生活電器
空氣凈化器方案開發(fā)
為了給人們提供清潔和安全的室內(nèi)空氣，空氣凈化器行業(yè)的技術(shù)人員正在進(jìn)行各種研究開發(fā)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以此滿足用戶的需求，該市場(chǎng)前景廣闊，開發(fā)潛力巨大，隨著時(shí)間的推移，今后的空氣凈化器技術(shù)將更加完善，并有新的突破。
一、空氣凈化器過(guò)濾原理簡(jiǎn)介
空氣凈化器是指能夠吸附、分解或轉(zhuǎn)化各種空氣污染物，有效提高空氣清潔度的設(shè)備，目前以清除室內(nèi)空氣污染的家用和商用空氣凈化器為主?？諝馕廴驹斐傻娜祟惿硇慕】祮?wèn)題日趨嚴(yán)重，室內(nèi)空氣污染中的裝修污染已成為居民生活的重要污染源，大量使用美化裝飾材料所釋放的揮發(fā)性氣體、甲醛、二甲苯等，同時(shí)混合其他細(xì)菌病毒，嚴(yán)重危害居者的健康?，F(xiàn)在，具有去除室內(nèi)空氣污染物功能的空氣凈化器成為人們家用電器的新成員。
根據(jù)過(guò)濾原理——過(guò)濾材料利用分子運(yùn)動(dòng)規(guī)則進(jìn)行有效的過(guò)濾作用，共有三類（見圖1）：①慣性碰撞吸附是指在氣流運(yùn)動(dòng)方向變化后，顆粒由于慣性作用做直線運(yùn)動(dòng)而碰撞到濾材上而產(chǎn)生的吸附。②擴(kuò)散吸附是指在由于布朗運(yùn)動(dòng)，顆粒從氣流中擴(kuò)散到纖維表面，在靜電作用下吸附到纖維上。擴(kuò)散吸附只在氣體過(guò)濾時(shí)能起重要作用。③直接吸附是指當(dāng)顆粒直徑大于過(guò)濾介質(zhì)的通道孔徑時(shí)，不能通過(guò)而被攔截。直接吸附作用是表示孔徑分布的最基本的一個(gè)特征，孔徑越小，直接吸附的效率越高，去除顆粒的效率越高。
二、空氣凈化技術(shù)
圖2是常見的空氣過(guò)濾器基本結(jié)構(gòu)分解示意圖，其由機(jī)箱外殼、進(jìn)風(fēng)口及通道、濾網(wǎng)組件（初效過(guò)濾層、高效HEPA組件過(guò)濾層、活性炭吸附層）、風(fēng)機(jī)、出風(fēng)口及通道組成，其核心為濾網(wǎng)組件即空氣過(guò)濾芯（器），起到過(guò)濾凈化空氣的作用。根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)，可知其影響空氣過(guò)濾器性能的因素主要有：濾料性能、被過(guò)濾氣流性質(zhì)、氣流速度和過(guò)濾器結(jié)構(gòu)。
在如圖3所示的空氣凈化過(guò)程中，進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的有毒有害氣體，首先進(jìn)行第一層預(yù)過(guò)濾（即初過(guò)濾階段），該階段的濾材一般為海綿濾網(wǎng)、PP尼龍過(guò)濾網(wǎng)，抗菌過(guò)濾棉，亦有海綿與活性炭的復(fù)合型材料等，譬如，其中的PP尼龍過(guò)濾網(wǎng)，材料為尼龍網(wǎng)，濾材以PP纖維紡織成型制成一體，外框?yàn)殇X合金，或者用鍍鋅框，用鐵絲支撐。尼龍網(wǎng)則用襯框繃緊后裝入框，尼龍網(wǎng)的層數(shù)可根據(jù)用戶的要求而定。其特性是除塵效果好，耐酸堿性，耐腐蝕性佳，阻力小，重量輕，能防潮，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)過(guò)濾網(wǎng)能夠清除大顆粒灰塵懸浮物，花粉、大顆粒霉菌，寵物毛發(fā)等?？咕^(guò)濾棉能夠去除灰塵、霉菌細(xì)菌等微生物，若是復(fù)合材料，例如含活性炭，則已經(jīng)開始初步去除異味，甲醛等有害氣體了。
其次，進(jìn)入第二層（高效過(guò)濾層），其為HEPA組件（High efficiency particulate air Filter），空氣過(guò)濾凈化以纖維濾料為主，其原理是空氣經(jīng)過(guò)纖維材料制成的空氣過(guò)濾器時(shí)，空氣中的顆粒物被纖維濾材截留，即如圖1所示的過(guò)濾原理，使顆粒物與空氣實(shí)現(xiàn)分離，從而完成空氣的進(jìn)一步凈化過(guò)濾。根據(jù)我國(guó)的分類標(biāo)準(zhǔn)GB12218-89，GB/T14295-93，GB13554-92，可將空氣過(guò)濾等級(jí)大致分為三級(jí)：初級(jí)過(guò)濾（粒子粒徑≥5um）、中級(jí)過(guò)濾（1um≤粒子粒徑＜5um）、高效過(guò)濾（粒子粒徑≤0.5um），高效過(guò)濾層主要用于捕集0.5um以下的顆?；覊m及各種懸浮物，濾材為超細(xì)玻璃纖維紙等，此層的HEPA組件其優(yōu)點(diǎn)是空氣可以通過(guò)，但空氣中的很細(xì)小的微粒無(wú)法通過(guò)，對(duì)直徑只有0.3um（人體頭發(fā)直徑的1/200）以上的微粒過(guò)濾效率達(dá)到99.7%以上，是細(xì)菌、極細(xì)灰塵顆粒，煙霧等污染物的有效過(guò)濾媒介。
