一種PM2.5智能組合凈化器的設(shè)計

南京工程學(xué)院自動化學(xué)院, 江蘇南京 211167

一、引言

空氣潔凈問題正日益受到大家的關(guān)注，低能見度霧霾天氣嚴(yán)重影響人們的日常工作與生活，其中的主要污染物為可入肺顆粒物PM2.5。目前，市場上已有多款空氣凈化器，如機械過濾凈化器[1-2]、光催化空氣凈化器[3]、負(fù)氧離子空氣凈化器[4-5]、靜電式凈化器[6-8]、新型纖維凈化器等[9-10]，他們或采用物理方法或采用化學(xué)方法將污染物捕集或分解，但其單一的凈化形式往往存在著凈化率低或易產(chǎn)生其他污染物的弊端[9-11]，同時價格和耗能問題也成為制約大眾購買的重要因素，設(shè)計出新一代凈化率高、耗能量低且價格實惠的空氣凈化器非常必要。

本文以現(xiàn)有PM2.5凈化方式存在的問題為著眼點，研究了PM2.5的檢測和凈化處理方式，并設(shè)計了一種智能凈化控制系統(tǒng)。通過靜電集塵凈化室內(nèi)的較大顆粒、高效空氣過濾器（HEPA）阻隔小顆粒，以期設(shè)計出一個凈化率高、耗能低、成本低的PM2.5凈化器。

二、PM2.5簡述

PM2.5又稱細(xì)顆粒物，是指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5μm的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響[12-15]。

PM2.5的化學(xué)成分主要分為三大類：一是可溶性粒子，包括：F-, Cl-, 5042-, Br, NH4+, Na+, K+等；二是無機元素，包括一些自然塵、金屬元素等；三是含碳物質(zhì)，包括有機碳OC、元素碳EC和多環(huán)芳香烴等。從化學(xué)角度看，可溶性粒子、無機元素、含碳物質(zhì)均不易被收集，目前缺少一種可以同時消除所有這些成分的化學(xué)方法。因此物理方法更有效。市面上的空氣凈化器也大多使用物理方法收集PM2.5的各種成分，其主要從過濾、吸附角度出發(fā)進(jìn)行處理。我們采用的為物理方法，包括靜電集塵與高效空氣過濾器（HEPA）吸附方法等，通過多種物理方法結(jié)合提升凈化效率。

三、PM2.5凈化器工作系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的PM2.5凈化器工作系統(tǒng)由空氣流通模塊、APM數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)分析處理與顯示模塊、驅(qū)動模塊和PM2.5凈化模塊5部分構(gòu)成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1、空氣流通模塊與APM數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊

空氣流通模塊由風(fēng)機輔助進(jìn)行，風(fēng)機使用24V直流電電源，通過驅(qū)動模塊連接控制開啟，使用兩個風(fēng)機，負(fù)責(zé)吸進(jìn)空氣進(jìn)入進(jìn)風(fēng)口，在氣溶膠粒子監(jiān)測器（APM）檢測空氣中灰塵濃度時提高流通度提高APM數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)可靠性。APM數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊以氣溶膠粒子監(jiān)測器（APM）為核心檢測當(dāng)前空氣中微塵濃度，并將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)分析處理與顯示模塊。在凈化功能開啟后，風(fēng)機還具備調(diào)整工作模式以影響凈化速度和能耗的作用。

2、數(shù)據(jù)分析處理與顯示模塊

該模塊承擔(dān)對APM數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理以及顯示的功能。該模塊由硬件與軟件兩部分組成。硬件包括單片機、傳感器、鍵盤和LCD顯示器。傳感器實時采集PM2.5濃度參量數(shù)據(jù)，單片機對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并驅(qū)動鍵盤和LCD顯示器，為用戶提供可視化操作。數(shù)據(jù)分析符合設(shè)定條件時，自動開啟驅(qū)動模塊，凈化裝置開始工作，將空氣中的微塵通過PM2.5凈化模塊進(jìn)行凈化。軟件系統(tǒng)判斷當(dāng)前微塵濃度是否符合吸塵器開啟條件以及對應(yīng)的開啟模式，而當(dāng)前的空氣濃度等級（分為良好、一般、嚴(yán)重）則有LCD顯示器同時顯示出來。

（1）硬件電路組成

硬件電路是以AT89S52單片機為核心的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，主要包含電源、單片機和LCD顯示器3部分。

① 電源：硬件電路的供電電壓為12V。電源模塊電路圖如圖2所示。

② 單片機：單片機是本電路系統(tǒng)的核心。選用AT89S52，它對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過電路傳輸處理，同時驅(qū)動鍵盤和LCD顯示器實現(xiàn)與用戶的交互。如圖3所示。

③ LCD顯示器：LCD實時顯示當(dāng)前PM2.5濃度參量數(shù)據(jù)，其內(nèi)容有漢字和數(shù)字，其漢字為16×16點陣，數(shù)字為8×16點陣。本電路用的是LCD的串口接法，串口接法只需4根線就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。LCD顯示器模塊電路圖如圖4所示。

（2）單片機軟件模塊

采用C語言進(jìn)行編程，通過Keil編譯器編譯生成二進(jìn)制文件，通過串口將程序固化到AT89S52中。程序按照凈化原理來設(shè)計，APM凈化器的檢測工作和電機及靜電箱的工作均以此來選擇，系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

系統(tǒng)通過電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，邏輯“1”電平是高電平，邏輯“0”電平是低電平，使通信雙方的電平匹配。并傳輸數(shù)據(jù)到單片機進(jìn)行分析處理，同時顯示于LED顯示屏，供直觀查看當(dāng)前工作狀態(tài)和空氣污染等級。

