環保型空氣凈化健身車*

崔夢君，沈曉玉，董 悅，劉隆興，丁文斌，李金偉，郭洪巖*

（1.濱州學院 航空工程學院，山東 濱州256600；2.山東省航空材料與器件工程技術研究中心，山東 濱州256600）

目前健身車發電系統已在市面出現，多數與聲音或畫面結合。但是把健身車產生的電能與智能空氣凈化系統結合還未見報道。因此，作者設計了一款環保型空氣凈化健身車，主要結構由發電裝置和空氣凈化裝置組成。機械發電裝置是由四齒輪三鏈條三級變速、永磁恒壓發電機和繼電器保護模塊組成；空氣凈化裝置由風機、多層空氣濾芯、靜電除塵網、超聲波霧化器、傳感器和單片機六部分組成。將健身機械能轉化為電能并存儲在鋰電池中，鋰電池對外提供電能。空氣通過凈化裝置內的多層空氣濾芯和高壓靜電除塵網過濾掉PM2.5、粉塵等大分子顆粒，根據室內溫濕度環境適時加濕。整個凈化裝置通過單片機來控制，單片機按照預先設置好的室內濕度及空氣質量狀況進行實時開關凈化裝置，讓凈化裝置里用電器的用電量達到最小化，凈化裝置可以進行無線遠程操控。

1 設計方案

1.1 機械和發電系統

機械部分采用四齒輪三鏈條三級變速，達到發電效率高，發電量大；并且對車架進行動態設計。第一、二齒輪為原裝變速齒輪，第三變速齒輪安裝在一、二齒輪中間，發電機安裝在第三齒輪上方，第一齒輪數采用48齒，第二、三齒輪數都采用12齒和36齒。采用上述齒輪比達到的轉速為初始轉速的9倍。電機采用JYWFY的永磁恒壓發電機，輸出電壓始終保持在12V上，同時采用繼電器模塊，防止蓄電池過沖現象[1]。該發電機額定電壓12V，額定功率90W。機械部分整體實物如圖1所示。

圖1 發電機及鏈條設計裝置

1.2 繼電器

繼電器通常用于自動控制電路中，它是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”，在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用[2]。繼電器的使用可以防止對蓄電池過沖、過放。

圖2 繼電器

1.3 空氣凈化系統

空氣凈化系統包括風扇、活性炭空氣濾芯、高壓靜電除塵網。風扇位于凈化系統進風段，風扇使室內的空氣更快的流通，凈化效率高。凈化裝置中首先采用紙質空氣濾芯，有一定的機械強度和抗水性，能吸附空氣中水分、煤煙、臭氧、異味、碳氧化物、SO2、CO2等[3]，具有簡單易用、成本低廉、過濾效果好等優點。高壓靜電除塵網在靜電場中利用靜電力將帶電粉塵吸引到電極上，利用靜電的異性相吸、同性相斥的原理吸附空氣中的污染物[4]，然后放出其所帶電荷而沉積到集塵板上，以達到除塵的目的。靜電除塵具有除塵效率高，凈化氣量較大，除去粉塵的粒徑范圍較寬，結構簡單且效率高能量消耗少。

1.4 單片機控制系統

以STC89C52RC單片機作為控制核心。單片機是典型的嵌入式微控制器，由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備等構成，相當于一個微型的計算機，可以控制多個模塊，實現智能化[5]。單片機體積小，可按需求放在儀器儀表大部分位置。是一種高速且低功耗的使用工具，如圖3所示。

圖3 單片機

1.5 超聲波霧化系統

超聲波霧化器利用電子高頻震蕩，震動頻率超過人的聽覺范圍，通過陶瓷霧化片的高頻諧振，不需加熱或添加任何化學試劑，將液態水分子結構打碎而產生霧狀微粒[6]。同時霧化過程中產生一些負離子，與空氣中的粉塵結合，使其沉淀，減少了一些有害物質，也達到了凈化空氣的目的。超聲波霧化系統硬件電路主要包括單片機、超聲波霧化器、溫濕度傳感器、水位控制電路四個電路模塊[7]。霧化器電路部分和霧化部分完全分離，極大程度地提高了電路部分的安全性。超聲波霧化器加濕強度大，加濕均勻，加濕效率高。實物與電路圖如圖4所示。

圖4 超聲波裝置與電路圖

1.6 檢測控制系統

空氣凈化裝置以單片機作為核心控制器，主要采用溫度平衡技術、單片機控制技術、串口通信技術等技術，傳感器作為測量單元構成檢測控制系統，以溫度濕度傳感器和PM2.5傳感器兩個傳感器作為構成檢測裝置，PM2.5傳感器數據精準，價格低廉，還具有斷電自動保存數據功能。可分為主控制電路、液晶顯示接口電路、水位檢測接口電路、串口通信接口電路[8]、超聲波霧化器驅動電路、水位閥門開關驅動電路、溫濕度傳感器接口電路。如圖5所示。

