一種簡(jiǎn)易負(fù)離子凈化器設(shè)計(jì)

李敏　朱元甲　陳斐彪

關(guān)鍵詞：負(fù)離子；單片機(jī)；多重凈化

中圖分類號(hào)：TM925.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

傳統(tǒng)的空氣凈化器大多使用濾芯來實(shí)現(xiàn)過濾的功能，這種方式雖然能夠達(dá)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(nèi)部的高壓靜電場(chǎng)時(shí)被電分離，塵粒與負(fù)離子結(jié)合帶上負(fù)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(chǎn)生的高壓靜電場(chǎng)也存在一定安全隱患[3]。2022 年，于德添等[4] 設(shè)計(jì)了一種新型負(fù)離子空氣凈化器，采用負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)電荷與塵埃進(jìn)行結(jié)合，達(dá)到凈化的效果，避免了上述兩個(gè)弊端，且效果較好。2023 年，韋興龍[5] 設(shè)計(jì)了一種可以發(fā)射負(fù)離子的新型電風(fēng)扇，其同樣是與負(fù)離子發(fā)生器結(jié)合，使用風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的氣流將負(fù)離子作用到空氣中，從而達(dá)到凈化空氣的目的。

隨著技術(shù)的發(fā)展與設(shè)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(nèi)空氣而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)合市面上空氣凈化器的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇送風(fēng)、負(fù)離子凈化和紫外線照射等功能的簡(jiǎn)易負(fù)離子凈化器，主要適用對(duì)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(nèi)的負(fù)離子濃度，從而達(dá)到更優(yōu)的凈化效果；風(fēng)扇送風(fēng)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(shí)起到消毒殺菌的作用，由此，本設(shè)計(jì)具有較大的實(shí)用價(jià)值，市場(chǎng)前景較好。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框架如圖1 所示，整個(gè)設(shè)計(jì)主要由3 個(gè)部分組成，分別為輸入部分、單片機(jī)與輸出部分。其中輸入部分由按鍵電路構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)凈化器的模式和時(shí)間進(jìn)行選擇與設(shè)置；單片機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)的運(yùn)算處理中心；輸出部分為各個(gè)負(fù)載的控制電路，主要實(shí)現(xiàn)負(fù)離子、風(fēng)扇、紫外線和聲光的控制功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)為STC89C52 單片機(jī)，擁有1 個(gè)8 位中央處理器、32 個(gè)輸入輸出端口和2 個(gè)16 位定時(shí)器，完全能夠滿足需求。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由主控單片機(jī)、時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路組成，其中，時(shí)鐘晶振電路可以為主控單片機(jī)程序提供時(shí)鐘脈沖；復(fù)位電路可以保障單片機(jī)正確、穩(wěn)定地運(yùn)行，從而確保指令得到有效執(zhí)行。

2.2 負(fù)離子控制電路

負(fù)離子是帶有一個(gè)或多個(gè)負(fù)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(jié)合并沉淀，從而達(dá)到凈化空氣的效果。本設(shè)計(jì)使用的負(fù)離子發(fā)生器如圖3a 所示，其為一種碳刷負(fù)離子發(fā)生器，采用電暈放電法生產(chǎn)負(fù)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(chǎng)效應(yīng)管能承受較大的瞬時(shí)電壓和電流，因此使用其作為控制電路的開關(guān)；電路中的二極管和電容主要起到保護(hù)作用。

2.3 紫外線控制電路和風(fēng)扇控制電路

紫外線控制電路和風(fēng)扇控制電路采用的電路結(jié)構(gòu)與負(fù)離子控制電路采用的電路結(jié)構(gòu)類似，不同點(diǎn)是紫外線控制電路和風(fēng)扇控制電路驅(qū)動(dòng)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(dú)立安裝到指定位置，方便對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行消毒殺菌。風(fēng)扇控制電路則可以通過程序調(diào)節(jié)其風(fēng)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(shí)現(xiàn)啟停控制、模式選擇和時(shí)間設(shè)置的功能。時(shí)間設(shè)置主要通過使用兩個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)時(shí)間的增減。模式設(shè)置分為單負(fù)離子模式、單紫外線模式、單風(fēng)模式和它們間的組合模式。聲光控制電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)聲光的控制功能。

