室內(nèi)空氣凈化器的研究與設(shè)計(jì)

錢(qián)佳佳　張健

摘要：在日常生活中凈化器顯然已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但產(chǎn)品太多，有的功能也比較單一，所以要設(shè)計(jì)出功能更齊全的凈化器，掌握更多的技術(shù)去研究，制作出更低廉，更受大眾青睞的凈化產(chǎn)品。各種空氣凈化技術(shù)有力地解決了室內(nèi)空氣污染問(wèn)題。該文主要講述采用負(fù)離子發(fā)生器這一重要的裝置，即通過(guò)高壓電源和加熱電源組合控制來(lái)達(dá)到凈化空氣的效果，通過(guò)代碼來(lái)檢測(cè)在有人或無(wú)人的情況下，自動(dòng)改變工作方式，即清新和消毒的工作方式。

關(guān)鍵詞：電暈線加熱；負(fù)離子；STC89C52；負(fù)離子空氣凈化器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）02-0252-02

1 緒論

室內(nèi)空氣污染現(xiàn)象目前廣泛存在于居室等各種封閉的場(chǎng)所中，室內(nèi)的空氣質(zhì)量在無(wú)形之中給人類(lèi)的身心健康帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。人們現(xiàn)在基本上都待在室內(nèi)，因此人們的身心健康指標(biāo)部分取決于室內(nèi)空氣質(zhì)量的好與壞。懸浮顆粒物和氣態(tài)污染源是造成室內(nèi)空氣污染的主要來(lái)源，裝修居室產(chǎn)生的污染物（如甲醛、霧霾、細(xì)菌等），這些肉眼看不到的細(xì)小微粒潛伏在我們身邊時(shí)刻危害著我們的身心健康?？諝鈨艋魇钱?dāng)今這個(gè)社會(huì)主流的產(chǎn)品，在改善空氣環(huán)境方面的確很有效，值得我們每個(gè)人擁有，確實(shí)很受大多數(shù)家庭的青睞。不過(guò)現(xiàn)在市場(chǎng)上凈化器的種類(lèi)比較多，而且價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)都比較昂貴，還有就是有的凈化器功能不是很完善，需要更多的人去設(shè)計(jì)更好，更實(shí)惠的產(chǎn)品。

本論題通過(guò)采用電暈線加熱的方法來(lái)控制負(fù)電暈放電時(shí)產(chǎn)生的臭氧濃度以及盡量保持負(fù)離子發(fā)生器的臭氧濃度在國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)之下，使得O3濃度在安全范圍之內(nèi)，是一款能夠產(chǎn)生高負(fù)離子濃度以及凈化效率極高的負(fù)離子發(fā)生器。

2 需求分析

2.1 功能需求

室內(nèi)負(fù)離子空氣凈化器的主要工作原理是指在放電的作用下，一些自由電子與另外的氣體結(jié)合就生成了負(fù)離子，而此時(shí)負(fù)離子與顆粒污染物組合在一起就構(gòu)成了“重離子”，它會(huì)沉降或者附著在物體外表層，可以起到殺滅細(xì)菌的效果。設(shè)計(jì)的這款室內(nèi)負(fù)離子空氣凈化器，首先能夠吸附，分解或轉(zhuǎn)化各種空氣污染物。其次，產(chǎn)品在工作過(guò)程中可以保證不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的臭氧，確保在安全范圍內(nèi)。并且，產(chǎn)品的操作要簡(jiǎn)單方便，適用于廣大需求群體。

2.2 安全需求

室內(nèi)經(jīng)常會(huì)存在各種對(duì)我們身體有害的物質(zhì)（如甲醛，苯等），這個(gè)時(shí)候就可以通過(guò)空氣凈化器產(chǎn)生的負(fù)氧離子有效的去控制，盡量消除對(duì)我們有害的物質(zhì)。空氣中的負(fù)離子濃度越大，對(duì)我們的身體越有益處。凈化器在工作的時(shí)候，由于工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)多的臭氧，對(duì)我們身體產(chǎn)生傷害，所以就采用兩種工作方式，即有人的時(shí)候使用清新方式，沒(méi)有人的時(shí)候就轉(zhuǎn)變?yōu)橄镜墓ぷ鞣绞?，確保對(duì)身體健康沒(méi)有影響。如今，隨著人們生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越注重養(yǎng)生，空氣凈化器正好迎合了人們的需求。

3 室內(nèi)空氣凈化器的設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)離子空氣凈化器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1.1 電暈放電在空氣凈化器設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，為負(fù)離子空氣凈化器的結(jié)構(gòu)，通過(guò)電暈放電方法生成負(fù)離子。因?yàn)楦邏弘娫唇o電暈線供電，所以電暈線得最高電位是在-9KV左右，產(chǎn)生電暈放電，這樣就完成了負(fù)離子空氣凈化器生成負(fù)離子的目的[1]。

3.1.2 加熱電暈線降低產(chǎn)生臭氧濃度的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)采用電暈線加熱這一舉措，可有效抑制負(fù)電暈在放電的時(shí)候生成更多的O3以及盡量減少負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧，保證其濃度不會(huì)超標(biāo) [2][3]，使得負(fù)離子發(fā)生器既有更高的效率，又有更高的安全度。

根據(jù)臭氧的三體反應(yīng)速率為[4]：K=2.5×10﹣35exp（970/kT）可以看出，臭氧形成的三體反應(yīng)速率與溫度有關(guān)，隨著溫度的上升，速率會(huì)慢慢降低。

