空氣濾毒凈化風機系統的研究與設計

武昌工學院 舒 暢

空氣濾毒凈化風機系統應用于人員密集、空間封閉、空氣不流通的密閉環境中的一種空氣凈化防護裝置，如使用在作戰方艙、潛艇和特種醫療方艙中。此研究是為了改進和優化現有濾毒凈化系統，系統采用傳感器感應采集周圍空氣中主要成分數據含量，通過數據傳輸，單片機系統分析、顯示、反饋，自動調節風機轉速，降低噪聲，提高濾毒凈化系統的工作效率，達到自動調節、節能環保、保護工作人員安全等目的。

系統主要功能是通過風機系統過濾凈化密閉環境中有毒有害氣體，把純凈的空氣送入艙室，使內部形成超壓，阻止有毒有害空氣進入，形成良好的工作環境。現有的濾毒風機系統裝置在工作過程中，基本處于風機恒速運轉，沒有傳感器采集設備，無顯示器顯示空氣成分含量和提示信息，有些裝置濾芯過濾材料單一，不能很好地過濾有毒氣體成分，發揮不了作用。為此，對濾毒凈化系統進行重新設計改進，采用多種傳感器感應采集室內和室外空氣中主要大項成分指標，分析和實時顯示在設備顯示屏上，同時傳輸給單片機進行分析，分析結果反饋到顯示屏提示和報警，操作者可以根據提示操作，如提示更換濾芯過濾材料。系統還能自動調節風機轉速，提高濾毒凈化風機系統的工作效率。

1 系統原理

空氣濾毒凈化風機系統由離心式風機系統和數據處理和顯示系統組成。離心式風機系統由風機機械部分和過濾材料等組成，主要含濾毒濾塵器、離心式風機裝置、阻隔閥門、風道、內外傳感器等。數據處理和顯示系統由單片機系統、顯示系統、報警系統等組成。

空氣濾毒凈化風機系統主要應用于一些工作在空氣污染環境下的密閉艙室里，給工作于密閉艙室人員提供免遭有毒有害氣體侵蝕的清潔的呼吸空氣，一般配置于作戰方艙、潛艇和特種醫療方艙等場合。當周圍空氣遭受有毒有害氣體污染時，此系統啟動，通過傳感器感應周邊氣體成分，實時顯示空氣指標數據，對艙外流入艙內的有毒有害空氣進行過濾凈化，根據受污染程度自動調節控制風機轉速和調節通風量，并且在艙內保持一定的超壓，阻隔閥門關閉。

空氣濾毒凈化風機系統結構框圖如圖1所示，包含離心式風機系統、有線/無線數據傳輸系統、單片機數據處理與顯示系統等。

圖1 系統結構框圖

離心式風機系統由風機機械部分和過濾材料等組成，單片機數據處理與顯示系統包括控制傳感器實現數據采集，算法分析和處理，數據生成和顯示等。

系統采用各種傳感器實時采集艙內和艙外空氣成分指標數據，通過有線/無線數據傳輸系統傳輸到單片機，單片機分析計算，將結果報警提示和空氣成分送顯示器顯示，同時將控制信號反饋到風機系統，實現自動調節風機轉速和開啟阻隔閥門等。

2 工程設計

空氣濾毒凈化風機系統主要通過離心式風氣系統中各種傳感器采集艙內外空氣成分含量指標，傳輸給單片機分析計算。將結果通過顯示屏顯示空氣成分參數值（如果某成分超標，啟動報警系統），同時將控制信號反饋到離心式風機系統，控制自動調節風機轉速和隔斷閥門，調節通風量。組成系統的硬件主要有：濾毒濾塵器、離心式風機裝置、阻隔閥門、風道、內外傳感器、單片機、報警裝置和顯示屏等。系統控制軟件使用C程序設計語言進行開發，分析傳感器采集到的空氣成分數據，算法計算，數據反饋，數據顯示和報警提示等。

2.1 整體設計

系統采用“硬件+軟件”的設計思想，以模塊化搭建開發為基礎，逐步完成各功能來擴展式組建系統。

系統各設備連接接口靈活，這樣使本系統可以適用于不同的工作場合，移植性、擴展性、可剪裁強，提高了系統的快速集成性和工作效率。

系統接口按照標準化設計，在硬件尺寸上、軟件編程上統一標準，這樣方便系統功能擴展，也利于第三方研制軟件的接入。

2.2 技術設計

2.2.1 離心式風機系統

（1）過濾材料的選擇

根據裝置使用環境條件的不同，系統備選了多款過濾材料，這些過濾材料選用市場上成熟的有毒有害氣體吸附材質，便于更換，降低成本。

（2）離心式風機裝置的選用

離心式風機裝置選用低噪音、低成本的空壓機，在系統使用過程中的作用主要是實現艙內外空氣的流通送壓和過濾處理。

（3）濾毒濾塵器的選用

濾毒凈化系統的濾毒濾塵器主要有一個氣水分離器和三個濾毒濾塵過濾器。在系統應用過程中，不同過濾器具有對不同有毒有害氣體成分的過濾效果。

（4）阻隔閥門的選用

阻隔閥門選用氣密性好的電磁閥或手動球閥，閥門的閥體一般采用金屬材質，保證閥門在長時間使用時的穩定性和安全性。

2.2.2 數據處理與顯示系統

數據處理與顯示系統是基于STC89C52單片機和傳感器相結合的智能信息處理、顯示和報警系統，主要包括以下幾個模塊，如圖2所示。

圖2 系統硬件結構連接圖

（1）微控制器模塊。STC89C52單片機系統是整個系統的核心數據處理和控制模塊，處理整個系統的數據采集信息和輸入與輸出信號，對系統其他模塊進行控制，并完成數據的轉換、存儲和發送等功能。

