智能負離子空氣凈化器設計

于德添 張鐘艾 王 麗 羅一鳴 陳 耿 孫 強

（天津農學院 工程技術學院 天津 300392）

引言

凈化器先通過電機帶動風扇進行排氣處理，使得排進凈化器的空氣通過過濾芯，這樣就能使凈化器周圍的空氣得到凈化，這種凈化方式是讓污染物主動接近凈化器濾網起到凈化空氣的效果，主動性不強，后期需要調換濾芯進行維護，造成了不便，凈化不透徹的結果[1]。另一種靜電除塵技術是給凈化器設計一個高壓電離區，讓流動空氣經過此區域，正電荷就會附帶氣體中的有害顆粒物，負電荷在集塵面上將污染物吸引，凈化效果好，凈化氣體體積大，粒子直徑較大的氣體有害粒子能夠被消滅。然而，此方式仍然弊端較大，由于靜電極易吸附塵埃導致循環污染，而且使用此凈化技術在高壓電離區極易形成O3、正離子衍生污染物等，這些都對身體健康有害。再者就是靜電除塵方式凈化空氣是經過高壓放電來完成的，因其危險性在使用時要遠離人體，這就對便攜性有了限制[2]。

本設計的作用是利用自身帶有的電器件產生負離子主動打擊裂解空氣有害物進行凈化、除塵、除味、滅菌、吸附后瓦解空氣中各類有害物(如粉塵、PM2.5、甲醛、病毒細菌等)，顯著地提升空氣的潔凈度。如今工業發展逐漸興盛，霧霾頻發，隨著人們對健康認知的進步，智能負離子凈化技術未來會更加向便攜化、節能化、大范圍、多功效方面發展，將來會更好地服務于人們生活[3]。

1 智能負離子空氣凈化器的設計

數據監測由兩部分構成：

1）光學粉塵傳感器：主要通過GE 粉塵傳感器SMPWM-01A 檢測出當前環境空氣質量并傳給單片機。

2）其他有害氣體傳感模塊：主要由MQ-5 可燃氣體傳感器構成、此傳感器對氣體中的有害氣體具有很好的靈敏度，對C4H10、C3H8、CH4的靈敏度較高。

凈化系統流程圖如圖1所示，傳感器SM-PWM-01A和MQ-5 所檢測得的空氣質量信號經過模數轉換在單片機LCD 顯示屏上實時顯示，如果空氣質量超過預先設定值(一般設置為75μg/m3，此數據根據空氣質量國際標準所得)，則LED 燈、蜂鳴器等報警提示，風扇對室內空氣進行壓縮排風處理、負離子發生器發射負離子開始凈化工作。此外設有按鍵電路，用戶可根據室內空氣污染程度自行調節凈化器凈化速度。

圖1 凈化系統流程圖

控制系統主要是采用STC89C51 單片機為開發平臺和Keil 軟件編寫后編譯成的“.hex”文件源程序搭配組成，燒寫進單片機并且選用12 MHz 的晶振器，用電源模塊給凈化系統供電即可。凈化器系統會依據預先設定的空氣質量參數（75 μg/m3），自動檢測空氣質量是否超過設置值。主要是進行空氣中的粉塵和有害氣體檢測，粉塵測量使用GE 傳感器發出的寬窄脈沖信號得到空氣污染當前值，有害氣體使用MQ-5 氣體傳感器完成檢測。GE 傳感器和MQ-5 傳感器經各自加熱電阻發熱后氣敏元件開始工作，實時監測可燃有害氣體濃度。空氣中粉塵和有害氣體濃度值會在LCD 顯示屏上實時動態刷新顯示，如氣體濃度超過設置值，單片機會根據程序設計控制負離子發生器發射負離子，電機帶動風扇進行空氣的壓縮和氣體排風循環處理，凈化系統控制框圖如圖2所示。

圖2 凈化系統控制框圖

空氣質量越差，負離子發生器和電機排風工作狀態越快，同時為使用者系統設置了按鍵電路，使用者可以根據環境的變化自行手動調節凈化器的工作狀態，使得設計更加自主靈活和人性化。

2 凈化器仿真測試

國際規定空氣中PM2.5 含量日平均在75 μg/m3以下為人體所處環境的標準[4], 根據程序的設計，需要將預設值設置為150 μg/m3（因程序以設置值1/2 為界限，將空氣質量分為三個等級）。測試時系統根據傳感器傳回的信號分析后，室內PM2.5、有害氣體含量在75 μg/m3以下凈化器停止工作，待機節能。凈化器工作狀態如圖3所示，此時LCD 顯示屏顯示當前室內污染程度指數（75 μg/m3以下），最上方第一個LED 綠燈D1 點亮，告知空氣質量為正常標椎，蜂鳴器和直流電機都不會工作，PWM 波形占空比如圖4所示，為零電壓直線。

