“天空衛(wèi)士”

徐玲 翟娟 李勇強 張豐怡 張宇

摘? 要：針對大氣污染日益嚴重的問題，文章介紹了一種新型高效環(huán)保的太陽能霧霾凈化裝置，該裝置含有霧霾傳感器、單片機、步進電機、溫濕度傳感器等模塊，利用霧霾傳感器和溫濕度傳感器檢測空氣污染水平，當達到污染程度時凈化器開始工作，經過分層過濾將新鮮空氣傳到大氣中，通過雨水收集系統(tǒng)和自來水輔助裝置提供水源，用水泵噴出高壓水來清洗過濾系統(tǒng)，污水存入廢水儲存箱中用來沖洗居民馬桶。能耗低、效率高，應用前景廣泛。

關鍵詞：霧霾凈化；太陽能；節(jié)能減排；廢水利用

中圖分類號：TP391；X51? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）09-0068-04

Abstract： In view of the increasingly serious problem of air pollution， this paper introduces a new efficient and environmentally friendly solar haze purification device. The device contains haze sensor， Single-Chip Microcomputer， stepper motor， temperature and humidity sensor modules， and uses haze sensor and temperature and humidity sensor to detect the level of air pollution. When the degree of pollution is achieved， the purifier begins to work， and the fresh air is transmitted to the atmosphere through layered filtration， then water is provided through the rainwater collection system and tap water auxiliary device. The high-pressure water is sprayed by the water pump to clean the filtration system. The sewage is stored in the waste water storage tank and used to flush residential toilets. It has low energy consumption， high efficiency， and broad application prospects.

Keywords： haze purification; solar energy; energy conservation and emission reduction; waste water utilization

0? 引? 言

隨著當今社會經濟的迅猛發(fā)展和城市化進程的加速，大氣復合污染[1]在我們國家中東部情況不容樂觀，我國許多城市的大氣環(huán)境質量要比國家標準水平高，灰塵、重金屬、二氧化硫和一些細小的顆粒物是霧霾的主要組成部分，近地層的紫外線電磁輻射的大小會因為霧霾而變小，生活空間的病菌活性增強，活性增強則導致流行病增多，對人體健康產生極其大的威脅。

據統(tǒng)計，我國有許多一二三線城市由于霧霾[2]問題而影響生活，全國平均有霧霾天氣[3]的天數(shù)高達29.9天，而且這種情況每年日益嚴峻。根據相關研究表明，空氣中PM2.5濃度過高會提高人體患癌概率。就目前情況而言，由于PM2.5濃度水平過強，可導致每年一線城市居民受到霧霾的影響，嚴重則會導致死亡。國外的霧霾凈化器發(fā)展歷程從70年代開始，霧霾凈化發(fā)展與時俱進，在20世紀90年代，采用光觸媒技術和脈沖電暈聯(lián)合二氧化鈦光催化技術；我國的霧霾凈化器行業(yè)發(fā)展起步晚，2013年以前仍屬于導入階段，普及率實施率較低。

本裝置利用太陽能供電，太陽能作為清潔能源應該被高效利用，我國占地面積廣，接收太陽輻射強，所以太陽能的利用前景十分廣闊。

1? 霧霾凈化器的總體設計

本裝置通過太陽能充電系統(tǒng)（太陽能電池板、蓄電池和防逆流）實現(xiàn)對霧霾凈化器自動蓄電；用DHT11傳感器檢測空氣中的溫濕度，再將檢測結果傳到單片機，當溫濕度超標時則蜂鳴器會響，進而驅動裝置開始工作；引風機啟動，粗濾部件過濾掉空氣中顆粒較大的雜質，然后通過精濾部件過濾顆粒物較小的雜質；開啟減速電機和水泵，通過水泵中的高壓水清潔濾芯，然后通過繼續(xù)開啟減速電機讓過濾器旋轉干燥卸污。當收集的雨水達到通過最大蓄水量時，通過排水系統(tǒng)連接居民馬桶系統(tǒng)進行利用。方案的總體設計圖如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件設計

2.1? 霧霾傳感器模塊

本系統(tǒng)采用的是FTL-GP2Y1010AUOF-01型PM2.5傳感器，這是由深圳市法特力實業(yè)有限公司自主研發(fā)的，該傳感器主要應用于大氣中PM2.5的檢測，并且適用范圍廣泛。

