一種簡易負離子凈化器設計

李敏　朱元甲　陳斐彪

關鍵詞：負離子；單片機；多重凈化

中圖分類號：TM925.16 文獻標識碼：A

0 引言

傳統(tǒng)的空氣凈化器大多使用濾芯來實現(xiàn)過濾的功能，這種方式雖然能夠達到一定的凈化效果，但是由于濾芯需要經(jīng)常更換，并且隨著過濾次數(shù)的增加，濾芯的過濾效果也在逐步降低[1-2]。還有一種凈化器是采用靜電除塵的方式，使含塵氣體經(jīng)過儀器內部的高壓靜電場時被電分離，塵粒與負離子結合帶上負電后，趨向陽極表面放電而沉積。這種方式凈化效果較好，但由于吸附的塵埃容易造成循環(huán)污染，產生的高壓靜電場也存在一定安全隱患[3]。2022 年，于德添等[4] 設計了一種新型負離子空氣凈化器，采用負離子發(fā)生器產生的負電荷與塵埃進行結合，達到凈化的效果，避免了上述兩個弊端，且效果較好。2023 年，韋興龍[5] 設計了一種可以發(fā)射負離子的新型電風扇，其同樣是與負離子發(fā)生器結合，使用風扇轉動所產生的氣流將負離子作用到空氣中，從而達到凈化空氣的目的。

隨著技術的發(fā)展與設備的更新迭代，目前市面上的空氣凈化器大都能起到較好的空氣凈化作用，但由于其大多是為凈化室內空氣而設計的，設計時考慮房屋的大小，兼顧的范圍或廣或狹，從而經(jīng)常出現(xiàn)凈化效果不佳的情況。為此，本文結合市面上空氣凈化器的優(yōu)點，設計了一種可以實現(xiàn)風扇送風、負離子凈化和紫外線照射等功能的簡易負離子凈化器，主要適用對象為人體經(jīng)常接觸的生活用品。由于其作用范圍較小，能增加一定范圍內的負離子濃度，從而達到更優(yōu)的凈化效果；風扇送風功能可以使凈化范圍更加全面；紫外線照射功能可以在凈化空氣的同時起到消毒殺菌的作用，由此，本設計具有較大的實用價值，市場前景較好。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體框架如圖1 所示，整個設計主要由3 個部分組成，分別為輸入部分、單片機與輸出部分。其中輸入部分由按鍵電路構成，主要實現(xiàn)對凈化器的模式和時間進行選擇與設置；單片機是整個設計的運算處理中心；輸出部分為各個負載的控制電路，主要實現(xiàn)負離子、風扇、紫外線和聲光的控制功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件框架如圖2 所示，主要包括按鍵電路、單片機最小系統(tǒng)、負離子控制電路、紫外線控制電路、風扇控制電路、聲光控制電路和電源電路。

2.1 單片機最小系統(tǒng)

本設計采用的單片機為STC89C52 單片機，擁有1 個8 位中央處理器、32 個輸入輸出端口和2 個16 位定時器，完全能夠滿足需求。單片機最小系統(tǒng)主要由主控單片機、時鐘晶振電路和復位電路組成，其中，時鐘晶振電路可以為主控單片機程序提供時鐘脈沖；復位電路可以保障單片機正確、穩(wěn)定地運行，從而確保指令得到有效執(zhí)行。

2.2 負離子控制電路

負離子是帶有一個或多個負電荷的粒子，其可以與空氣中帶有正電荷的顆粒污染物相結合并沉淀，從而達到凈化空氣的效果。本設計使用的負離子發(fā)生器如圖3a 所示，其為一種碳刷負離子發(fā)生器，采用電暈放電法生產負離子，供電電壓為12 V直流電，控制電路如圖3b 所示。圖中GND 為電線接地端，代表地線。由于雙柵場效應管能承受較大的瞬時電壓和電流，因此使用其作為控制電路的開關；電路中的二極管和電容主要起到保護作用。