上述的玻璃纖維紙作為高效過(guò)濾媒質(zhì)，不論其粒徑大小，其過(guò)濾特點(diǎn)是捕捉固體顆粒，所以，該凈化技術(shù)為固體污染物凈化，而對(duì)于活性炭這種特殊的材料，活性炭吸附技術(shù)是空氣凈化中的氣態(tài)污染物凈化技術(shù)，活性炭是利用木炭、竹炭等作為原料，通過(guò)物理化學(xué)方法對(duì)原料進(jìn)行加工處理而成的一種性能優(yōu)良的吸附劑，其表面積越大，吸附能力就越強(qiáng)。
最后，殺菌棉以及活性炭過(guò)濾網(wǎng)，能夠再次有效殺菌、除臭、除異味，對(duì)預(yù)過(guò)濾層的空氣中遺漏的微生物、病毒菌等進(jìn)行再過(guò)濾，最終輸出優(yōu)質(zhì)空氣，供室內(nèi)居者呼吸使用。
三、空氣過(guò)濾器性能檢測(cè)方法
由圖3的空氣凈化過(guò)程示意圖可知，空氣凈化器能夠?qū)崿F(xiàn)高效凈化功能的關(guān)鍵部件是高效空氣過(guò)濾器（HEPA過(guò)濾器），換言之，空氣過(guò)濾器性能的好壞直接影響著空氣凈化器凈化功能的優(yōu)劣。目前高效空氣過(guò)濾器過(guò)濾效率檢測(cè)方法有：D.O.P法、油霧法、最易穿透粒徑法MPPS等。
3.1 D.O.P法
DOP法檢測(cè)過(guò)濾器過(guò)濾效率時(shí)，需要人工制造所需塵源粒徑（0.3um），采用一種名為鄰苯二甲酸二辛酯（DOP-DiOctyl-Phthalate），其為無(wú)色透明液體，將該液體在嚴(yán)格控制的條件下加熱汽化，再用冷空氣與之混合，使之凝結(jié)產(chǎn)生與灰塵粒徑大小相同的液滴（0.3um），用于實(shí)驗(yàn)檢測(cè)用氣溶膠，是目前國(guó)際上較普遍的一種檢測(cè)方法。
3.2油霧法
作為一種檢測(cè)手段，油霧法檢測(cè)空氣過(guò)濾器性能，同樣也需要測(cè)試時(shí)的塵源，以此保證塵源的粒徑大小，在此基礎(chǔ)上，并在規(guī)定的檢測(cè)條件下，將經(jīng)過(guò)充分混合均勻的油霧氣溶膠通過(guò)被測(cè)過(guò)濾器，測(cè)量過(guò)濾器前后的油霧濃度，由此來(lái)計(jì)算油霧過(guò)濾率和透過(guò)率。
3.3 MMPPS法
最易穿透粒徑法（The Most PenetratingParticle Size）MPPS，其基本原理是用特制的噴嘴將D.O.P、DEHS等液體彎壓噴霧，形成0.01-1um的多分散氣溶膠，作為實(shí)驗(yàn)用塵源，利用激光粒子計(jì)數(shù)器或凝聚核計(jì)數(shù)器測(cè)量過(guò)濾器上下游的粒子濃度，從而決定其效率。
四、空氣凈化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
隨著全球工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類在實(shí)現(xiàn)高度發(fā)達(dá)的物質(zhì)文明的同時(shí)，自身卻處在重重矛盾之中，環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，其中，空氣污染肆虐，如工業(yè)廢氣，汽車尾氣，燃煤產(chǎn)生的粉塵，室內(nèi)新型裝修材料的使用，因缺乏監(jiān)管及環(huán)保檢測(cè)，在貪圖美觀的背后，是這些化學(xué)材料的濫用，室內(nèi)環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，人們已經(jīng)進(jìn)入室內(nèi)空氣污染時(shí)期，但與此同時(shí)，人類自身健康意識(shí)也在增強(qiáng)，如何使家居環(huán)境改善，能夠呼吸潔凈空氣，健康生活，是世界各國(guó)面臨的共同問(wèn)題。
采用空氣凈化技術(shù)制造的各種空氣凈化器，如雨后春筍般產(chǎn)生。早期的空氣凈化器功能單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，難以滿足需求，目前設(shè)計(jì)的空氣凈化器，其發(fā)展趨勢(shì)是技術(shù)復(fù)合型，集各種功能于一身，且在原有凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制新型濾材，如光觸媒，其主要成分是TiO2，具有消毒功能，對(duì)各種常見的致病菌有較好的殺菌作用。所以，各種空氣凈化技術(shù)融合在一起是今后的發(fā)展方向。
