环保型空气净化健身车*

崔梦君，沈晓玉，董 悦，刘隆兴，丁文斌，李金伟，郭洪岩*

（1.滨州学院 航空工程学院，山东 滨州256600；2.山东省航空材料与器件工程技术研究中心，山东 滨州256600）

目前健身车发电系统已在市面出现，多数与声音或画面结合。但是把健身车产生的电能与智能空气净化系统结合还未见报道。因此，作者设计了一款环保型空气净化健身车，主要结构由发电装置和空气净化装置组成。机械发电装置是由四齿轮三链条三级变速、永磁恒压发电机和继电器保护模块组成；空气净化装置由风机、多层空气滤芯、静电除尘网、超声波雾化器、传感器和单片机六部分组成。将健身机械能转化为电能并存储在锂电池中，锂电池对外提供电能。空气通过净化装置内的多层空气滤芯和高压静电除尘网过滤掉PM2.5、粉尘等大分子颗粒，根据室内温湿度环境适时加湿。整个净化装置通过单片机来控制，单片机按照预先设置好的室内湿度及空气质量状况进行实时开关净化装置，让净化装置里用电器的用电量达到最小化，净化装置可以进行无线远程操控。

1 设计方案

1.1 机械和发电系统

机械部分采用四齿轮三链条三级变速，达到发电效率高，发电量大；并且对车架进行动态设计。第一、二齿轮为原装变速齿轮，第三变速齿轮安装在一、二齿轮中间，发电机安装在第三齿轮上方，第一齿轮数采用48齿，第二、三齿轮数都采用12齿和36齿。采用上述齿轮比达到的转速为初始转速的9倍。电机采用JYWFY的永磁恒压发电机，输出电压始终保持在12V上，同时采用继电器模块，防止蓄电池过冲现象[1]。该发电机额定电压12V，额定功率90W。机械部分整体实物如图1所示。

图1 发电机及链条设计装置

1.2 继电器

继电器通常用于自动控制电路中，它是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用[2]。继电器的使用可以防止对蓄电池过冲、过放。

图2 继电器

1.3 空气净化系统

空气净化系统包括风扇、活性炭空气滤芯、高压静电除尘网。风扇位于净化系统进风段，风扇使室内的空气更快的流通，净化效率高。净化装置中首先采用纸质空气滤芯，有一定的机械强度和抗水性，能吸附空气中水分、煤烟、臭氧、异味、碳氧化物、SO2、CO2等[3]，具有简单易用、成本低廉、过滤效果好等优点。高压静电除尘网在静电场中利用静电力将带电粉尘吸引到电极上，利用静电的异性相吸、同性相斥的原理吸附空气中的污染物[4]，然后放出其所带电荷而沉积到集尘板上，以达到除尘的目的。静电除尘具有除尘效率高，净化气量较大，除去粉尘的粒径范围较宽，结构简单且效率高能量消耗少。

1.4 单片机控制系统

以STC89C52RC单片机作为控制核心。单片机是典型的嵌入式微控制器，由运算器、控制器、存储器、输入输出设备等构成，相当于一个微型的计算机，可以控制多个模块，实现智能化[5]。单片机体积小，可按需求放在仪器仪表大部分位置。是一种高速且低功耗的使用工具，如图3所示。

图3 单片机

1.5 超声波雾化系统

超声波雾化器利用电子高频震荡，震动频率超过人的听觉范围，通过陶瓷雾化片的高频谐振，不需加热或添加任何化学试剂，将液态水分子结构打碎而产生雾状微粒[6]。同时雾化过程中产生一些负离子，与空气中的粉尘结合，使其沉淀，减少了一些有害物质，也达到了净化空气的目的。超声波雾化系统硬件电路主要包括单片机、超声波雾化器、温湿度传感器、水位控制电路四个电路模块[7]。雾化器电路部分和雾化部分完全分离，极大程度地提高了电路部分的安全性。超声波雾化器加湿强度大，加湿均匀，加湿效率高。实物与电路图如图4所示。

图4 超声波装置与电路图

1.6 检测控制系统

空气净化装置以单片机作为核心控制器，主要采用温度平衡技术、单片机控制技术、串口通信技术等技术，传感器作为测量单元构成检测控制系统，以温度湿度传感器和PM2.5传感器两个传感器作为构成检测装置，PM2.5传感器数据精准，价格低廉，还具有断电自动保存数据功能。可分为主控制电路、液晶显示接口电路、水位检测接口电路、串口通信接口电路[8]、超声波雾化器驱动电路、水位阀门开关驱动电路、温湿度传感器接口电路。如图5所示。

