一种PM2.5智能组合净化器的设计

南京工程学院自动化学院, 江苏南京 211167

一、引言

空气洁净问题正日益受到大家的关注，低能见度雾霾天气严重影响人们的日常工作与生活，其中的主要污染物为可入肺颗粒物PM2.5。目前，市场上已有多款空气净化器，如机械过滤净化器[1-2]、光催化空气净化器[3]、负氧离子空气净化器[4-5]、静电式净化器[6-8]、新型纤维净化器等[9-10]，他们或采用物理方法或采用化学方法将污染物捕集或分解，但其单一的净化形式往往存在着净化率低或易产生其他污染物的弊端[9-11]，同时价格和耗能问题也成为制约大众购买的重要因素，设计出新一代净化率高、耗能量低且价格实惠的空气净化器非常必要。

本文以现有PM2.5净化方式存在的问题为着眼点，研究了PM2.5的检测和净化处理方式，并设计了一种智能净化控制系统。通过静电集尘净化室内的较大颗粒、高效空气过滤器（HEPA）阻隔小颗粒，以期设计出一个净化率高、耗能低、成本低的PM2.5净化器。

二、PM2.5简述

PM2.5又称细颗粒物，是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，对空气质量和能见度等有重要的影响[12-15]。

PM2.5的化学成分主要分为三大类：一是可溶性粒子，包括：F-, Cl-, 5042-, Br, NH4+, Na+, K+等；二是无机元素，包括一些自然尘、金属元素等；三是含碳物质，包括有机碳OC、元素碳EC和多环芳香烃等。从化学角度看，可溶性粒子、无机元素、含碳物质均不易被收集，目前缺少一种可以同时消除所有这些成分的化学方法。因此物理方法更有效。市面上的空气净化器也大多使用物理方法收集PM2.5的各种成分，其主要从过滤、吸附角度出发进行处理。我们采用的为物理方法，包括静电集尘与高效空气过滤器（HEPA）吸附方法等，通过多种物理方法结合提升净化效率。

三、PM2.5净化器工作系统设计

本文设计的PM2.5净化器工作系统由空气流通模块、APM数据监测模块、数据分析处理与显示模块、驱动模块和PM2.5净化模块5部分构成。系统总体框图如图1所示。

1、空气流通模块与APM数据监测模块

空气流通模块由风机辅助进行，风机使用24V直流电电源，通过驱动模块连接控制开启，使用两个风机，负责吸进空气进入进风口，在气溶胶粒子监测器（APM）检测空气中灰尘浓度时提高流通度提高APM数据监测模块的数据可靠性。APM数据监测模块以气溶胶粒子监测器（APM）为核心检测当前空气中微尘浓度，并将数据传入数据分析处理与显示模块。在净化功能开启后，风机还具备调整工作模式以影响净化速度和能耗的作用。

2、数据分析处理与显示模块

该模块承担对APM数据监测模块传输的数据进行分析处理以及显示的功能。该模块由硬件与软件两部分组成。硬件包括单片机、传感器、键盘和LCD显示器。传感器实时采集PM2.5浓度参量数据，单片机对该数据进行分析处理并驱动键盘和LCD显示器，为用户提供可视化操作。数据分析符合设定条件时，自动开启驱动模块，净化装置开始工作，将空气中的微尘通过PM2.5净化模块进行净化。软件系统判断当前微尘浓度是否符合吸尘器开启条件以及对应的开启模式，而当前的空气浓度等级（分为良好、一般、严重）则有LCD显示器同时显示出来。

（1）硬件电路组成

硬件电路是以AT89S52单片机为核心的数据分析处理系统，主要包含电源、单片机和LCD显示器3部分。

① 电源：硬件电路的供电电压为12V。电源模块电路图如图2所示。

② 单片机：单片机是本电路系统的核心。选用AT89S52，它对传感器采集到的数据进行分析处理，并将处理后的数据通过电路传输处理，同时驱动键盘和LCD显示器实现与用户的交互。如图3所示。

③ LCD显示器：LCD实时显示当前PM2.5浓度参量数据，其内容有汉字和数字，其汉字为16×16点阵，数字为8×16点阵。本电路用的是LCD的串口接法，串口接法只需4根线就可以实现数据传输。LCD显示器模块电路图如图4所示。

（2）单片机软件模块

采用C语言进行编程，通过Keil编译器编译生成二进制文件，通过串口将程序固化到AT89S52中。程序按照净化原理来设计，APM净化器的检测工作和电机及静电箱的工作均以此来选择，系统的主程序流程如图5所示。

