空氣濾毒凈化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

武昌工學(xué)院 舒 暢

空氣濾毒凈化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于人員密集、空間封閉、空氣不流通的密閉環(huán)境中的一種空氣凈化防護(hù)裝置，如使用在作戰(zhàn)方艙、潛艇和特種醫(yī)療方艙中。此研究是為了改進(jìn)和優(yōu)化現(xiàn)有濾毒凈化系統(tǒng)，系統(tǒng)采用傳感器感應(yīng)采集周圍空氣中主要成分?jǐn)?shù)據(jù)含量，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)系統(tǒng)分析、顯示、反饋，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低噪聲，提高濾毒凈化系統(tǒng)的工作效率，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)、節(jié)能環(huán)保、保護(hù)工作人員安全等目的。

系統(tǒng)主要功能是通過(guò)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)過(guò)濾凈化密閉環(huán)境中有毒有害氣體，把純凈的空氣送入艙室，使內(nèi)部形成超壓，阻止有毒有害空氣進(jìn)入，形成良好的工作環(huán)境?，F(xiàn)有的濾毒風(fēng)機(jī)系統(tǒng)裝置在工作過(guò)程中，基本處于風(fēng)機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，沒(méi)有傳感器采集設(shè)備，無(wú)顯示器顯示空氣成分含量和提示信息，有些裝置濾芯過(guò)濾材料單一，不能很好地過(guò)濾有毒氣體成分，發(fā)揮不了作用。為此，對(duì)濾毒凈化系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，采用多種傳感器感應(yīng)采集室內(nèi)和室外空氣中主要大項(xiàng)成分指標(biāo)，分析和實(shí)時(shí)顯示在設(shè)備顯示屏上，同時(shí)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析，分析結(jié)果反饋到顯示屏提示和報(bào)警，操作者可以根據(jù)提示操作，如提示更換濾芯過(guò)濾材料。系統(tǒng)還能自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，提高濾毒凈化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工作效率。

1 系統(tǒng)原理

空氣濾毒凈化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由離心式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)組成。離心式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)機(jī)械部分和過(guò)濾材料等組成，主要含濾毒濾塵器、離心式風(fēng)機(jī)裝置、阻隔閥門、風(fēng)道、內(nèi)外傳感器等。數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)等組成。

空氣濾毒凈化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要應(yīng)用于一些工作在空氣污染環(huán)境下的密閉艙室里，給工作于密閉艙室人員提供免遭有毒有害氣體侵蝕的清潔的呼吸空氣，一般配置于作戰(zhàn)方艙、潛艇和特種醫(yī)療方艙等場(chǎng)合。當(dāng)周圍空氣遭受有毒有害氣體污染時(shí)，此系統(tǒng)啟動(dòng)，通過(guò)傳感器感應(yīng)周邊氣體成分，實(shí)時(shí)顯示空氣指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)艙外流入艙內(nèi)的有毒有害空氣進(jìn)行過(guò)濾凈化，根據(jù)受污染程度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)通風(fēng)量，并且在艙內(nèi)保持一定的超壓，阻隔閥門關(guān)閉。

空氣濾毒凈化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包含離心式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、有線/無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

離心式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)機(jī)械部分和過(guò)濾材料等組成，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)包括控制傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，算法分析和處理，數(shù)據(jù)生成和顯示等。

系統(tǒng)采用各種傳感器實(shí)時(shí)采集艙內(nèi)和艙外空氣成分指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)有線/無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)分析計(jì)算，將結(jié)果報(bào)警提示和空氣成分送顯示器顯示，同時(shí)將控制信號(hào)反饋到風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和開啟阻隔閥門等。

2 工程設(shè)計(jì)

空氣濾毒凈化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要通過(guò)離心式風(fēng)氣系統(tǒng)中各種傳感器采集艙內(nèi)外空氣成分含量指標(biāo)，傳輸給單片機(jī)分析計(jì)算。將結(jié)果通過(guò)顯示屏顯示空氣成分參數(shù)值（如果某成分超標(biāo)，啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)），同時(shí)將控制信號(hào)反饋到離心式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，控制自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和隔斷閥門，調(diào)節(jié)通風(fēng)量。組成系統(tǒng)的硬件主要有：濾毒濾塵器、離心式風(fēng)機(jī)裝置、阻隔閥門、風(fēng)道、內(nèi)外傳感器、單片機(jī)、報(bào)警裝置和顯示屏等。系統(tǒng)控制軟件使用C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，分析傳感器采集到的空氣成分?jǐn)?shù)據(jù)，算法計(jì)算，數(shù)據(jù)反饋，數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警提示等。