2.5 電源電路

電源電路需要考慮整個(gè)裝置的電壓與負(fù)載所需要的電流。由于設(shè)計(jì)中并聯(lián)的紫外線燈和風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)需要較大的電流，所以，本設(shè)計(jì)采用LM2596 電源驅(qū)動(dòng)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(dá)到3 A，完全能夠滿足需求。電源電路中，輸出電壓可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于本設(shè)計(jì)中需要的供電電壓和多數(shù)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電壓為5 V，所以將其調(diào)節(jié)為5 V。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主程序、模式選擇子程序與時(shí)間設(shè)置子程序組成。主程序用于實(shí)現(xiàn)凈化器的整體邏輯功能，包括模式選擇子程序與時(shí)間設(shè)置子程序的調(diào)用、各個(gè)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)等。模式選擇子程序用于實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)模式的選擇與確定功能；時(shí)間設(shè)置子程序用于實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)各個(gè)模式運(yùn)行時(shí)間的設(shè)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(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入while 循環(huán)。在while 循環(huán)中，首先調(diào)用模式選擇子程序，用于確定使用者想要的模式。其次調(diào)用時(shí)間設(shè)置子程序，用于確定當(dāng)前模式的運(yùn)行時(shí)間。模式和時(shí)間都完成確定后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)負(fù)載，執(zhí)行凈化指令，等待凈化時(shí)間到達(dá)，停止驅(qū)動(dòng)負(fù)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(duì)應(yīng)的模式按鍵是否被按下，確認(rèn)模式按鍵按下后，則使模式變量自加1，同時(shí)開啟計(jì)時(shí)，若在10 s 內(nèi)沒有按鍵按下，則判斷為模式確認(rèn)；如果在10 s 內(nèi)有按鍵按下，則使模式變量自加1，并繼續(xù)重新開啟計(jì)時(shí)。

3.3 時(shí)間設(shè)置子程序

時(shí)間設(shè)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(shí)間設(shè)置按鍵是否按下，其中時(shí)間設(shè)置按鍵包括加按鍵和減按鍵。確認(rèn)時(shí)間設(shè)置按鍵按下后，則使時(shí)間變量自加1 或減1，同時(shí)開啟計(jì)時(shí)，若在10 s 內(nèi)沒有按鍵按下，則判斷為時(shí)間確認(rèn)；如果在10 s 內(nèi)有按鍵按下，則使時(shí)間變量自加1 或減1，并重新開啟計(jì)時(shí)。

4 性能測(cè)試

本設(shè)計(jì)在完成電路設(shè)計(jì)和程序調(diào)試后，開始進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試效果如圖8 所示。使用彌漫大量煙霧的密封空間進(jìn)行凈化測(cè)試，可以觀測(cè)到所有功能都能正常運(yùn)行。其中碳刷負(fù)離子發(fā)生器的碳刷輸出端發(fā)射出負(fù)離子，在經(jīng)過一段時(shí)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?qū)θ梭w經(jīng)常接觸的生活用品實(shí)現(xiàn)較好的凈化和消毒效果。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易負(fù)離子凈化器，其主要是針對(duì)與人體接觸較多的生活用品，對(duì)其放置的空間和其本身進(jìn)行凈化消毒。整個(gè)裝置采用單片機(jī)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇送風(fēng)、負(fù)離子凈化和紫外線照射的多重凈化殺菌效果。由測(cè)試結(jié)果可知，整個(gè)裝置功能正常，測(cè)試效果較好，具有較高的實(shí)用價(jià)值，值得推廣。