圖5 PM2.5傳感器與溫度濕度傳感器

2 試驗測試

2.1 空氣凈化裝置在1m3的室內封閉空間內的工作效果

在1m3空間內，空氣凈化系統的十分顯著，在開始工作到結束6min（360s）時間將PM2.5濃度降低到了所能達到的最低值，凈化速度快。見圖6。

圖6 一般封閉環境中PM2.5濃度隨工作時間變化曲線

2.2 空氣凈化裝置在1m3粉塵較多的封閉空間內的工作效果

在環境質量較差的環境中，凈化效果明顯，在開始工作到9.5min（570s）時間將PM2.5濃度降低到了所能達到的最低值，所用時間長。見圖7。

圖7 空氣質量較差環境中PM2.5濃度隨工作時間變化曲線

從以上兩種封閉空間內的凈化實驗實時數據來看，PM2.5起始濃度高時，凈化裝置所需要的凈化時間要長一些，但是最終的凈化工作能達到較理想的結果。

2.3 單片機模塊參數設置

具體參數設置見表1。

表1 單片機溫濕度模塊參數設置

單片機可以單獨控制霧化器進行加濕，也可以控制凈化裝置整體工作，根據傳感器監測室內空氣質量狀況進行工作，實現智能化，節約電能。

2.4 空氣凈化裝置測量數據

以每次工作10分鐘為例，測得數據如表2所示。

表2 空氣凈化裝置在不同時間段每次工作10分鐘的測量數據

根據測量數據可以得出結論：空氣凈化裝置去除PM2.5效果明顯。

3 工作原理及性能分析

該項目由機械發電裝置和空氣凈化裝置組成。機械發電裝置是由四齒輪三鏈條三級變速、永磁恒壓發電機和繼電器保護模塊組成；空氣凈化裝置由風機、多層空氣濾芯、靜電除塵網、超聲波霧化器、傳感器和單片機六部分組成；在健身時通過發電裝置將產生的機械能轉化為電能，將電能儲存在鋰電池內，提供給空氣凈化系統，不再接外接電源，節約了電能；通過空氣凈化裝置內的風機讓室內空氣加速流通，空氣經過多層空氣濾芯和高壓靜電除塵網除去PM2.5分子、粉塵等大分子顆粒，同時溫、濕度傳感器和單片機進行實時監測，對室內進行加濕，達到環保的目的；整個凈化裝置通過單片機來控制，單片機按照預先設置好的室內濕度及空氣質量狀況進行實時開關凈化裝置，讓凈化裝置里的用電負載的用電量達到最小化，單片機可以進行無線遠程操控來實現智能化。超聲波霧化器與加熱霧化方式比較，節省了很大的能源。它可與空氣中的粉塵等產生靜電反應，使其沉淀，同時還能有效去除有害物質，該霧化器能夠較大程度地加濕，加濕效率高。高壓靜電除塵效率高，可以凈化較大空間較多粉塵，能夠除去的較大粒子，其結構簡單，氣流速度低，能量消耗低，是除塵工具中非常節能高效的產品。單片機是嵌入式微控制器，相當于一個微型的計算機，可以實現控制多個模塊，實現智能化。它的最大優點是體積小，可放在儀表內部，成本低。PM2.5檢測儀采用模數轉換芯片，數據更加精準，價格合適，同時具有斷電自動保存數據功能。搭建模擬房間，測量多組PM2.5值數據，利用建模說明該作品可以在現實生活中使用，具有很強的可行性。該項目設計合理，節能減排效果顯著。

4 整體實物圖

裝置整體圖見圖8。

圖8 裝置整體圖

5 創新點及應用

（1）利用健身車自發電裝置為空氣凈化裝置等電子設備提供電能，節能減排。

（2）通過單片機來控制凈化裝置，實現用電負載的最小電能功耗。

（3）自行設計智能化空氣凈化系統，采用排氣扇、空氣濾芯、靜電除塵網、超聲波霧化、溫度傳感器、濕度傳感器和PM2.5檢測裝置相結合，能耗小，無污染、凈化效率，凈化效果明顯。

該項目搭建模擬房間，進行多組PM2.5數據測量，空氣凈化系統的凈化效率高、凈化效果明顯，說明該作品可以應用到現實生活中，具有很強的可行性；該健身車符合人們追求健康、智能的生活趨勢，也符合節能環保、凈化環境的綠色理念。可以廣泛應用到現實生活中，如家庭私人健身、專業健身房等，應用前景廣闊。