五、便攜式空氣凈化器系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
近年來(lái)國(guó)內(nèi)霧霾現(xiàn)象日益嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)多地受霧霾持續(xù)困擾，室內(nèi)外空氣中的微粒、細(xì)菌、病毒和其他有害物質(zhì)對(duì)人體健康構(gòu)成危害，特別是對(duì)長(zhǎng)期工作或生活在惡劣環(huán)境下的人。本文設(shè)計(jì)出一種多功能便捷式空氣凈化器，在檢測(cè)空氣質(zhì)量的同時(shí)還可以利用過(guò)濾層及負(fù)離子發(fā)生器改善人體吸入空氣的質(zhì)量，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)芯片將實(shí)時(shí)的空氣質(zhì)量傳送給服務(wù)器進(jìn)行分析。本設(shè)計(jì)可根據(jù)環(huán)境選取風(fēng)量調(diào)速模式，具有能耗低，維護(hù)簡(jiǎn)單和可隨身攜帶等優(yōu)點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)，由負(fù)離子發(fā)生器、微風(fēng)扇、空氣過(guò)濾裝置等系統(tǒng)組成。微風(fēng)扇使空氣流動(dòng)，流動(dòng)的空氣經(jīng)過(guò)裝在風(fēng)口的負(fù)離子發(fā)生器，將空氣不斷電離，產(chǎn)生大量負(fù)離子，形成負(fù)離子氣流，依次通過(guò)機(jī)內(nèi)的粗濾棉、活性炭濾芯、PM2.5試紙后將各種污染物過(guò)濾或吸附，達(dá)到清潔凈化空氣的目的。
在霧霾環(huán)境下，傳感器感知周圍空氣，通過(guò)液晶顯示屏顯示當(dāng)前未凈化空氣的PM2.5值、溫度值和濕度值。通過(guò)風(fēng)扇的作用，空氣先流過(guò)負(fù)離子發(fā)生器，將空氣中帶電的大顆粒吸附到鐵絲過(guò)濾網(wǎng)上，通過(guò)粗濾棉進(jìn)行第一層過(guò)濾，活性炭網(wǎng)進(jìn)行第二層過(guò)濾，PM2.5濾紙過(guò)濾小微粒，再通過(guò)負(fù)離子發(fā)生器凈化空氣，使人體可以呼吸到潔凈空氣。此外，本系統(tǒng)搭配不同類型出風(fēng)口也可作為車載凈化器使用。
5.1空氣凈化器系統(tǒng)硬件組成
系統(tǒng)主控模塊：本設(shè)計(jì)選用STM32單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理模塊，其對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度快，能實(shí)時(shí)采樣PM2.5傳感器、溫濕度傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，精確計(jì)算出粉塵濃度、溫濕度，把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給OLED顯示屏，具有性價(jià)比高，功耗低等特點(diǎn)。
PM2.5檢測(cè)模塊：本設(shè)計(jì)采用夏普PM2.5粉灰塵傳感器GP2Y1010AU0F檢測(cè)模塊，利用光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器感應(yīng)空氣中的塵埃粒子。內(nèi)部的紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，使其能夠探測(cè)到空氣中塵埃反射光，通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)空氣中灰塵折射過(guò)后的光線來(lái)判斷灰塵的含量。該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比，通過(guò)STM32單片機(jī)的采樣數(shù)據(jù)，運(yùn)用卡爾曼濾波算法精確計(jì)算出粉塵濃度，測(cè)量PM2.5的含量。
風(fēng)扇模塊：風(fēng)扇作為凈化器空氣流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，風(fēng)量的大小決定凈化速度的快慢。本設(shè)計(jì)采用DC12V微型風(fēng)扇，通過(guò)STM32單片機(jī)控制PWM調(diào)速，改變周期占空比大小來(lái)控制風(fēng)扇端電壓，進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。