2.3 紫外線控制電路和風扇控制電路

紫外線控制電路和風扇控制電路采用的電路結構與負離子控制電路采用的電路結構類似，不同點是紫外線控制電路和風扇控制電路驅動電壓采用的是5 V 直流電。紫外線控制電路采用并聯(lián)的方式連接紫外線燈，使其能夠獨立安裝到指定位置，方便對整個空間進行消毒殺菌。風扇控制電路則可以通過程序調節(jié)其風速大小。

2.4 按鍵電路和聲光控制電路

按鍵電路采用共地方式，主要實現(xiàn)啟停控制、模式選擇和時間設置的功能。時間設置主要通過使用兩個按鍵實現(xiàn)時間的增減。模式設置分為單負離子模式、單紫外線模式、單風模式和它們間的組合模式。聲光控制電路用于實現(xiàn)對聲光的控制功能。

2.5 電源電路

電源電路需要考慮整個裝置的電壓與負載所需要的電流。由于設計中并聯(lián)的紫外線燈和風扇的驅動需要較大的電流，所以，本設計采用LM2596 電源驅動芯片，電源電路如圖4 所示，電路的供電電壓為12 V 直流電，電流可以達到3 A，完全能夠滿足需求。電源電路中，輸出電壓可以進行調節(jié)，由于本設計中需要的供電電壓和多數(shù)負載的驅動電壓為5 V，所以將其調節(jié)為5 V。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要由主程序、模式選擇子程序與時間設置子程序組成。主程序用于實現(xiàn)凈化器的整體邏輯功能，包括模式選擇子程序與時間設置子程序的調用、各個負載的驅動等。模式選擇子程序用于實現(xiàn)使用者對模式的選擇與確定功能；時間設置子程序用于實現(xiàn)使用者對各個模式運行時間的設置和確定。

3.1 主程序

主程序流程如圖5 所示，程序開始后首先進行初始化，隨后進入while 循環(huán)。在while 循環(huán)中，首先調用模式選擇子程序，用于確定使用者想要的模式。其次調用時間設置子程序，用于確定當前模式的運行時間。模式和時間都完成確定后，驅動相應負載，執(zhí)行凈化指令，等待凈化時間到達，停止驅動負載。

3.2 模式選擇子程序

模式選擇子程序流程如圖6 所示，程序開始后，判斷對應的模式按鍵是否被按下，確認模式按鍵按下后，則使模式變量自加1，同時開啟計時，若在10 s 內沒有按鍵按下，則判斷為模式確認；如果在10 s 內有按鍵按下，則使模式變量自加1，并繼續(xù)重新開啟計時。

3.3 時間設置子程序

時間設置子程序流程如圖7 所示，其過程與上述的模式選擇子程序類似。程序開始后，判斷時間設置按鍵是否按下，其中時間設置按鍵包括加按鍵和減按鍵。確認時間設置按鍵按下后，則使時間變量自加1 或減1，同時開啟計時，若在10 s 內沒有按鍵按下，則判斷為時間確認；如果在10 s 內有按鍵按下，則使時間變量自加1 或減1，并重新開啟計時。

4 性能測試

本設計在完成電路設計和程序調試后，開始進行性能測試，測試效果如圖8 所示。使用彌漫大量煙霧的密封空間進行凈化測試，可以觀測到所有功能都能正常運行。其中碳刷負離子發(fā)生器的碳刷輸出端發(fā)射出負離子，在經(jīng)過一段時間后發(fā)現(xiàn)煙霧濃度有較明顯的降低。由此可知，此裝置能夠對人體經(jīng)常接觸的生活用品實現(xiàn)較好的凈化和消毒效果。

5 結論

本文設計了一種簡易負離子凈化器，其主要是針對與人體接觸較多的生活用品，對其放置的空間和其本身進行凈化消毒。整個裝置采用單片機進行控制，可以實現(xiàn)風扇送風、負離子凈化和紫外線照射的多重凈化殺菌效果。由測試結果可知，整個裝置功能正常，測試效果較好，具有較高的實用價值，值得推廣。