在此設(shè)計中，APM傳遞當(dāng)前空氣污染物濃度數(shù)據(jù)，電源接通后約1min，APM傳感器開始穩(wěn)定工作，通過不同工作狀態(tài)下的不同輸出電壓：低電平（有粒子時）0.7V（最大1.0V），高電平（潔凈空氣時）4.5V（最小4.0V）來檢測粒子濃度。傳感器的最小粒子檢出能力滿足PM2.5要求。同時根據(jù)濃度顯示出空氣質(zhì)量等級?？諝赓|(zhì)量等級參數(shù)范圍表如表1所示。

表1 空氣質(zhì)量等級參數(shù)范圍表

單片機的主要功能為智能開啟和模式調(diào)節(jié)，將APM傳遞的數(shù)據(jù)處理后作為判斷開啟和開啟模式的判斷條件，控制電機和靜電箱的開啟來完成目標(biāo)。功能設(shè)計如表2所示。

表2 模式開啟狀態(tài)表

3、PM2.5凈化模塊

PM2.5凈化模塊采用物理凈化方法，市面上的有效方法主要為靜電集塵與高效空氣過濾器（HEPA）吸附。靜電集塵的原理是采用在電暈極與集塵極之間加上一定值的高壓直流電壓，通過讓兩個電極之間產(chǎn)生電位差非常不均勻的電場來使不能導(dǎo)電的氣體及顆粒物獲得能量生成很多的正離子和自由電子，而正離子在電場力的作用下向集塵極運動從而得到凈化。

HEPA過濾器主要采用機械原理，即通過風(fēng)機，將空氣通過若干層濾網(wǎng)，顆粒物在通過濾網(wǎng)時，受到的氣流干擾撞到某一根纖維上，從而被吸附住，以此通過吸附過濾掉其中的顆粒物。

靜電集塵和HEPA兩種吸附方式均有不足，靜電集塵不易于吸附大顆粒粒子（因其偏轉(zhuǎn)軌跡較長易超出靜電板范圍），HEPA不易于吸附小顆粒粒子（可通過網(wǎng)內(nèi)縫隙），因而單一過濾模式不適用所有顆粒。

本文采用靜電集塵和HEPA過濾器的組合模式實現(xiàn)空氣凈化，使大顆粒粒子主要被HEPA吸附，而小顆粒被靜電板所吸引聚集，同時通過靜電集塵增加電性加強吸附作用。

四、實驗與結(jié)果分析

本文研制的PM2.5智能凈化器如圖6所示。采用該裝置和現(xiàn)有的空氣質(zhì)量檢測器進(jìn)行對比實驗。

1、實驗條件

實驗采用空氣質(zhì)量檢測器作為主要數(shù)據(jù)檢測器件，試驗期間主要檢測的內(nèi)容：

（1）檢測當(dāng)前空氣質(zhì)量等級與凈化器顯示數(shù)據(jù)做對比；

（2）檢測空氣質(zhì)量等級改變時間；

（3）完成一個凈化周期所耗電量。

實驗采用多次實驗取平均值的方法處理出最后數(shù)據(jù)，實驗在一個固定體積的透明密閉容器（約1m3），容器中間放置本文所設(shè)計的凈化裝置和空氣質(zhì)量檢測器，容器內(nèi)部放有定量粉筆粉末，容器角落對角放置有兩臺小型風(fēng)扇對粉末進(jìn)行揚起工作。

縫完了，那人給她一元票，可是不把票子放到她的手里，把票子摔到床底，讓她彎腰去取，又當(dāng)她取得票子時奪過來讓她再取一次。

2、實驗過程

采用本文提出的PM2.5智能凈化器進(jìn)行空氣凈化實驗，步驟如下：

（1）裝置放置到位，通足量潔凈空氣，將空間密閉，點燃一支香煙，兩臺小風(fēng)扇開啟5min，使煙塵均勻分布，實驗過程中風(fēng)扇不關(guān)閉；

（2）打開空氣質(zhì)量檢測器和PM2.5空氣凈化器，計時，分別記錄兩臺機器空氣質(zhì)量等級與質(zhì)量等級改變時間并做對比；

（3）觀察PM2.5空氣凈化器工作模式是否改變，把記錄下改變時顯示器顯示的空氣質(zhì)量等級；

（4）PM2.5空氣凈化器停止工作周期后記錄該周期所耗電量，查找數(shù)據(jù)與同類產(chǎn)品比較。

3、實驗結(jié)果

1m3空氣凈化實驗結(jié)果如表3所示。

表3 1m3空氣凈化對比實驗結(jié)果

從表3的對比實驗結(jié)果可以看出：

（1）空氣質(zhì)量檢測器和PM2.5空氣凈化器顯示對比：二者顯示當(dāng)前空氣質(zhì)量等級一致，且PM2.5空氣凈化器顯示空氣質(zhì)量等級改變與空氣質(zhì)量檢測器時間基本一致；

（2）PM2.5空氣凈化器工作模式能根據(jù)當(dāng)前空氣質(zhì)量等級智能改變；

（3）耗電量與同類產(chǎn)品比較結(jié)果：一個凈化周期的時間內(nèi)所耗電量低于計算出的市面上同類產(chǎn)品相同時間耗電量；

（4）PM2.5空氣凈化器凈化后達(dá)到要求，也即凈化效果有效。

五、結(jié)論

通過實驗證明了本文提出的PM2.5凈化器的有效性和節(jié)能性。

（1）PM2.5空氣凈化器傳感器可相對準(zhǔn)確檢測空氣污染物，放置時需保持通風(fēng)性；

（2）系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能有效凈化空氣中的污染灰塵，在工作過程中能智能改變工作模式；

（3）凈化周期耗電量低于同類產(chǎn)品。