图5 PM2.5传感器与温度湿度传感器

2 试验测试

2.1 空气净化装置在1m3的室内封闭空间内的工作效果

在1m3空间内，空气净化系统的十分显著，在开始工作到结束6min（360s）时间将PM2.5浓度降低到了所能达到的最低值，净化速度快。见图6。

图6 一般封闭环境中PM2.5浓度随工作时间变化曲线

2.2 空气净化装置在1m3粉尘较多的封闭空间内的工作效果

在环境质量较差的环境中，净化效果明显，在开始工作到9.5min（570s）时间将PM2.5浓度降低到了所能达到的最低值，所用时间长。见图7。

图7 空气质量较差环境中PM2.5浓度随工作时间变化曲线

从以上两种封闭空间内的净化实验实时数据来看，PM2.5起始浓度高时，净化装置所需要的净化时间要长一些，但是最终的净化工作能达到较理想的结果。

2.3 单片机模块参数设置

具体参数设置见表1。

表1 单片机温湿度模块参数设置

单片机可以单独控制雾化器进行加湿，也可以控制净化装置整体工作，根据传感器监测室内空气质量状况进行工作，实现智能化，节约电能。

2.4 空气净化装置测量数据

以每次工作10分钟为例，测得数据如表2所示。

表2 空气净化装置在不同时间段每次工作10分钟的测量数据

根据测量数据可以得出结论：空气净化装置去除PM2.5效果明显。

3 工作原理及性能分析

该项目由机械发电装置和空气净化装置组成。机械发电装置是由四齿轮三链条三级变速、永磁恒压发电机和继电器保护模块组成；空气净化装置由风机、多层空气滤芯、静电除尘网、超声波雾化器、传感器和单片机六部分组成；在健身时通过发电装置将产生的机械能转化为电能，将电能储存在锂电池内，提供给空气净化系统，不再接外接电源，节约了电能；通过空气净化装置内的风机让室内空气加速流通，空气经过多层空气滤芯和高压静电除尘网除去PM2.5分子、粉尘等大分子颗粒，同时温、湿度传感器和单片机进行实时监测，对室内进行加湿，达到环保的目的；整个净化装置通过单片机来控制，单片机按照预先设置好的室内湿度及空气质量状况进行实时开关净化装置，让净化装置里的用电负载的用电量达到最小化，单片机可以进行无线远程操控来实现智能化。超声波雾化器与加热雾化方式比较，节省了很大的能源。它可与空气中的粉尘等产生静电反应，使其沉淀，同时还能有效去除有害物质，该雾化器能够较大程度地加湿，加湿效率高。高压静电除尘效率高，可以净化较大空间较多粉尘，能够除去的较大粒子，其结构简单，气流速度低，能量消耗低，是除尘工具中非常节能高效的产品。单片机是嵌入式微控制器，相当于一个微型的计算机，可以实现控制多个模块，实现智能化。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，成本低。PM2.5检测仪采用模数转换芯片，数据更加精准，价格合适，同时具有断电自动保存数据功能。搭建模拟房间，测量多组PM2.5值数据，利用建模说明该作品可以在现实生活中使用，具有很强的可行性。该项目设计合理，节能减排效果显著。

4 整体实物图

装置整体图见图8。

图8 装置整体图

5 创新点及应用

（1）利用健身车自发电装置为空气净化装置等电子设备提供电能，节能减排。

（2）通过单片机来控制净化装置，实现用电负载的最小电能功耗。

（3）自行设计智能化空气净化系统，采用排气扇、空气滤芯、静电除尘网、超声波雾化、温度传感器、湿度传感器和PM2.5检测装置相结合，能耗小，无污染、净化效率，净化效果明显。

该项目搭建模拟房间，进行多组PM2.5数据测量，空气净化系统的净化效率高、净化效果明显，说明该作品可以应用到现实生活中，具有很强的可行性；该健身车符合人们追求健康、智能的生活趋势，也符合节能环保、净化环境的绿色理念。可以广泛应用到现实生活中，如家庭私人健身、专业健身房等，应用前景广阔。