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摘 要：为了实现空气净化过程的智能化、高效化、精细化，我们开发了基于51单片机控制的新型空调净化设备。整套设备由空气水洗单元、电解分离单元、小负离子发生单元、臭氧灭菌单元、温度调节单元、51单片机控制单元组成。该套设备可以对高尘空间、PM2.5、甲醛等进行高效的过滤清洁，并可通过51单片机控制单元对空气质量数据进行采集、分析根据这些数据实现设备的合理运行，同时这些数据还会通过51单片机上传到设备的数字化液晶显示器让人们可以实时观察空气质量。实验表明，该设备可以实时准确的采集并传输各项数据，实现空气净化设备的智能化运行，并可实现高效、精细的净化效果从而在满足设备运行的前提下节约能源，为人们创造舒适的生活环境，提高生活质量。
关键词：空净化设备；51单片机；智能化；高效化；节能
0 引言
最近几年来，随着国内外工业生产和社会经济的快速发展，环境污染问题日益显现，其中空气污染问题尤为突出。现在空气污染已由传统的煤烟型向综合型污染转变，在此推动下我国在空气净化领域的研究已经进入一个新的发展阶段。在这一阶段我国的空气净化设备不仅要实现产品的完全自主知识产权，更要打造自己的商业品牌提高在国际市场的竞争力[1]。但是，就目前来看我国的空净化设备的净化技术水平和设备的生产制造工艺与世界上其他发达国家之间仍然存在着非常大的差距，该差距主要体现在我国在空气净化设备生产过程中产品的净化效果，设备的智能化程度较低，以及国内目前现有技术大多只针对某种或某类空气污染物有着较好的效果，去除功能单一，综合性较弱无法达到最佳的使用效果[2]。因此研发一种新型空气净化设备，对我国现阶段的空气净化产业具有极其重要的价值。
当前人们对空气净化设备技术领域的研究主要有以下几种：其一是吸附净化技术，这种净化技术的原理就是利用固态或液态吸附剂对空气中的污染物进行选择性的净化吸附，来达到去除空气中有害污染物的效果。这也是目前最为普遍的净化手段，但是由于它本身的净化方式就限制了它的发展由于不同吸附材料的吸附特性不同因此只能进行最初级的空气过滤同时几乎所有的吸附材料均存在饱和吸附量极限，当吸附材料接近自身饱和量或周围环境参数发生变化（如降温、风速降低等），所吸附的污染物就会趁机游离释放出来，造成空气的二次污染[3-4]。二是催化技术，这是目前净化效果较为彻底的空气净化技术它的核心是研制高效的空气净化催化剂。这项技术在使用过程中，催化剂对污染物具有一定的选择针对性，仅对某种污染物有着比较理想的治理效果，但对其他污染物时作用不大甚至会被其他污染物抑制自身活性，并且这种净化技术的实施成本较高就目前国内的实际情况来说难以实现普及化[5]。
为了实现对空气净化设备周围空气质量的实时监测，实现空气净化设备的智能化、高效化运行，提高设备的整体性、便捷性以及净化空气的综合性。本文设计了以空气净化设备为载体，集信息采集与分析、智能化操作、综合过滤性能、温度调控、节约能源于一体的新型空气净化设备。
1设备的总体设计
设备由空气水洗单元、电解分离单元、小负离子发生单元、臭氧灭菌单元、温度调节单元、51单片机控制单元六个部分组成。设备的工作过程简图如图1所示。空气水洗与电解分离是整套设备的核心部分，51单片机控制贯穿整个工作过程它将各部分有机的结合在一起实现机器的智能化、精细化操作。
本设备内部设有空气质量传感器通过它对设备周围环境的空气质量进行数据的实时采集随后传输到单片机，为单片机后续控制其他工作部件提供指令依据。当单片机接收到空气质量传感器实时检测的空气质量数据之后，51单片机会通过自身的并行接口将对应的数据发送到设备自带的LED1602液晶显示屏上，在这将会清晰地显示各项空气质量数据，当检测值高于报警值时在单片机的控制下引风机工作将空气带入设备经过电力分解、空气水洗、小负离子发生、臭氧灭菌、温控调节最后排出略带加湿的新鲜空气。
2.功能模块介绍
1.1 51单片机控制单元
1.1.1控制系统硬件设计
51控制系统是该设备的重要组成部分，现在的研究大体参照市面上流行的控制系统进行设计。我们目前选用STC12C5A60S2单片机和QS-01空气质量传感器作为控制系统的核心组件，这款单片机性能优越运算速度快完全可以满足我们的设计要求。当设备接通电源后51单片机随即进入待定工作状态，这时单片机要经过大约5s的延时启动过程这是由于QS-01空气质量传感器在進入正常工作之前需要经过一定时间的启动预热在这个阶段传感器内部自我还原，当空气质量传感器预热完成后，它将进入稳定的不间歇工作模式，即实时的检测空间环境中各项空气质量的污染程度，并将这些实时监测的数据发送到ADC0809模数转换芯片进行空气质量传感器信号的编译与处理，接着将处理后的数据直接发送到单片机通过逻辑运算得出合理的空气净化方案同时为单片机执行以后相关控制程序提供准确的参数依据。当单片机接收到实时的检测数据之后，单片机会通过8位的并行接口将对应的数据发送到LCD1602液晶显示屏上进行可视化操作，液晶显示屏上面会显示当前空气质量的数值，提前设定报警值，空气电解与负离子发生单元及排风扇等相关辅助设备的运行状态，让使用者更加直观的观察到设备的运行状态[6]。当单片机分析到空气质量传感器发送的检测数据超过预先设定的报警值时，单片机会立即发送相应的应急处理命令，驱动继电器电路即打开空气净化部分，改善空气质量直到环境空气质量的指标数据低于预先设定的报警值时，设备恢复正常待定状态。