溫濕度檢測(cè)模塊：本設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT22模塊。DHT22數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有極高的可靠性與穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件。此模塊和STM32單片機(jī)單線制串行通信，簡(jiǎn)易快捷，通過(guò)STM32單片機(jī)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)程序，使溫度、濕度數(shù)據(jù)更加精確。
負(fù)離子發(fā)生器模塊：通過(guò)負(fù)離子發(fā)生器的脈沖振蕩電路，將低電壓通過(guò)高壓模塊升壓為直流負(fù)高壓，經(jīng)過(guò)碳素纖維尖端不斷產(chǎn)生負(fù)直流高電暈，高速的發(fā)射出大量的電子，立刻會(huì)被空氣中的氧分子捕捉，從而形成負(fù)離子。本設(shè)計(jì)利用負(fù)離子發(fā)生器使空氣中的甲醛、苯等有害氣體發(fā)生反應(yīng)，將其分解為二氧化碳和水，達(dá)到除塵、滅菌、凈化空氣的目的。
電源模塊：本設(shè)計(jì)選用DC12V、5000mA容量鋰電池為系統(tǒng)供電。該電源為外部各個(gè)傳感器模塊和單片機(jī)模塊提供穩(wěn)定的電壓和電流，紋波小。此外，當(dāng)系統(tǒng)電量不足時(shí)，能通過(guò)OLED顯示屏進(jìn)行低電量顯示，提示使用者及時(shí)充電。
CC2530芯片：通信模塊選擇美國(guó)TI公司的CC2530F256，其含有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，256KB可編程閃存，8-KBRAM和先進(jìn)的RF收發(fā)器，結(jié)合ZigBee協(xié)議棧，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大和完整的無(wú)線通信。本設(shè)計(jì)將STM32單片機(jī)與CC2530芯片設(shè)置相同的波特率，進(jìn)行串口通信，將PM2.5及溫濕度數(shù)據(jù)傳送到相鄰的服務(wù)器。
5.2空氣凈化器系統(tǒng)測(cè)試
將各個(gè)模塊進(jìn)行連接，首先測(cè)試各個(gè)模塊運(yùn)行，觀察其狀態(tài)變化，系統(tǒng)狀態(tài)值可以在OLED屏幕和示波器上觀察波形顯示。最后將各個(gè)模塊組裝測(cè)試。
風(fēng)扇模塊監(jiān)測(cè)：通過(guò)改變每個(gè)周期中占空比的大小來(lái)控制風(fēng)扇兩端電壓的大小，進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)中占空比設(shè)定為0.25、0.5、0.75、1四個(gè)等級(jí)，通過(guò)示波器檢測(cè)STM32單片機(jī)輸出占空比。
PM2.5模塊監(jiān)測(cè)：對(duì)PM2.5檢測(cè)模塊進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)室內(nèi)無(wú)煙時(shí)液晶顯示屏顯示PM2.5值為40，室內(nèi)有煙時(shí)液晶顯示屏顯示PM2.5值為250，表明該模塊檢測(cè)靈敏度高。
溫濕度模塊監(jiān)測(cè)：正常溫室15.5℃時(shí)，相對(duì)濕度為64.4%，當(dāng)給溫濕度傳感器周圍添加熱源后，溫度上升為18.7℃，當(dāng)給溫濕度傳感器周圍放置加濕器后，相對(duì)濕度上升到88.8%，表明溫濕度傳感器性能良好。
OLED顯示器模塊監(jiān)測(cè)：OLED模塊與STM32單片機(jī)通過(guò)IIC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，PM2.5傳感器、溫濕度傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析，把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給OLED顯示屏，顯示經(jīng)過(guò)凈化器凈化前后的PM2.5數(shù)值和空氣的溫度、濕度。
總結(jié)
通過(guò)測(cè)試，該便攜式空氣凈化器可以有效地凈化人體吸入空氣，并最大程度地減少室內(nèi)外空氣中懸浮的細(xì)菌和有害氣體，同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)將戶外空氣指數(shù)上傳至服務(wù)器，進(jìn)行區(qū)域互聯(lián)，為行人提供一個(gè)安全舒適的室外呼吸環(huán)境。
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