（2）電源模塊。電源模塊為報警系統提供基本工作電壓。

（3）傳感器模塊。傳感器模塊主要包括檢測空氣成分含量的主要傳感器，含溫濕度傳感器、煙霧傳感器、聲光傳感器、有毒氣體成分傳感器等。用于采集艙內外空氣中的主要成分項指標，重點采集有毒有害氣體含量指標。

（4）顯示模塊。顯示模塊采用LCD1602，它可以清晰直觀的顯示氣體成分、煙霧濃度和報警閾值等信息。當系統檢測到超出警報閥值信號時，單片機根據采集到的數據信號傳送至液晶屏使之顯示相應結果，同時激活報警裝置。

（5）聲光報警模塊。聲光報警模塊由有源蜂鳴器和LED燈構成，紅黃藍綠4盞燈分別代表有毒報警燈、火焰報警燈、溫度報警燈和煙霧報警燈，哪項元素檢測超標，就對應點亮哪盞，并且蜂鳴器發出警報。

（6）鍵盤模塊。按鍵模塊采用6個機械按鍵作為操作輸入設備，其主要功能包括以下四方面：一是用來控制系統的狀態（開和關）；二是用來設置報警閾值的大小；三是能夠進行復位操作；四是可以進行手動報警，在緊急情況下能第一時間發出警報并引起周圍人的注意，體現了該系統的實用性和實時性。

2.2.3 系統軟件設計

（1）數據模型的設計

系統中單片機分析的依據是傳感器采集的空氣成分數值。在一般的空氣成分中，重點考慮的是有毒有害氣體成分，不同的工作環境，有毒有害氣體不同，算法需要做部分調整。本系統數據模型算法采用模糊控制理論，由于系統需要考慮的空氣成分指標因素多而雜，無法精確確定控制函數，所以本系統運用模糊控制理論來建立數據模型算法，而不是建立精確的數學模型，這樣易于進行控制；模糊控制是一種非線性控制，抗外部干擾性能好，算法響應速度快，對參數的變化有較強的魯棒性。

常見的空氣質量數據模型算法一般根據采集的空氣中主要污染物、有毒有害氣體來計算分析，如一氧化碳、一氧化氮、硫化氫、二氧化硫、氯氣、甲醛、化學毒氣、氰化氫、芥子氣、路易斯毒氣、維克斯毒氣、沙林和畢茲毒氣等。

計算空氣質量指數（IAQI），全面考慮主要污染物、有毒有害氣體的空氣質量分指數和質量濃度值，按照算法計算后比較。特例：探測到空氣中的生化物指標時，立即報警。

（2）程序設計

在單片機運行語言開發實踐中，C語言是普適性最高的一種編輯語言。它不僅可移植性強，兼容于大多操作系統環境，而且還結合了匯編語言與其他高級語言的特點，在編寫單片機程序時，層次清晰、邏輯性強、可讀性高，本文選用C語言作為編輯語言。

系統首先進入系統初始化和報警值的初始化。待全部初始化完成之后，系統自動進入一次循環處理過程：首先讀取艙內外數據采集傳感器檢測到的空氣成分值，并依次在顯示屏上滾動顯示出來。然后再將接收到的信號與最初設定的報警閾值進行比較，判斷是否大于閾值，以及是否有有毒有害氣體產生，當發生其中一種情況，則點亮對應的警示燈，并啟動蜂鳴器進行聲光報警，另外若檢測到手動報警信號也會觸發聲光報警。最后就是判斷設置按鍵是否被按下，是的話則調整報警值的大小，否則繼續開始新的一輪檢測、顯示、判斷。

結束語：基于改進和優化的濾毒凈化風機系統摒棄了傳統的恒定風機轉速和凈化裝置，尤其是對傳統風機無采集周圍空氣環境數據，無單片機計算分析數據和反饋控制系統。通過本文的研究，可以解決現有濾毒通風系統在不同應用環境下的應用，尤其適合有毒有害氣體環境下的應用。通過艙內外傳感器采集環境數據，傳輸到單片機，通過單片機數據模型算法對數據處理和分析，實時顯示和反饋，以此調節風機系統，使用效率和智能應用上有很大的改進。

設計的空氣濾毒凈化風機系統還需要在特定情形下測試和調試，以達到適應不同的應用場合。在未來將與相關廠家和研究所達成合作試驗和優化研究，研制的樣機在特定環境下進行試用，比如在復雜作戰環境、復雜醫學環境下測試系統的穩定性和各項性能指標，以期達到性能優良的目的。