智能负离子空气净化器设计

于德添 张钟艾 王 丽 罗一鸣 陈 耿 孙 强

（天津农学院 工程技术学院 天津 300392）

引言

净化器先通过电机带动风扇进行排气处理，使得排进净化器的空气通过过滤芯，这样就能使净化器周围的空气得到净化，这种净化方式是让污染物主动接近净化器滤网起到净化空气的效果，主动性不强，后期需要调换滤芯进行维护，造成了不便，净化不透彻的结果[1]。另一种静电除尘技术是给净化器设计一个高压电离区，让流动空气经过此区域，正电荷就会附带气体中的有害颗粒物，负电荷在集尘面上将污染物吸引，净化效果好，净化气体体积大，粒子直径较大的气体有害粒子能够被消灭。然而，此方式仍然弊端较大，由于静电极易吸附尘埃导致循环污染，而且使用此净化技术在高压电离区极易形成O3、正离子衍生污染物等，这些都对身体健康有害。再者就是静电除尘方式净化空气是经过高压放电来完成的，因其危险性在使用时要远离人体，这就对便携性有了限制[2]。

本设计的作用是利用自身带有的电器件产生负离子主动打击裂解空气有害物进行净化、除尘、除味、灭菌、吸附后瓦解空气中各类有害物(如粉尘、PM2.5、甲醛、病毒细菌等)，显著地提升空气的洁净度。如今工业发展逐渐兴盛，雾霾频发，随着人们对健康认知的进步，智能负离子净化技术未来会更加向便携化、节能化、大范围、多功效方面发展，将来会更好地服务于人们生活[3]。

1 智能负离子空气净化器的设计

数据监测由两部分构成：

1）光学粉尘传感器：主要通过GE 粉尘传感器SMPWM-01A 检测出当前环境空气质量并传给单片机。

2）其他有害气体传感模块：主要由MQ-5 可燃气体传感器构成、此传感器对气体中的有害气体具有很好的灵敏度，对C4H10、C3H8、CH4的灵敏度较高。

净化系统流程图如图1所示，传感器SM-PWM-01A和MQ-5 所检测得的空气质量信号经过模数转换在单片机LCD 显示屏上实时显示，如果空气质量超过预先设定值(一般设置为75μg/m3，此数据根据空气质量国际标准所得)，则LED 灯、蜂鸣器等报警提示，风扇对室内空气进行压缩排风处理、负离子发生器发射负离子开始净化工作。此外设有按键电路，用户可根据室内空气污染程度自行调节净化器净化速度。

图1 净化系统流程图

控制系统主要是采用STC89C51 单片机为开发平台和Keil 软件编写后编译成的“.hex”文件源程序搭配组成，烧写进单片机并且选用12 MHz 的晶振器，用电源模块给净化系统供电即可。净化器系统会依据预先设定的空气质量参数（75 μg/m3），自动检测空气质量是否超过设置值。主要是进行空气中的粉尘和有害气体检测，粉尘测量使用GE 传感器发出的宽窄脉冲信号得到空气污染当前值，有害气体使用MQ-5 气体传感器完成检测。GE 传感器和MQ-5 传感器经各自加热电阻发热后气敏元件开始工作，实时监测可燃有害气体浓度。空气中粉尘和有害气体浓度值会在LCD 显示屏上实时动态刷新显示，如气体浓度超过设置值，单片机会根据程序设计控制负离子发生器发射负离子，电机带动风扇进行空气的压缩和气体排风循环处理，净化系统控制框图如图2所示。

图2 净化系统控制框图

空气质量越差，负离子发生器和电机排风工作状态越快，同时为使用者系统设置了按键电路，使用者可以根据环境的变化自行手动调节净化器的工作状态，使得设计更加自主灵活和人性化。

2 净化器仿真测试

国际规定空气中PM2.5 含量日平均在75 μg/m3以下为人体所处环境的标准[4], 根据程序的设计，需要将预设值设置为150 μg/m3（因程序以设置值1/2 为界限，将空气质量分为三个等级）。测试时系统根据传感器传回的信号分析后，室内PM2.5、有害气体含量在75 μg/m3以下净化器停止工作，待机节能。净化器工作状态如图3所示，此时LCD 显示屏显示当前室内污染程度指数（75 μg/m3以下），最上方第一个LED 绿灯D1 点亮，告知空气质量为正常标椎，蜂鸣器和直流电机都不会工作，PWM 波形占空比如图4所示，为零电压直线。