圖3 檢測指數在75 μg/m3 以下凈化器工作狀態

圖4 檢測指數在75 μg/m3 以下電機工作占空比

室內PM2.5、有害氣體含量在（75～150）μg/m3之間時凈化器工作狀態如圖5所示，凈化器的LCD 顯示屏會顯示當前室內污染程度指數，中間第二個LED 黃燈D2 點亮，告知空氣質量當前輕度污染，雖然如此，但蜂鳴器不會警報避免產生多余噪音，保持節能狀態，只是直流電機和負離子發生器開始靜默工作。此時只是輕度污染，電機工作的速度適中，不會過快，電機工作PWM脈沖占空比較小，其PWM 波形占空比如圖6上部分所示。因為此凈化器盡可能保持節能原則，所以在電機壓縮空氣到滿罐時，會產生停頓，待壓縮氣凈化完畢后再開始工作，其PWM 波形如圖6下部分所示，如此間斷重復下去。

圖5 檢測指數在75～150 μg/m3 之間凈化器工作狀態

圖6 檢測指數在75～150 μg/m3 之間電機工作占空比

室內PM2.5、有害氣體含量在150μg/m3以上時，凈化器工作狀態如圖7所示，凈化器的LCD 顯示屏會顯示當前室內污染程度指數，最下邊第三個LED紅燈D3點亮，告知空氣質量當前已超標達到重度污染，蜂鳴器產生警報，告知使用者要快速開窗通風或者暫時離開此環境。直流電機和負離子發生器開始急速工作。

圖7 檢測指數在150 μg/m3 以上凈化器工作狀態

此時空氣以達到重度污染，電機工作的速度極快，其PWM 脈沖占空比較大，工作波形如圖8上部分所示，一方面，因為此凈化器盡可能保持節能原則，所以在電機壓縮空氣到滿罐時，還會間斷重復性的產生停頓，待壓縮氣凈化完畢后再開始工作，另一方面即使室內環境達到重度污染，但電機轉速和負離子發生器發射負離子的速度也有上限，否則不但不能起到很好的凈化作用，還會損壞凈化器部件，在室內環境重度污染時，其節能狀態PWM 波形如圖8下部分所示。

圖8 檢測指數在150 μg/m3 以上電機工作占空比

最后測試按鍵驅動電路，按鍵電路仿真圖如圖9所示，按下第一個設置按鍵，可手動調節設置空氣質量的上限，當上限值調節較低時凈化器靈敏度就會提高（相等于變相的按下加速凈化按鍵）。

圖9 按鍵電路仿真圖

以下為測試將凈化器上限值設置為100 μg/m3，當室內環境為50 μg/m3以下時，凈化器的狀態與圖3、圖4相同。當室內環境為54 μg/m3時，凈化器正常工作狀態如圖10 所示，與凈化器設置值150 μg/m3時室內污染程度指數（75～150）μg/m3之間的工作狀態同理。電機正常工作、節能狀態波形圖如圖11 所示。

圖10 預設值100 μg/m3 檢測指數為54 μg/m3 時凈化器工作狀態

圖11 預設值100 μg/m3 檢測指數為54 μg/m3 時電機工作占空比

當室內環境為130 μg/m3時，凈化器會識別到此時所處環境屬于此設置值下的重度污染，凈化器正常工作狀態如圖12 所示，正常壓縮排氣、節能狀態PWM 波形如圖13 所示，與凈化器設置值150 μg/m3時室內污染程度指數150 μg/m3以上的工作狀態同理。由于理論相同，此處只列舉預設值100 μg/m3一例講解即可，除此之外經過多次設置不同的預設值檢驗凈化器性能，全都工作正常。

圖12 預設值100 μg/m3 檢測指數為130 μg/m3 時凈化器工作狀態

圖13 預設值100 μg/m3 檢測指數為130 μg/m3 時電機工作占空比

3 結論

本設計采用STC89C51 單片機為開發平臺，凈化器測試時，將空氣質量污染指數預設值上限設置為75 μg/m3。通過對單片機接口和程序編寫的深入研究，系統根據GE 粉塵傳感器SM-PWM-01A 和MQ-5 可燃氣體傳感器傳回的信號分析后，室內PM2.5 和有害氣體含量在75 μg/m3以下停止工作，在75～150 μg/m3之間警報端、凈化端開始工作（電機工作PWM 脈沖占空比小），在150 μg/m3以上，開啟警報、凈化端負離子產生速度和風扇排風速度相應加快（電機工作PWM 脈沖占空比大），又將空氣質量污染指數預設值上限設置為50 μg/m3，凈化器依舊工作正常，同時電機壓縮空氣滿后間斷重復的延時停頓，保持節能狀態。本次設計的凈化器加入了按鍵驅動電路，可手動調節設置空氣污染指數的上限，使用者可根據室內空氣質量的變化自行手動去調節，控制負離子產生速度和風扇的排風速度，此設計特別恰當和人性化，使用者使用起來更加移動便捷。