FTL-GP2Y1010AUOF-01型PM2.5傳感器的功能特點有：數(shù)據精確，激光散射原理實現(xiàn)精準測量；智能檢測，實時檢測傳感器各項指標；采用雙頻數(shù)據采集技術；金屬屏蔽外殼，抗干擾性好；獨有激光自校準技術；可制定風口方向，適用范圍廣。

傳感器中間有一個空氣通過的大孔，可以通過發(fā)射LED光判斷含塵量，然后將電信號經過濾波放大電路和微處理器轉換為數(shù)字信號。串口輸出連接TXD、VCC和GND引腳；UART默認輸出3.3 V的接口電平、MCU端是5 V。線路圖如圖2所示，傳感器功能框圖如圖3所示。

2.2? 單片機模塊

本系統(tǒng)設計使用STC89C52RC單片機，這是由STC公司生產的CMOS8位微控制器，價格低廉且使用簡單。

該模塊的主要作用是將檢測的溫濕度結果實時傳輸至單片機控制中心，當濕度大于90%時，蜂鳴器會響，設備開始工作。STC89C52RC管腳圖如圖4所示。

STC89C52RC單片機的特性有：有32位輸入/輸出口線；有3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷；復位信號輸入，在引腳加持續(xù)時間大于2個機器周期的高電平，可使得單片機復位；片內為128 B，片外最多可擴64 KB；工作溫度范圍寬，應用范圍廣。

2.3? 溫濕度傳感器模塊

本系統(tǒng)利用DHT11溫濕度傳感器，其中含有測溫和感濕元件各一個，與STC89C52RC傳感器相連，擁有數(shù)字模塊采集技術和溫濕度檢測技術，相對濕度高于90%時，帶動步進電機工作，傳感器的線性范圍寬，量程大，可保證一定的測量精度。

DHT11一共有四個引腳，引腳1為電源引腳，外接3.3～5 V；引腳2為數(shù)據引腳，串行數(shù)據，接單片機的I/O口；引腳3為空引腳，引腳4接地。DHT11是一個單總線，但是又像iic一樣有數(shù)據線和控制，主要是通過引腳2接到引腳，和上拉電阻來實現(xiàn)的。除此以外，傳感器功耗低且噪聲小，可防外界干擾，自身擁有較強的穩(wěn)定性也保證了可以進行較長時間的工作。DHT11原理圖如圖5所示。

2.4? 步進電機模塊

本系統(tǒng)采用3ND2283數(shù)字式三相步進電機驅動器[4]。微步細分有16種設定，步數(shù)每轉30 000步，因為含有8種類型的輸出電路所以可在較多范圍內應用。本身含有的微步細分使得不管在什么條件下，都能展現(xiàn)高細分的效果。任何速率工作時都能體現(xiàn)較好的穩(wěn)定性。設有的保護電路使得過壓、過流等條件下也能安全工作。微步細分設定如表1所示。

本裝置步進電機有兩個作用，高速電機帶動水泵對過濾器進行自動沖洗，減速電機使得濾清器工作，進行清洗干燥卸污。

電機特點有：電機參數(shù)自動整定功能，適應共陽、單脈沖模式，靜止時電流自動減半，光耦隔離差分信號輸入，斷電相位自動記憶。

2.5? 微壓差傳感器模塊

本系統(tǒng)采用MS系列Magnesense微壓差傳感器[5]，用于監(jiān)測壓差、壓力和空氣速度的情況，他利用獨特的磁傳感技術進而能進行長時間的工作，現(xiàn)場可調公制英制2種單位，精度較高，穩(wěn)定性較強、反應時間0.5～15 s。90%的反應時間可被提供1.5～45 s。電力消耗最大40 mA，當壓差小于28 Pa時，開啟水泵噴出高壓水，開啟高速電機進行自動沖洗。

本裝置通過微壓差傳感器檢測空氣濾清器內外壓差，設定上限，當壓差達到上限則開啟高壓水，微壓差傳感器的實物圖如圖6所示。

3? 系統(tǒng)軟件設計

3.1? 太陽能充電系統(tǒng)

