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基于CPLD的光催化空气净化器控制系统设计

作者：闫朝文,张丽,孙东宁

来源：《电脑知识与技术》2010年第02期

摘要:该文介绍了基于EMP7128的光催化空气净化器控制系统的功能以及设计原理,给出了控制系统的硬件电路,并在QuartusⅡ环境下对CPLD内部具体模块进行编程设计。经实际使用证明,该控制系统具有可靠性高,适用性好等优点。 关键词:EMP7128;CPLD;空气净化;控制系统

中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)02-347-02

Designing of the Control System Based on the CPLD for A Photocatalytic Air Purifier YAN Chao-wen1, ZHANG Li2, SUN Dong-ning1

(1.School of Information & Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China; 2.Institute of Marine Material Science & Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)

Abstract: A new control system of a photocatalytic air purifier based on the CPLD of EMP7128 was designed. The functions and design principles of the control system was firstly discussed. Then details of the hardware circuit was given. Finally the specific modules inner the CPLD on the workbench of Quartus Ⅱwas programmed and simulated. As practice proved, this air purifier can work well and the control system showed high reliability and good applicability. Key words: EMP7128; CPLD; air purifier; control system

自20世纪以来,随着人类的生产、生活活动加剧,全球范围内的大气污染日益严重,因空气污染所产生的年疾病率已占全球疾病率的4%,居疾病负担的危险因素第四位,因此,世界各国都在大力研究发展各种能够治理解决空气污染的空气净化技术,多种类型的室内空气净化器也已纷纷面市。其中,新型光催化技术是近年来迅速发展起来的一种被称为“绿色友好”的高级氧化空气净化技术,该技术是利用一定能量的光照射光催化剂所产生具有强氧化作用的的羟基自由基来迅速降解去除有机污染物。在治理室内的有毒有害挥发性有机物(VOCs)以及各种致病霉菌、真菌和病毒等方面新型光催化技术展现了巨大的优势,成为近年来的热点技术[1-3]。而对采用光催化技术的空气净化器来说,在实际应用中其空气处理效果的好坏,除了与其采用的光源和光催化剂的工作效率有关,还与其整个硬件控制系统对其工艺参数如作用时间、运行模式等的精确控制与否直接相关。

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该研究即围绕设计新型光催化空气净化器的控制系统开展,研究了基于CPLD的光催化空气净化器控制系统的功能以及设计原理,并进行了控制系统的硬件电路设计和调试。CPLD器件最大的优点在于可现场编程[4-5],改变逻辑关系时,无需更改外部线路板,只需用图形语言程序或硬件描述语言程序来改变电路,生成下载编辑软件,通过下载电缆输入CPLD器件即可,非常方便,特别有利于新产品试制,所以使用CPLD作为空气净化器的控制系统应是一个较可行的选择。 1 控制系统功能介绍

该控制系统是由按键和空气质量传感器来控制的,可在手动和自动模式下运行。当系统处于手动运行模式时,可通过按键控制紫外光灯的打开和关闭,并设定其工作时间。当系统处于自动运行模式时,它可通过空气质量传感器测得的空气质量的好坏自动开关机工作。具备监视功能:系统运行时,室内空气质量情况和系统的运行状态可在液晶显示屏上显示。液晶显示屏可根据空气质量的污染程度分别显示绿、黄两种不同的底色。该光催化空气净化器的控制系统结构框图如图1所示。 2 控制系统硬件设计

光催化空气净化器的控制系统硬件原理图如图2所示,其核心为EMP7128SLC84-15。EMP7128SLC84-15是Altera公司的MAX7000S系列CPLD,它采用CMOS工艺,并以第二代矩阵结构为基础,实际上也是一种基于E2PROM的器件。EMP7128SLC84-15有84个引脚,其中5根用于ISP(In System Programmable)下载,可方便地对其进行在系统编程。此器件内集成了6000门,其中典型可用门为2500个,有128个逻辑单元,60个可用I/O口,可单独配置为输入、输出及双向工作方式,2个全局时钟及一个全局使能端和一个全局清除端。EMP7128SLC84-15支持多电压工作,其传输延时为7.5ns,最高工作频率高达125MHHz,并支持多种编程方式,同时可利用Altera公司的开发软件Quartus Ⅱ方便地进行仿真、综合和下载[7]。

