一種便攜式空氣凈化器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究

徐和林

摘 ?要：該文對(duì)一種便攜式凈化器結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)其硬件部分進(jìn)行了選型，對(duì)軟件部分結(jié)合控制策略給出了具體的控制思路。采用自動(dòng)識(shí)別與人工觸摸按鈕的方式作為控制輸入，采用活性炭層+HEPA高效空氣過(guò)濾器相結(jié)合的過(guò)濾方式對(duì)空氣進(jìn)行過(guò)濾，活性氧+負(fù)離子技術(shù)對(duì)空氣的有害物進(jìn)行分解的辦法，實(shí)現(xiàn)了空氣凈化功能。

關(guān)鍵詞：凈化器;過(guò)濾器;負(fù)離子凈化

中圖分類(lèi)號(hào)： TM925 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

生存環(huán)境的空氣質(zhì)量是人們健康生活的基本條件，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，空氣污染問(wèn)題頻發(fā)，進(jìn)而成為影響人們身體健康的一大因素，引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注和重視。隨著各行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，各種新材料特別是較多的廉價(jià)材料應(yīng)用于日常生活的現(xiàn)象已經(jīng)越發(fā)凸顯，特別在家庭或辦公室裝修、車(chē)內(nèi)飾、汽車(chē)的塑料件等的應(yīng)用上。雖然大多數(shù)材料或者產(chǎn)品都能夠滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但這些材料都會(huì)在不同程度上散發(fā)甲醛、二甲苯等有害氣體。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)汽車(chē)的總銷(xiāo)量就已經(jīng)接近3 000萬(wàn)輛，人們的出行方式較多的依賴(lài)汽車(chē)。除汽車(chē)部分零部件會(huì)散發(fā)的有害氣體外，由于汽車(chē)車(chē)身較矮，同時(shí)汽車(chē)行駛時(shí)通常速度較快，這樣進(jìn)入車(chē)內(nèi)的灰塵也較多，甚至?xí)幸恍┘?xì)菌。因此，通過(guò)車(chē)內(nèi)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)或者開(kāi)窗換氣很難獲得良好的車(chē)內(nèi)健康環(huán)境。另外，在辦公室或者家庭裝修時(shí)，由于材料釋放的有害氣體而引起人們的不適或者更嚴(yán)重的事故層出不窮。

為此，該文設(shè)計(jì)了一種便攜式空氣凈化器，主要用于車(chē)載、臥室和辦公室。能夠去除空氣中的一部分顆粒物、煙霧、甲醛或者其他有害氣體或者污染物，同時(shí)釋放負(fù)離子，提高其使用環(huán)境的空氣質(zhì)量。

1 凈化器總體方案設(shè)計(jì)

該空氣凈化器由硬件系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)組成，考慮其市場(chǎng)成本，主要由煙霧和顆粒檢測(cè)模塊、空氣過(guò)濾和凈化模塊、數(shù)據(jù)采集功能和人機(jī)交互、電源和控制模塊、氛圍燈等組成。

其總體設(shè)計(jì)方案為凈化器首先獲取所處環(huán)境下的空氣質(zhì)量狀態(tài)，并根據(jù)其結(jié)果確定凈化器的出風(fēng)量;空氣通過(guò)負(fù)壓從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入凈化器后，首先經(jīng)過(guò)活性炭層進(jìn)行過(guò)濾，去除空氣中的較大顆粒物;再進(jìn)過(guò)HEPA高效空氣過(guò)濾器深層過(guò)濾;然后通過(guò)活性氧+負(fù)離子技術(shù)對(duì)空氣中的有害物進(jìn)行分解，再經(jīng)過(guò)出風(fēng)口流出。其整體模型圖如圖1所示。

2 凈化器硬件系統(tǒng)構(gòu)成

該便攜式凈化器主要由外殼、過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)、負(fù)離子發(fā)生器、氛圍燈、電源控制系統(tǒng)等部件構(gòu)成。下面對(duì)主要零部件的選型、使用特征進(jìn)行簡(jiǎn)述。