本設計使用的太陽能充電系統(tǒng)[6]主要由多晶太陽能電池板、電瓶和逆功率保護裝置組成，可對設備進行蓄電。多晶功率太陽能電池板產生電能，逆功率保護裝置可對安全問題進行防護，當電瓶的電充滿時此模塊會自動切斷電路，這樣不僅能增長電池板的使用壽命且能持續(xù)供電，此外還設計在下雨時，收集雨水備用，當雨水用完時，使用自來水。光伏電池板向蓄電池供電，多余電能可進行并網，電網也可配電到蓄電池，進而保證系統(tǒng)正常運行，太陽能充電板如圖7所示。

3.2? 分層過濾裝置

過濾一共分為粗濾和精濾兩個過程，當凈化裝置開始啟動時，此時旋轉門開啟，外部空氣在引風機的作用下加速流向濾網，此時粉塵等顆粒物進行初級過濾，然后進入第二層精濾部件，此部件選用HEPA濾網，濾網過濾分4個形式：攔截、重力、氣旋和布朗運動。攔截可理解為篩子，主要針對體積較大的顆粒物；質量大體積小的顆粒物會在重力的作用下經過HEPA時速度變慢，顆粒物附著在濾網上；小顆粒物會由于編制不均的濾網的氣流旋渦而吸附在濾網上；超微顆粒由于布朗運動直接得到凈化。

過濾完成后，空氣中的大部分污物已被凈化。因為過濾后有污物殘留，所以設計了微壓差傳感器，當壓差小于28 Pa時，開啟水泵噴出高壓水（水由雨水收集系統(tǒng)提供，若遇到干旱時節(jié)用自來水補給），開啟高速電機進行自動沖洗。當濾網上的污物過多裝置停止工作。此時對污物進行清潔，對設備進行清洗干燥。產生的污水連接排水系統(tǒng)進行利用。這樣自然形成了一個閉環(huán)凈化系統(tǒng)。

4? 實驗檢測及分析

將裝置配置好進行調試，檢測太陽能電池板集電后是否能帶動步進電機、引風機等的工作，檢測步進電機是否能帶動旋轉門正常運轉，通過調整不同風速檢測引風機是否能將空氣吹往兩層過濾裝置，若設備能正常工作則進行實驗數(shù)據的測量。

調試后，霧霾通過檢測空氣中的顆粒物濃度來檢驗霧霾凈化器的凈化空氣的能力。下表為每隔兩分鐘的PM2.5的濃度參數(shù)，實驗檢測數(shù)據如表2所示，由數(shù)據可以看出，過濾后的PM2.5的濃度要比過濾前PM2.5濃度低60%左右，由空氣中的顆粒物被吸收而達到凈化空氣的效果。霧霾凈化器的實物圖如圖8所示、凈化后的檢測結果如圖9所示。

5? 結? 論

大氣環(huán)境是人類生存的寶貴資源，在空氣污染日益嚴重的情況下，保護大氣環(huán)境、凈化大氣環(huán)境就顯得尤其重要。本文所闡述的新型高效太陽能驅動裝置充分利用的太陽能，能耗低、效率高，產生的污水還能循環(huán)利用，既節(jié)能減排又能凈化空氣，具有良好的應用價值。

參考文獻：

[1] 邵智娟.室內PM（2.5）污染及對人群健康的影響研究 [D].南京：南京大學，2019.

[2] 譚珣，葉淑姿，魏麗夢，等.不容忽視的空氣——霧霾對市民心理影響 [J].新絲路：下旬，2016（10）：85.

[3] 位賀杰，楊一鳴，吳群.多霧霾城市綠地空氣凈化服務與景觀格局的關系——以河南省安陽市區(qū)為例 [J].水土保持通報，2021，41（4）：292-299+309.

[4] 楊曉斌，何曉文.基于微壓差測量技術的滅火劑濃度機載測試系統(tǒng)設計 [J].計算機測量與控制，2022，30（5）：75-80+91.

[5] 劉藝，劉寶泉，魯毛毛，等.混合式步進電機自抗擾控制器狀態(tài)觀測反饋優(yōu)化方法 [J].重慶理工大學學報：自然科學，2022，36（10）：208-215.

[6] 李英峰，張濤，張衡，等.太陽能光伏光熱高效綜合利用技術 [J].發(fā)電技術，2022，43（3）：373-391.

作者簡介：徐玲（2000—），女，漢族，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)；通訊作者：翟娟（1990—），女，漢族，江蘇揚州人，講師，碩士，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)。