*^_^*)”為空氣質(zhì)量優(yōu)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速度低檔；“(T_T)”為空氣質(zhì)量一般，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速度中檔；