2.1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用“硬件+軟件”的設(shè)計(jì)思想，以模塊化搭建開發(fā)為基礎(chǔ)，逐步完成各功能來(lái)擴(kuò)展式組建系統(tǒng)。

系統(tǒng)各設(shè)備連接接口靈活，這樣使本系統(tǒng)可以適用于不同的工作場(chǎng)合，移植性、擴(kuò)展性、可剪裁強(qiáng)，提高了系統(tǒng)的快速集成性和工作效率。

系統(tǒng)接口按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在硬件尺寸上、軟件編程上統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這樣方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展，也利于第三方研制軟件的接入。

2.2 技術(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 離心式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

（1）過(guò)濾材料的選擇

根據(jù)裝置使用環(huán)境條件的不同，系統(tǒng)備選了多款過(guò)濾材料，這些過(guò)濾材料選用市場(chǎng)上成熟的有毒有害氣體吸附材質(zhì)，便于更換，降低成本。

（2）離心式風(fēng)機(jī)裝置的選用

離心式風(fēng)機(jī)裝置選用低噪音、低成本的空壓機(jī)，在系統(tǒng)使用過(guò)程中的作用主要是實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外空氣的流通送壓和過(guò)濾處理。

（3）濾毒濾塵器的選用

濾毒凈化系統(tǒng)的濾毒濾塵器主要有一個(gè)氣水分離器和三個(gè)濾毒濾塵過(guò)濾器。在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，不同過(guò)濾器具有對(duì)不同有毒有害氣體成分的過(guò)濾效果。

（4）阻隔閥門的選用

阻隔閥門選用氣密性好的電磁閥或手動(dòng)球閥，閥門的閥體一般采用金屬材質(zhì)，保證閥門在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)是基于STC89C52單片機(jī)和傳感器相結(jié)合的智能信息處理、顯示和報(bào)警系統(tǒng)，主要包括以下幾個(gè)模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)連接圖

（1）微控制器模塊。STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)處理和控制模塊，處理整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集信息和輸入與輸出信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)其他模塊進(jìn)行控制，并完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和發(fā)送等功能。

（2）電源模塊。電源模塊為報(bào)警系統(tǒng)提供基本工作電壓。

（3）傳感器模塊。傳感器模塊主要包括檢測(cè)空氣成分含量的主要傳感器，含溫濕度傳感器、煙霧傳感器、聲光傳感器、有毒氣體成分傳感器等。用于采集艙內(nèi)外空氣中的主要成分項(xiàng)指標(biāo)，重點(diǎn)采集有毒有害氣體含量指標(biāo)。

（4）顯示模塊。顯示模塊采用LCD1602，它可以清晰直觀的顯示氣體成分、煙霧濃度和報(bào)警閾值等信息。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到超出警報(bào)閥值信號(hào)時(shí)，單片機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送至液晶屏使之顯示相應(yīng)結(jié)果，同時(shí)激活報(bào)警裝置。

（5）聲光報(bào)警模塊。聲光報(bào)警模塊由有源蜂鳴器和LED燈構(gòu)成，紅黃藍(lán)綠4盞燈分別代表有毒報(bào)警燈、火焰報(bào)警燈、溫度報(bào)警燈和煙霧報(bào)警燈，哪項(xiàng)元素檢測(cè)超標(biāo)，就對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮哪盞，并且蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

（6）鍵盤模塊。按鍵模塊采用6個(gè)機(jī)械按鍵作為操作輸入設(shè)備，其主要功能包括以下四方面：一是用來(lái)控制系統(tǒng)的狀態(tài)（開和關(guān)）；二是用來(lái)設(shè)置報(bào)警閾值的大?。蝗悄軌蜻M(jìn)行復(fù)位操作；四是可以進(jìn)行手動(dòng)報(bào)警，在緊急情況下能第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)并引起周圍人的注意，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的實(shí)用性和實(shí)時(shí)性。

