戶外空氣除霾裝置的設(shè)計(jì)*

陸 葉，黃錦泉

（1.茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息系，廣東茂名 525000；2．深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)霧霾天氣時(shí)有發(fā)生，各地區(qū)陷入嚴(yán)重空氣污染環(huán)境中，當(dāng)霧霾天氣出現(xiàn)時(shí)，空氣中含有大量可吸入顆粒物、二氧化硫等有毒有害氣體，人吸入受污染的空氣，顆粒物會(huì)粘附在呼吸道，造成呼吸系統(tǒng)等多種疾病，給身體健康帶來(lái)嚴(yán)重危害。同時(shí)，空氣能見(jiàn)度降低，空氣質(zhì)量差，阻礙交通出行，還影響了生態(tài)環(huán)境。因此，節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，且能適應(yīng)戶外基礎(chǔ)設(shè)施的霧霾凈化裝置的研究顯得尤為迫切。

國(guó)內(nèi)對(duì)于霧霾問(wèn)題的處理技術(shù)研究起步較晚，目前主要集中在室內(nèi)空氣凈化方面，產(chǎn)品種類繁多，價(jià)格昂貴、需要用電、清洗費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易產(chǎn)生臭氧，形成二次污染。對(duì)于戶外空氣中的霧霾處理主要采用水霧處理、各種化學(xué)藥劑吸附、多重裝置過(guò)濾等方法［1－3］，存在設(shè)備體積大、除霾效率低等問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，劉波等［4］研制出新型教室除霾器，劉桂麗等［5］研究基于城市道路設(shè)施的霧、霾凈化技術(shù)。而國(guó)外有著相對(duì)成熟的除霾技術(shù)，如荷蘭設(shè)計(jì)師羅斯加德［6］設(shè)計(jì)了利用風(fēng)能和電離技術(shù)來(lái)凈化空氣的霧霾凈化塔，歐美等國(guó)家利用水炮來(lái)去除空氣中的霧霾［7］等。但是這些方法成本高，難以在中小城市推廣應(yīng)用。因此，本文利用靜電吸附霧霾的原理［8］，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了戶外空氣除霾裝置。首先進(jìn)行戶外空氣除霾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模，其次，對(duì)戶外空氣除霾裝置的系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的軟件程序。

1 除霾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

戶外空氣除霾裝置是利用靜電發(fā)生器產(chǎn)生高壓直流電場(chǎng)，通過(guò)巧妙設(shè)置進(jìn)出風(fēng)口，吸入霧霾空氣，當(dāng)空氣進(jìn)入戶外空氣除霾裝置時(shí)，空氣被電離，形成電場(chǎng)，當(dāng)電壓達(dá)到高強(qiáng)時(shí)，可瞬間殺滅細(xì)菌。與此同時(shí)空氣流過(guò)高壓網(wǎng)，空氣中的微小顆粒會(huì)帶上正電荷，繼而流過(guò)吸附層時(shí)，會(huì)被帶負(fù)電荷的吸附層吸引，粘附在吸附層上。經(jīng)過(guò)靜電電離后的空氣，會(huì)產(chǎn)生臭氧，為此設(shè)置了濾氣層，過(guò)濾有毒有害氣體，最終排出凈化后的新鮮空氣。

為方便懸掛于路燈燈柱或戶外建筑物上，除霾裝置外觀設(shè)計(jì)為方形箱體，箱體后側(cè)用雙卡扣固定，穩(wěn)定可靠。箱體有門可以向右側(cè)打開(kāi)，便于觀察與更換清洗濾網(wǎng)等。整機(jī)的吸氣方式利用負(fù)壓原理，當(dāng)出風(fēng)口的渦輪風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，箱內(nèi)氣體被排出箱外，造成內(nèi)部氣壓比外部氣壓低，故大氣壓強(qiáng)把外部氣體壓進(jìn)箱內(nèi)。進(jìn)出風(fēng)口分別設(shè)計(jì)在箱體左右兩側(cè)，為了防水，進(jìn)出風(fēng)口設(shè)計(jì)均為內(nèi)凹式的結(jié)構(gòu)，且加裝一層不銹鋼的防蟲濾霧網(wǎng)。箱內(nèi)中間處有隔板分開(kāi)，箱內(nèi)左邊是靜電吸附部分，右邊是空氣過(guò)濾部分，底部是抽拉式顆粒物收集盒，底部?jī)蓚?cè)可放置靜電發(fā)生器、控制器和電池等控制元件。