Oh kubo 等人通過(guò)對(duì)正電暈放電的研究，得出了臭氧（O?）的生成會(huì)在電暈線附近產(chǎn)生較多，說(shuō)明了臭氧的形成區(qū)是在電暈線周?chē)?。通過(guò)電暈線加熱的方法可以盡量減少臭氧的產(chǎn)生，既負(fù)離子發(fā)生器的臭氧濃度也會(huì)隨之降低。

3.2 室內(nèi)空氣凈化器的電路設(shè)計(jì)

3.2.1 控制電路的實(shí)現(xiàn)

以STC89C52型單片機(jī)為中心設(shè)計(jì)了負(fù)高壓電源和加熱電源對(duì)電源主電路起到了主要的作用。如圖2所示為控制電路框圖。

3.2.2 負(fù)離子發(fā)生器

負(fù)離子同細(xì)菌組合在一起之后，細(xì)菌的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列的變化，細(xì)菌會(huì)被消滅掉，最終被分解，飄落在地表，空氣中的細(xì)菌數(shù)會(huì)迅速縮小，空氣中的塵埃碰撞到負(fù)離子之后，會(huì)發(fā)生反應(yīng)，從而減少了空氣中的塵埃。

圖3為負(fù)離子發(fā)生器的簡(jiǎn)單電路：

3.2.3 臭氧發(fā)生器

如圖4所示為臭氧發(fā)生器電路圖，分別由振蕩和功率放大電路、“清新”控制電路、“消毒”控制電路以及遙控電路組成。

通過(guò)代碼來(lái)檢測(cè)在有人或無(wú)人的情況下，自動(dòng)改變工作方式。通過(guò)晶振電路和復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

主程序如下：

int man =person；

{

if（1 == man） // man字節(jié)檢測(cè)到有人時(shí)為1，無(wú)人時(shí)為0

{ while（man） //凈化器采用“清新”的工作方式

{//控制振蕩器工作

Thread.currentThread（）.sleep（300000）； //毫秒

//控制振蕩器工作5min

//控制振蕩器停止

Thread.currentThread（）.sleep（1800000）； //毫秒

//停止30min，交替工作

//控制振蕩器工作

} }

else //凈化器采用“消毒”的工作方式endprint

{Thread.currentThread（）.sleep（3600000）； //毫秒

//凈化器采用“消毒”的工作當(dāng)控制振蕩器連續(xù)工作1h后停止}

}

3.2.4 人體感應(yīng)模塊電路

如圖5所示，為人體感應(yīng)模塊電路圖。

由于人體溫度特殊這一表象，使得紅外傳感器可以通過(guò)波長(zhǎng)來(lái)判斷是否有人，通過(guò)人本身的特征，來(lái)識(shí)別，既方便又準(zhǔn)確。此電路圖通過(guò)人體感應(yīng)模塊的輸出信號(hào)端，采用三極管的放大原理，使信號(hào)慢慢變大，促使發(fā)射模塊能夠成功發(fā)射信號(hào)。

3.2.5 空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊

空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊由STC89C52單片機(jī)組成的最小系統(tǒng)以及溫濕度傳感器DHT11和DSM501粉塵傳感器構(gòu)成的。如圖6所示，為DHT11模塊原理圖，如圖7所示，為粉塵傳感器DSM501的原理結(jié)構(gòu)圖。

粉塵傳感器根據(jù)光的散射理論，微小的顆粒和分子會(huì)產(chǎn)生散射光，而且光的吸收能量。在顆粒物較多的環(huán)境下，一束平行單色光射入到該環(huán)境下時(shí)，會(huì)受到顆粒物的影響，光的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)的減弱，這樣的話就可以計(jì)算出光經(jīng)過(guò)顆粒物較多的環(huán)境下所對(duì)應(yīng)的相對(duì)衰減率，通過(guò)衰減率大概就可以反映出粉塵的相對(duì)濃度。

4 總結(jié)

設(shè)計(jì)的這款室內(nèi)負(fù)離子空氣凈化器有一些功能已經(jīng)大致完成，其效果就是負(fù)離子能夠吸附，分解或轉(zhuǎn)化各種空氣污染物。單片機(jī)使用的是STC89C52來(lái)完成設(shè)計(jì)，來(lái)完成整體電路的設(shè)計(jì)。是一款節(jié)能，智能，清新持久的凈化器。外加輔助電路，如復(fù)位電路，時(shí)鐘電路以及人體感應(yīng)器電路，空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊等，即實(shí)現(xiàn)清新和消毒兩種工作方式的自動(dòng)轉(zhuǎn)化。該系統(tǒng)不足之處，凈化部分預(yù)算較大，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，只實(shí)現(xiàn)了部分模塊，即溫濕度檢測(cè)以及PM2.5檢測(cè)模塊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫欽.電極加熱型室內(nèi)負(fù)離子空氣凈化器電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，電工理論與新技術(shù)，2007.

[2] 李杰.電暈線加熱降低負(fù)離子空氣凈化器臭氧濃度的實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào).1996，3（16）：372.

[3] 李杰，劉林茂，王海軍等.電暈線加熱情況負(fù)電暈放電特性研究[J].東北師范大學(xué)學(xué)報(bào).1996（2）：53-57.

[4] 梁平.低臭氧負(fù)離子發(fā)生器優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究及其電源的設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

[5] 吳忠標(biāo)，趙偉榮.室內(nèi)空氣污染及凈化技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[6] 阿秋. 能產(chǎn)生負(fù)離子的空氣凈化器簡(jiǎn)介[N].電子報(bào)，2015.endprint