图3 检测指数在75 μg/m3 以下净化器工作状态

图4 检测指数在75 μg/m3 以下电机工作占空比

室内PM2.5、有害气体含量在（75～150）μg/m3之间时净化器工作状态如图5所示，净化器的LCD 显示屏会显示当前室内污染程度指数，中间第二个LED 黄灯D2 点亮，告知空气质量当前轻度污染，虽然如此，但蜂鸣器不会警报避免产生多余噪音，保持节能状态，只是直流电机和负离子发生器开始静默工作。此时只是轻度污染，电机工作的速度适中，不会过快，电机工作PWM脉冲占空比较小，其PWM 波形占空比如图6上部分所示。因为此净化器尽可能保持节能原则，所以在电机压缩空气到满罐时，会产生停顿，待压缩气净化完毕后再开始工作，其PWM 波形如图6下部分所示，如此间断重复下去。

图5 检测指数在75～150 μg/m3 之间净化器工作状态

图6 检测指数在75～150 μg/m3 之间电机工作占空比

室内PM2.5、有害气体含量在150μg/m3以上时，净化器工作状态如图7所示，净化器的LCD 显示屏会显示当前室内污染程度指数，最下边第三个LED红灯D3点亮，告知空气质量当前已超标达到重度污染，蜂鸣器产生警报，告知使用者要快速开窗通风或者暂时离开此环境。直流电机和负离子发生器开始急速工作。

图7 检测指数在150 μg/m3 以上净化器工作状态

此时空气以达到重度污染，电机工作的速度极快，其PWM 脉冲占空比较大，工作波形如图8上部分所示，一方面，因为此净化器尽可能保持节能原则，所以在电机压缩空气到满罐时，还会间断重复性的产生停顿，待压缩气净化完毕后再开始工作，另一方面即使室内环境达到重度污染，但电机转速和负离子发生器发射负离子的速度也有上限，否则不但不能起到很好的净化作用，还会损坏净化器部件，在室内环境重度污染时，其节能状态PWM 波形如图8下部分所示。

图8 检测指数在150 μg/m3 以上电机工作占空比

最后测试按键驱动电路，按键电路仿真图如图9所示，按下第一个设置按键，可手动调节设置空气质量的上限，当上限值调节较低时净化器灵敏度就会提高（相等于变相的按下加速净化按键）。

图9 按键电路仿真图

以下为测试将净化器上限值设置为100 μg/m3，当室内环境为50 μg/m3以下时，净化器的状态与图3、图4相同。当室内环境为54 μg/m3时，净化器正常工作状态如图10 所示，与净化器设置值150 μg/m3时室内污染程度指数（75～150）μg/m3之间的工作状态同理。电机正常工作、节能状态波形图如图11 所示。

图10 预设值100 μg/m3 检测指数为54 μg/m3 时净化器工作状态

图11 预设值100 μg/m3 检测指数为54 μg/m3 时电机工作占空比

当室内环境为130 μg/m3时，净化器会识别到此时所处环境属于此设置值下的重度污染，净化器正常工作状态如图12 所示，正常压缩排气、节能状态PWM 波形如图13 所示，与净化器设置值150 μg/m3时室内污染程度指数150 μg/m3以上的工作状态同理。由于理论相同，此处只列举预设值100 μg/m3一例讲解即可，除此之外经过多次设置不同的预设值检验净化器性能，全都工作正常。

图12 预设值100 μg/m3 检测指数为130 μg/m3 时净化器工作状态

图13 预设值100 μg/m3 检测指数为130 μg/m3 时电机工作占空比

3 结论

本设计采用STC89C51 单片机为开发平台，净化器测试时，将空气质量污染指数预设值上限设置为75 μg/m3。通过对单片机接口和程序编写的深入研究，系统根据GE 粉尘传感器SM-PWM-01A 和MQ-5 可燃气体传感器传回的信号分析后，室内PM2.5 和有害气体含量在75 μg/m3以下停止工作，在75～150 μg/m3之间警报端、净化端开始工作（电机工作PWM 脉冲占空比小），在150 μg/m3以上，开启警报、净化端负离子产生速度和风扇排风速度相应加快（电机工作PWM 脉冲占空比大），又将空气质量污染指数预设值上限设置为50 μg/m3，净化器依旧工作正常，同时电机压缩空气满后间断重复的延时停顿，保持节能状态。本次设计的净化器加入了按键驱动电路，可手动调节设置空气污染指数的上限，使用者可根据室内空气质量的变化自行手动去调节，控制负离子产生速度和风扇的排风速度，此设计特别恰当和人性化，使用者使用起来更加移动便捷。