過(guò)濾器采用活性炭+HEPA高效空氣過(guò)濾器的方式，其濾材主要由球狀活性礬土和高錳酸鉀組成，能夠有效去除空氣中的甲醛、笨、H2S等在內(nèi)的有害物。過(guò)濾器的形狀尺寸設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足外殼及相配部件的尺寸。

風(fēng)機(jī)是在凈化器里面形成負(fù)壓從而將風(fēng)從進(jìn)風(fēng)口帶入凈化器內(nèi)，從成本及性能出發(fā)，該文選用深圳某公司生產(chǎn)的風(fēng)扇，輸入電壓DC12V，轉(zhuǎn)速2 800 r/min;具有噪聲低、結(jié)果小巧、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

負(fù)離子發(fā)生器，空氣負(fù)離子有大、中、小3種類(lèi)型，對(duì)人體健康有益的是小粒徑負(fù)離子，實(shí)驗(yàn)研究表明：生態(tài)級(jí)小粒徑負(fù)氧離子更易透過(guò)人體血腦屏障，起到醫(yī)療保健的作用。為此，該文選用國(guó)內(nèi)某知名品牌的低鈉負(fù)離子，輸入電壓DC12V，工作電流25 mA，負(fù)離子濃度測(cè)試值為15 cm測(cè)試500萬(wàn)以上。

電源控制系統(tǒng)，為風(fēng)機(jī)、負(fù)離子發(fā)生器、氛圍燈、控制板、氣味探測(cè)器等供電。電源控制系統(tǒng)須滿(mǎn)足供電穩(wěn)定、輸出電流電壓無(wú)畸變、波動(dòng)范圍等技術(shù)要求。

3 凈化器控制系統(tǒng)

該型凈化器的控制單元選用8051單片機(jī)，其控制系統(tǒng)還包括數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等。由于LM393具有響應(yīng)速度快、傳輸延遲時(shí)間段等優(yōu)點(diǎn)，因此該文數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊選用LM393。整個(gè)控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

數(shù)模轉(zhuǎn)換LM393模塊是將煙霧探測(cè)、顆粒探測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后傳輸至單片機(jī)進(jìn)行處理。其轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。

其中P1為51CPU控制器的4個(gè)控制引腳，VCC為電源正輸入、GND為電源負(fù)輸入、DOUT為T(mén)TL電平信號(hào)輸出口、AOUT為模擬信號(hào)輸出口。

該型凈化器除了自主識(shí)別并做出判斷和控制以外，還可以通過(guò)觸屏按鈕對(duì)其進(jìn)行操作控制。其控制功能如下。

（1）上電全顯1 s，蜂鳴器響一聲，默認(rèn)進(jìn)入自動(dòng)功能。

（2）LED指示燈通電常亮。

（3）觸摸按鍵：關(guān)機(jī)情況下，單擊按下此鍵進(jìn)入自動(dòng)功能，再按此鍵，則低、中、高速循環(huán)，工作狀態(tài)下，長(zhǎng)按按鍵則關(guān)機(jī)。

（4）負(fù)離子功能：負(fù)離子功能開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，關(guān)機(jī)關(guān)閉。

（5）自動(dòng)功能：負(fù)離子啟動(dòng)，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良，風(fēng)扇低速運(yùn)行，空氣質(zhì)量中，風(fēng)扇中速運(yùn)行，空氣質(zhì)量差，風(fēng)扇高速運(yùn)行。

（6）高速功能：負(fù)離子啟動(dòng)，風(fēng)扇高速運(yùn)行。

（7）中速功能：負(fù)離子啟動(dòng)，風(fēng)扇中速運(yùn)行。

（8）低速功能：負(fù)離子啟動(dòng)，風(fēng)扇低速運(yùn)行。

結(jié)合前述控制流程，同時(shí)將上述控制功能轉(zhuǎn)換成流程圖，如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

該文從硬件和軟件控制上對(duì)一種便攜式車(chē)載空氣凈化器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了空氣凈化功能。能夠有效去除車(chē)內(nèi)、辦公室、臥室等地方的空氣污染物，同時(shí)具有成本低、易推廣的優(yōu)點(diǎn)。

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