2.2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中單片機(jī)分析的依據(jù)是傳感器采集的空氣成分?jǐn)?shù)值。在一般的空氣成分中，重點(diǎn)考慮的是有毒有害氣體成分，不同的工作環(huán)境，有毒有害氣體不同，算法需要做部分調(diào)整。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型算法采用模糊控制理論，由于系統(tǒng)需要考慮的空氣成分指標(biāo)因素多而雜，無(wú)法精確確定控制函數(shù)，所以本系統(tǒng)運(yùn)用模糊控制理論來(lái)建立數(shù)據(jù)模型算法，而不是建立精確的數(shù)學(xué)模型，這樣易于進(jìn)行控制；模糊控制是一種非線性控制，抗外部干擾性能好，算法響應(yīng)速度快，對(duì)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。

常見的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)模型算法一般根據(jù)采集的空氣中主要污染物、有毒有害氣體來(lái)計(jì)算分析，如一氧化碳、一氧化氮、硫化氫、二氧化硫、氯氣、甲醛、化學(xué)毒氣、氰化氫、芥子氣、路易斯毒氣、維克斯毒氣、沙林和畢茲毒氣等。

計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)（IAQI），全面考慮主要污染物、有毒有害氣體的空氣質(zhì)量分指數(shù)和質(zhì)量濃度值，按照算法計(jì)算后比較。特例：探測(cè)到空氣中的生化物指標(biāo)時(shí)，立即報(bào)警。

（2）程序設(shè)計(jì)

在單片機(jī)運(yùn)行語(yǔ)言開發(fā)實(shí)踐中，C語(yǔ)言是普適性最高的一種編輯語(yǔ)言。它不僅可移植性強(qiáng)，兼容于大多操作系統(tǒng)環(huán)境，而且還結(jié)合了匯編語(yǔ)言與其他高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，在編寫單片機(jī)程序時(shí)，層次清晰、邏輯性強(qiáng)、可讀性高，本文選用C語(yǔ)言作為編輯語(yǔ)言。

系統(tǒng)首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化和報(bào)警值的初始化。待全部初始化完成之后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入一次循環(huán)處理過(guò)程：首先讀取艙內(nèi)外數(shù)據(jù)采集傳感器檢測(cè)到的空氣成分值，并依次在顯示屏上滾動(dòng)顯示出來(lái)。然后再將接收到的信號(hào)與最初設(shè)定的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，判斷是否大于閾值，以及是否有有毒有害氣體產(chǎn)生，當(dāng)發(fā)生其中一種情況，則點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的警示燈，并啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警，另外若檢測(cè)到手動(dòng)報(bào)警信號(hào)也會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警。最后就是判斷設(shè)置按鍵是否被按下，是的話則調(diào)整報(bào)警值的大小，否則繼續(xù)開始新的一輪檢測(cè)、顯示、判斷。

結(jié)束語(yǔ)：基于改進(jìn)和優(yōu)化的濾毒凈化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的恒定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和凈化裝置，尤其是對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)無(wú)采集周圍空氣環(huán)境數(shù)據(jù)，無(wú)單片機(jī)計(jì)算分析數(shù)據(jù)和反饋控制系統(tǒng)。通過(guò)本文的研究，可以解決現(xiàn)有濾毒通風(fēng)系統(tǒng)在不同應(yīng)用環(huán)境下的應(yīng)用，尤其適合有毒有害氣體環(huán)境下的應(yīng)用。通過(guò)艙內(nèi)外傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，通過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)模型算法對(duì)數(shù)據(jù)處理和分析，實(shí)時(shí)顯示和反饋，以此調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，使用效率和智能應(yīng)用上有很大的改進(jìn)。

設(shè)計(jì)的空氣濾毒凈化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)還需要在特定情形下測(cè)試和調(diào)試，以達(dá)到適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。在未來(lái)將與相關(guān)廠家和研究所達(dá)成合作試驗(yàn)和優(yōu)化研究，研制的樣機(jī)在特定環(huán)境下進(jìn)行試用，比如在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境、復(fù)雜醫(yī)學(xué)環(huán)境下測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和各項(xiàng)性能指標(biāo)，以期達(dá)到性能優(yōu)良的目的。