系统通过电平转换电路实现电平转换，逻辑“1”电平是高电平，逻辑“0”电平是低电平，使通信双方的电平匹配。并传输数据到单片机进行分析处理，同时显示于LED显示屏，供直观查看当前工作状态和空气污染等级。

在此设计中，APM传递当前空气污染物浓度数据，电源接通后约1min，APM传感器开始稳定工作，通过不同工作状态下的不同输出电压：低电平（有粒子时）0.7V（最大1.0V），高电平（洁净空气时）4.5V（最小4.0V）来检测粒子浓度。传感器的最小粒子检出能力满足PM2.5要求。同时根据浓度显示出空气质量等级。空气质量等级参数范围表如表1所示。

表1 空气质量等级参数范围表

单片机的主要功能为智能开启和模式调节，将APM传递的数据处理后作为判断开启和开启模式的判断条件，控制电机和静电箱的开启来完成目标。功能设计如表2所示。

表2 模式开启状态表

3、PM2.5净化模块

PM2.5净化模块采用物理净化方法，市面上的有效方法主要为静电集尘与高效空气过滤器（HEPA）吸附。静电集尘的原理是采用在电晕极与集尘极之间加上一定值的高压直流电压，通过让两个电极之间产生电位差非常不均匀的电场来使不能导电的气体及颗粒物获得能量生成很多的正离子和自由电子，而正离子在电场力的作用下向集尘极运动从而得到净化。

HEPA过滤器主要采用机械原理，即通过风机，将空气通过若干层滤网，颗粒物在通过滤网时，受到的气流干扰撞到某一根纤维上，从而被吸附住，以此通过吸附过滤掉其中的颗粒物。

静电集尘和HEPA两种吸附方式均有不足，静电集尘不易于吸附大颗粒粒子（因其偏转轨迹较长易超出静电板范围），HEPA不易于吸附小颗粒粒子（可通过网内缝隙），因而单一过滤模式不适用所有颗粒。

本文采用静电集尘和HEPA过滤器的组合模式实现空气净化，使大颗粒粒子主要被HEPA吸附，而小颗粒被静电板所吸引聚集，同时通过静电集尘增加电性加强吸附作用。

四、实验与结果分析

本文研制的PM2.5智能净化器如图6所示。采用该装置和现有的空气质量检测器进行对比实验。

1、实验条件

实验采用空气质量检测器作为主要数据检测器件，试验期间主要检测的内容：

（1）检测当前空气质量等级与净化器显示数据做对比；

（2）检测空气质量等级改变时间；

（3）完成一个净化周期所耗电量。

实验采用多次实验取平均值的方法处理出最后数据，实验在一个固定体积的透明密闭容器（约1m3），容器中间放置本文所设计的净化装置和空气质量检测器，容器内部放有定量粉笔粉末，容器角落对角放置有两台小型风扇对粉末进行扬起工作。

缝完了，那人给她一元票，可是不把票子放到她的手里，把票子摔到床底，让她弯腰去取，又当她取得票子时夺过来让她再取一次。

2、实验过程

采用本文提出的PM2.5智能净化器进行空气净化实验，步骤如下：

（1）装置放置到位，通足量洁净空气，将空间密闭，点燃一支香烟，两台小风扇开启5min，使烟尘均匀分布，实验过程中风扇不关闭；

（2）打开空气质量检测器和PM2.5空气净化器，计时，分别记录两台机器空气质量等级与质量等级改变时间并做对比；

（3）观察PM2.5空气净化器工作模式是否改变，把记录下改变时显示器显示的空气质量等级；

（4）PM2.5空气净化器停止工作周期后记录该周期所耗电量，查找数据与同类产品比较。

3、实验结果

1m3空气净化实验结果如表3所示。

表3 1m3空气净化对比实验结果

从表3的对比实验结果可以看出：

（1）空气质量检测器和PM2.5空气净化器显示对比：二者显示当前空气质量等级一致，且PM2.5空气净化器显示空气质量等级改变与空气质量检测器时间基本一致；

（2）PM2.5空气净化器工作模式能根据当前空气质量等级智能改变；

（3）耗电量与同类产品比较结果：一个净化周期的时间内所耗电量低于计算出的市面上同类产品相同时间耗电量；

（4）PM2.5空气净化器净化后达到要求，也即净化效果有效。

五、结论

通过实验证明了本文提出的PM2.5净化器的有效性和节能性。

（1）PM2.5空气净化器传感器可相对准确检测空气污染物，放置时需保持通风性；

（2）系统工作稳定，能有效净化空气中的污染灰尘，在工作过程中能智能改变工作模式；

（3）净化周期耗电量低于同类产品。