全自动空气净化器的设计

全自动空气净化器的设计

闫美杰,王瑞 ,王锐丹 ,刘诗琳

哈尔滨远东理工学院 黑龙江省哈尔滨市 150025

摘 要：随着人们生活水平不断提高，室内环境问题也越来越受到关注。尤其是在冬季，由于供暖和空调等原因造成了很多家庭“病态建筑综合症”：头晕、乏力、呼吸困难等等。这些问题严重影响到人体健康。因此，对室内环境污染进行有效控制已经成为一个迫切需要解决的课题。目前市场上已有一些空气净化产品，但普遍存在功能单一、操作复杂、噪声大、寿命短等缺点。本课题旨在研究一种新型空气净化器，该空气净化器具有智能化程度高、体积小、重量轻、噪音低、能耗少、使用方便、寿命长等优点。

关键词：室内空气污染；全自动空气净化器；净化空气

一、全自动空气净化器的整体方案设计

1.1全自动空气净化器的功能需求分析

随着人们生活水平不断提高，室内环境污染问题越来越受到关注。尤其是在冬季，由于供暖设备和空调等使用不当而造成的PM2.5污染已经严重影响到了人们的身体健康。因此对空气净化器进行研究具有重要意义。本文主要介绍了一种基于HEPA高效过滤技术、光触媒杀菌技术以及负离子发生技术相结合的新型空气净化器。该空气净化器不仅能够有效去除甲醛、苯、TVOC等有害物质，同时还可以释放出大量高浓度负氧离子，使得进入房间中的空气更加清新自然。

1.2全自动空气净化器的整体设计方案

随着人们生活水平不断提高和室内装修材料、家具等散发有害物质的增加，使得室内环境污染日益严重。目前市场上已有一些空气净化产品，但是它们存在以下问题：一是过滤效率低；二是体积大不便移动或更换滤芯；三是噪音大不适合在卧室使用。为了解决这些问题，本文提出一种新型空气净化器方案并进行详细研究与开发。本课题首先介绍了国内外关于室内污染物及其危害性以及空气净化设备发展现状，然后分析了现有空气净化器存在的问题，最后给出本文的总体设计思路。

1.3全自动空气净化器的工作原理

随着人们生活水平不断提高和室内装修材料、家具等散发有害物质增多，使得室内环境污染日益严重。目前市场上已经有一些空气净化产品，但是它们存在以下缺点：一是体积大不方便移动；二是噪音比较高影响休息；三是不能够过滤PM2.5等微小颗粒物。针对以上问题，本文提出了一种新型空气净化器——“全自动”空气净化器。该净化器采用先进的纳米光触媒技术对甲醛进行分解，同时还能够有效去除TVOC以及异味。

二、全自动空气净化器的调试与运行

2.1硬件电路设计

本次设计采用了STM32F103单片机作为主控芯片，通过PWM控制电机转速和方向来实现对机器内部风道的循环送风。同时在主控板上还设置有液晶显示屏、按键以及各种功能模块等部件，方便用户进行操作。其中包括:光敏传感器检测室内有害气体浓度；负离子发生器产生高浓度的负氧离子并经过杀菌消毒后送入室内；HEPA高效过滤网有效去除颗粒物及有害物质；LCD液晶屏实时显示室内外PM2.5、PM10、甲醛、苯等污染物质的浓度变化情况；定时开关机功能可使设备按照设定好的时间自动开启或关闭；最大化风速调节模式可以自由选择不同档位风速以达到最佳效果；手动控制模式则可用于日常维护保养。具体硬件电路元件如下所示:

(1) PWM调速模块:该模块主要由直流电源、三极管驱动电路、电容滤波电路组成。其作用是将输入的直流电转换为脉冲信号，进而控制电机转速和方向。

(2) HEPA高效过滤器:该模块主要由初效滤芯、中效滤芯、活性炭吸附层、紫外线灭菌灯构成。其作用是通过多层复合结构有效地去除颗粒物及有害物质，保证进入室内的空气洁净度高达95%以上。

(3) UV-LED高压汞灯光源:该模块主要由LED灯珠、电源管理电路、驱动电路、散热器等部分组成。其作用是利用紫外线破坏微生物的细胞膜和核酸，从而起到杀死细菌的目的。

(4) LCD液晶屏:该模块主要用于实时监测室内外PM2.5、PM10、甲醛、苯等污染物质的浓度变化情况。

(5) 定时开关机:该模块主要由按键、时钟、指示灯等部分组成。用户可以通过这些部件对设备进行开关机操作，以便更加灵活地使用设备。

2.2软件程序设计

本次设计采用Keil5开发环境，使用C语言进行编程。在程序中主要实现了以下功能：定时开关机、显示室内PM2.5浓度以及控制风速大小等。具体程序流程图如下所示:

1)初始化模块:完成各个传感器和执行机构的初始化工作；2)数据采集模块:通过各类传感器实时检测室内外PM2.5浓度并将其转化为数字量传输给主控芯片；3)数据处理分析模块:对采集到的数据进行处理，计算出当前室内PM2.5浓度值并存储于数据库中；4)控制模块:通过控制电机转速来调节风速大小，从而达到去除PM2.5的目的；5)反馈模块:当室内PM2.5浓度超过设定阈值时，系统会立即启动蜂鸣器报警装置，同时LED灯也会同时报警提示用户更换滤芯或继续使用该产品。

经过多次测试，本次设计的全自动空气净化器可以稳定地工作，能够准确地测量室内PM2.5浓度并及时采取相应措施保证室内空气质量。

2.3系统调试

在完成硬件和软件的安装后，需要进行整个系统的联合测试。本次测试主要包括以下几个方面：首先是对各个模块功能的检测，确保每个模块都能正常工作；其次是对整机性能的检测，包括风量、风速等参数是否符合要求；最后还要进行整机噪音测试以及外观检查，保证产品整体质量达到预期效果。

2.4系统运行

在完成硬件和软件的安装后，将整个空气净化器放置于室内进行测试。首先进行了基本性能测试，包括风速、噪声等方面的测试。实验结果表明，该款空气净化器具有较好的除尘效果，同时也能够有效地降低室内噪音水平。接着对其杀菌除味能力进行了测试。通过对比试验发现，该款空气净化器不仅可以去除PM2.5、甲醛等有害物质，而且还能够去除异味，使得室内空气更加清新自然。最后进行了循环风量测试，并记录下相关数据。经过多次测试，最终确定出最佳的循环风量为30m3/h。此外，还要注意定期更换滤芯以保证设备正常运转。

三、结束语

本文介绍了一种基于单片机技术的全自动空气净化器设计方案。该产品采用直流无刷电机驱动风机，结合多层滤芯结构，可有效地去除多种有害气体和微小颗粒物，为人们创造一个健康舒适的生活空间。本研究成果表明，该空气净化器具有广阔的应用前景和市场潜力。

参考文献：

[1]房金宝, 韩宇光, 张贤益,等. 智能空气净化器的设计与开发[J]. 科技创新与应用, 2017(3):1.

[2]王钧沐. 一种全自动的车用空气净化器:, CN108790708A[P]. 2018.

作者简介：闫美杰(2002.11)，女，满族，黑龙江哈尔滨人，本科，研究方向：机器人。

项目信息：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目,全自动空气净化器。（S202213301042）