1.2 濾霧網(wǎng)

進(jìn)風(fēng)口后方設(shè)有濾霧網(wǎng)，進(jìn)一步減少水分進(jìn)入。濾霧網(wǎng)采用PP聚丙烯材料制成，優(yōu)點(diǎn)是成本低、無(wú)毒、無(wú)味、耐腐蝕、吸水率極低，只有0.1%左右。濾霧網(wǎng)成90°垂直放置，吸附的霧水通過(guò)設(shè)置在進(jìn)氣口下方的出水口排出。

1.3 高壓網(wǎng)與靜電吸附層

高壓網(wǎng)與吸附層為除霾裝置的關(guān)鍵所在，因空氣中可能含有腐蝕性氣體和物質(zhì)，故考慮使用耐腐蝕的不銹鋼。與其他不銹鋼材料相比，SU316L的高溫強(qiáng)度、耐蝕性等參數(shù)較適合，因此選擇為SU316L不銹鋼網(wǎng)為高壓網(wǎng)材料，SU316L不銹鋼片做吸附層材料。

1.4 濾氣層

由于高壓吸附層只能吸收固體顆粒物，不能凈化空氣中的有毒有害氣體，所以在空氣流過(guò)高壓吸附層后添加2層密度不同的濾氣層，濾氣層采用納米礦晶材料，優(yōu)點(diǎn)是吸附能力強(qiáng)，比活性炭性能更高，使用時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)吸附達(dá)到飽和時(shí)還可通過(guò)簡(jiǎn)單處理使其脫附再生，循環(huán)利用。

1.5 自動(dòng)刮塵器

由于除霾裝置放置于室外，當(dāng)吸附層吸附到一定量的顆粒物時(shí)，空氣流量與吸附率會(huì)大受影響?？紤]維護(hù)清洗困難，故在吸附層上面設(shè)置自動(dòng)刮塵器，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)。該裝置由光軸、滑塊、絲桿、螺母座、電機(jī)、減速箱、刮塵片、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等組成。由于內(nèi)部環(huán)境為多灰塵環(huán)境，光軸與絲桿在此環(huán)境下容易老化生銹，故在管外套裝塑料伸縮管進(jìn)行防護(hù)，內(nèi)部適當(dāng)添加潤(rùn)滑油，使塑料伸縮管不易磨損破損。光軸固定在吸附層下方，絲桿固定在吸附層的上方，光軸與滑塊配合、絲桿與螺母座配合，螺母座與滑塊均固定在支撐板上，確保同步，刮塵片與滑塊相連，并與吸附層直接接觸。電機(jī)減速后帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刮塵片左右移動(dòng)達(dá)到刮除灰塵的目的。刮下來(lái)的塵土由一個(gè)特制的內(nèi)錐形容器收集，確保掉下來(lái)的灰塵不會(huì)溢出到吸附層，同時(shí)也方便日后清理收集。

設(shè)計(jì)的戶外空氣除霾裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和外觀圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 除霾裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 除霾裝置外觀圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 靜電發(fā)生器

靜電發(fā)生器為整個(gè)除霾裝置的核心部件之一，其對(duì)輸出高電壓、輸出高電流的要求不大，故選擇12 V驅(qū)動(dòng)由NE555震蕩逆變電路、MOS管控制開(kāi)關(guān)電路、光耦過(guò)流反饋電路等構(gòu)成的電路方案，其設(shè)計(jì)為高頻脈沖式，能輸出約20 kV左右的高壓，功率約為10 W，具有效率較高、成本低、保護(hù)完善的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能滿足吸附霧霾中含有的灰塵顆粒要求。

設(shè)計(jì)的靜電發(fā)生器電路圖如圖3所示，C2、C3、C5、U1、R3、R4、R5、Q2、T1、R7、高壓網(wǎng)與吸附層組成了靜電發(fā)射器的主電路。U1為NE555時(shí)基芯片，NE555與R3、R4、C5組成無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，振蕩頻率F＝1.44／（R1＋2R2）C2，圖中所示參數(shù)的頻率約為20 kHz。經(jīng)升壓變壓器T1升壓后輸出高壓，R7為高壓正極的限流電阻。R2、Q1構(gòu)成一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，R2為下拉電阻，當(dāng)單片機(jī)的I／O1輸入高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，反則關(guān)閉；C1、R1、U2、C4、R6構(gòu)成一個(gè)過(guò)流反饋電路，C1、C4為緩沖電容，R1為采樣電阻，R6為下拉電阻，當(dāng)工作電流過(guò)大時(shí)，采用電阻兩端電壓上升，光耦導(dǎo)通，F(xiàn)B輸出高電平，此時(shí)單片機(jī)接收到過(guò)流信號(hào)，切斷I／O1口輸出，防止靜電發(fā)生器燒毀，并發(fā)送錯(cuò)誤數(shù)據(jù)到通訊模塊。