手动模式下我们可以通过键盘设定工作时间,设定的时间在液晶屏上显示出来并进行倒计时,一旦超过设定时间,EMP7128SLC84-15将控制空气净化器停止工作。并且我们可以通过按键对真空紫外光灯进行开关。

自动模式下我们采用空气质量传感器来控制其工作,空气质量传感器是选用日本进口的QS-01空气质量传感器。QS-01是一种二氧化锡半导体气体传感器,可以检测香烟、NH3、酒精、CO等多种空气中的污染气体,灵敏度高,并且响应时间很快,传感器采用塑料外壳,3个引脚,可在极低的功耗情况下获得极好的感应特性,非常适合应用于空气品质控制系统、排风电扇和空气清新机。传感器原理图如图3所示。空气质量传感器的用法如系统硬件原理图所示,使用时将端子1接电源5V正极,端子3接电源5V负极。端子2接EMP7128SLC84-15的I/O口。通过测量电阻R1的电压值能够判断空气质量的好坏。我们利用A/D转换功能测量电阻R1的电压。设定允许A/D转换,并对A/D转换的结果设定为左或右调整:设定VDD和VSS为参考源;经内部A/D转换后,存入A/D结果寄存器中,再经过软件处理。由试验和空气质量传感器的特性得知:空气质量的污染程度与电阻R1的电压值成正比例关系,即R1电压值越高,污染程度越高。空气质

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量良好时,系统通过EMP7128SLC84-15去控制停止风机和紫外光灯工作,且液晶显示屏的底色为绿色;当污染程度偏高时,EMP7128SLC84-15控制打开风机和紫外光灯用来净化空气,并且液晶显示屏的底色为黄色。 3 CPLD软件设计

CPLD具有用户可编程、时序可预测、速度高和容易使用等优点。上至高性能CPU,下至简单的74电路,都可以用CPLD来实现。而且CPLD的可编程性,使修改和产品升级变得十分方便。用户可以根据原理图或硬件描述语言自由地设计一个数字系统,然后通过软件仿真,事先验证设计的正确性。采用VHDL语言进行软件编程,利用Altera公司的CPLD开发软件Quartus Ⅱ进行设计输入、项目处理、项目校验及器件编程等。设计输入可采用原理图输入、文本输入、波形输入或第三方EDA工具生成的设计网表文件等输入方法;设计校验包括功能仿真、时序仿真和定时分析;器件编程是用经过仿真确认的配置文件配置CPLD器件;在线校验是对编程后的CPLD器件加入实际的激励信号进行测试,检查是否可完成预定功能;最后完成整个系统设计。 CPLD软件设计主要基于模块化设计思想。将控制系统根据功能不同分成若干模块,并分别对这些模块在Quartus Ⅱ开发平台上进行编程设计仿真,当每个模块都设计正确时,在Quartus Ⅱ开发平台上将给个模块连接成顶层设计原理图仿真,验证设计的正确性。现可将光催化空气净化器控制系统主要分为键盘扫描电路、键盘消抖电路、分频器、计数器、状态机子模块。其顶层设计原理图如图4所示。 图4 顶层设计原理图 4 结束语

该文介绍了使用CPLD在相应开发软件Quartus Ⅱ软件支持下,使用原理图方式和VHDL硬件描述语言结合实现光催化空气净化器控制系统的设计;利用CPLD芯片EPM7128SLC84-15设计了硬件电路并制作成实际的系统进行了测试。这种设计方法使设计人员摆脱了电路细节的束缚,设计效率高、成本低,电路制作简单、可靠性好,并且各模块均可进行功能仿真,便于发现错误和进行修改,特别有利于新产品试制,大大缩短了开发周期;CPLD还具有保密性强、受外界干扰影响小,电磁兼容(EMC)性能好、价格大众化等特点,体现了EDA技术及CPLD器件的优越性和广阔的应用前景,所以使用CPLD作为光催化空气净化器的控制系统是一个很好的选择。 参考文献:

[1] 丁震,陈晓东.纳米光催化空气净化器对甲醛及总挥发性有机物净化效果的实验研究[J].中国卫生工程学,2004,3(3):136-138.

[2] 张亚莉,马骊,薛磊等.纳米光催化空气消毒机对高压氧舱内空气消毒效果观察[J].中华医院感染学杂志,2008,18(8):1118-1119.