圖3 高壓靜電發(fā)生器電路圖

2.2 自動(dòng)刮塵器的驅(qū)動(dòng)電路

自動(dòng)刮塵器選用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由電機(jī)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)（限位器）、H橋驅(qū)動(dòng)電路、反饋電路、短路保護(hù)電路、過(guò)溫保護(hù)電路構(gòu)成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖4所示，當(dāng)電機(jī)短路或工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫度過(guò)高時(shí)，及時(shí)反饋信息給控制系統(tǒng)，使電機(jī)保護(hù)停止工作。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.3 太陽(yáng)能和電力雙供電系統(tǒng)

考慮到該裝置安裝于戶外，可充分利用太陽(yáng)能節(jié)省能源［9］，因此電源系統(tǒng)采用太陽(yáng)能和電力供電雙系統(tǒng)，其中太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由控制器、磷酸鐵鋰電池（組）、逆變器組成?？刂破骺梢詫?duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行控制，以及對(duì)電池的過(guò)充、過(guò)放起到保護(hù)作用。太陽(yáng)能為主能源，通過(guò)太陽(yáng)能電池板收集光能，將其轉(zhuǎn)化為電能，再輸送到磷酸鐵鋰電池（組）中存儲(chǔ)起來(lái)，需要用的時(shí)候再釋放。太陽(yáng)能不能提供電源時(shí)，可與路燈共用供電系統(tǒng)，電網(wǎng)交流電在逆變器作用下轉(zhuǎn)換為直流電為電池充電，為設(shè)備繼續(xù)正常工作提供電源。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該裝置控制系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)，該類型單片機(jī)有8位CPU微控制器，可直接使用串口下載［10］。其價(jià)格低廉，具有低功耗高性能的特點(diǎn)，能很好地滿足控制設(shè)備的工作需求，相比大多數(shù)單片機(jī)，性能更加穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能有：?jiǎn)?dòng)渦輪風(fēng)扇和靜電發(fā)生器，設(shè)置定時(shí)刮下高壓吸附層上面收集的顆粒物，檢測(cè)靜電發(fā)生器和電機(jī)狀態(tài)，控制太陽(yáng)能和電力供電系統(tǒng)等。

程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示，單片機(jī)啟動(dòng)后，先開(kāi)啟靜電發(fā)生器，接著啟動(dòng)渦輪風(fēng)扇，否則返回失敗信息到單片機(jī)處理。檢查風(fēng)扇是否正常，否則返回信息到單片機(jī)。開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)器設(shè)置的時(shí)間到達(dá)指定時(shí)間，則關(guān)閉風(fēng)扇，電機(jī)帶動(dòng)自動(dòng)刮塵器開(kāi)始工作，當(dāng)彈簧鋼片觸碰到左側(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)（限位器），則自動(dòng)換向返回，向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，依次循環(huán)。如果電機(jī)溫度過(guò)高時(shí)則發(fā)出報(bào)警，將電機(jī)關(guān)閉，如果溫度正常，則返回正常信號(hào)給控制系統(tǒng)。

除霾裝置經(jīng)過(guò)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置具有較強(qiáng)吸附力，且小型化、低成本、易于安裝，可安裝在公路、工業(yè)區(qū)、街道、公園、小區(qū)以及城市大型廣場(chǎng)的路燈或者建筑物上，具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

圖5 控制程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了霧霾可以經(jīng)靜電吸附原理，介紹了戶外空氣除霾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在該裝置的基礎(chǔ)上，可通過(guò)進(jìn)一步設(shè)置遠(yuǎn)程遙控、自動(dòng)開(kāi)關(guān)和遠(yuǎn)程探測(cè)器等功能，實(shí)現(xiàn)智能WiFi聯(lián)網(wǎng)控制，整合霧霾監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中處理，開(kāi)展霧霾大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，更好地為霧霾治理服務(wù)。