2.1.2控制系统软件设计
本款设备通过51C语言进行软件程序设计，软件程序设计就好像机器的大脑没有它整个机器将失去灵魂，我们为了实现上述控制功能对程序进行了全新的编程。控制系统的软件程序总体结构图如图2所示，该控制系统的软件程序包括：引风机开关控制、电离器开关控制、负离子发生器开关控制、LED液晶显示屏开关控制、虹吸泵开关控制、传感器数据采集，我们采用模块化编程的方法对每一个子块都进行精细化处理从而保证整体程序的稳定运行。
2.1.3主体程序设计
在整个设备控制系统中主体程序起到决定性作用，为了使整个控制系统更加合理我们设计以下主体程序流程图如图3所示。这样的设计即满足了我们的要求同时结构更加优化，当单片机接收到监测数据后经过数据处理函数，对数据进行分析并与预先设定的报警值进行比较，将经过比较后的标志位数据进行设备驱动电路的启动，并将实时数据传送到LED液晶显示器上对空气质量参数进行可视化。
2.1.4液晶显示屏设计
本设备使用的是LCD1602液晶显示屏，在单片机将接收到的监测数据处理完成后实时传输到液晶显示屏，接着显示屏会非常直观的显示各项检测参数，极大地方便了使用人员对设备整体运行状况的把握，液晶显示屏显示程序流程图如图4所示。
2.2电解分离单元
当设备工作后在单片机的控制下引风机动作，空气引入我们空气净化的第一环节。我们根据气体一般是中性的的特点，在气体获得能量时，就会分离成电子、正离子、负离子，使气体变成导电体，而使气体变成导电体的过程就是电离气体[7]。
电离气体的方法有很多种如按电离发生的原因来看，气体放电可分为被激放电和自激放电两种。即当我们使用火焰对气体进行加热或用紫外线等照射气体时都能使气体发生电离。再者就是在电离器的作用下，气体中一部分原子或分子在吸收了电离器所辐射的足够大的能量后，电子就能在能量的激励下离开气体原子或分子进而产生电子和正离子。正离子和电子在电场中按照相反方向运动，在弱电场中电子能量并不会太大，当电子与中性分子或原子相碰撞时，极容易被俘获而形成负离子这时气体导电机构主要是由正、负离子组成而不是自由电子[8]。在正常情况下气体是良好的绝缘体，但是在成为导电体之后，极容易与其他物质结合生成稳定的物质例如：氧离子与氧离子容易生成O2，对周围环境也有极大的改善。
我们的设计采用电离器进行气体电离，可是目前气体电离器还没有十分成熟的产品符合我们的设计要求大都处在实验阶段。因此我们向有关厂家提供相应的技术数据，制作成相应的调整范围的脉冲式调试机型如图5所示。通过参照帕邢定律在均匀电场，气压在0.098MPa、温度为25℃、两极间距离大于0.1cm的前提下，空气被击穿的电压与极间距离保持一下关系：
Uj=300B+1.35 （1）
（1）式中：Uj----空气击穿电压，KV；
B----电極间距离，cm。
正常情况下1mm极间距的空气击穿电压为3KV[9]。
我们为了增大效率设置两极间距为10mm并且这款电离器在原有线路的基础上增加可变调解电路，使得原来的15（kv）输出电压成为了现在的18-35（kv）范围内可调。以利于针对不同的环境，调整到不同的电压。同时对今后的产品也提出了相应的要求，我们出厂的产品不是固定的、不可调的模式，而是随着南方与北方的差距调整不同的电位。
2.2.1 单元结构设计
实验阶段我们全部使用密封良好的玻璃箱作为试验机外壳，设计在循环系统中增加适当的存量空间，延迟离子和中子在空气空间内的存留时间；使得离子和中子在滞留期间找到合适的配对对象，更有利于改造空间的气体质量。精确控制气体流量与CO和CO2的风量比例，数字化控制环境空间的质量（通过风机转速和电离电压的数字化调整）。电离分解结构图如图6所示。
实验表明当空气经过10s电离后可以有效地分解成离子或分子对空气中的有害物质有着很好的净化作用，为后续工作奠定了基础。
2.3 空气水洗单元
空气水洗是本设备的净化核心，我们的设计借用大自然给我们的启示“水洗空气”。当我国北方大部分城市遭到PM2.5等污染物袭击的时候，南方城市并没有雾霾现象，可以说水是消除雾霾的一种最简单的方法，就目前来看国内外还没有利用此原理的空气净化设备。
但是我们也知道单纯的撒水洗雾霾效果并不明显，因此我们设计了空气水洗单元使水洗效果发挥到最佳，空气水洗结构如图7所示。我们利用尼龙无纺水洗布形成水墙然后进行错位排列构成“水洗迷宫”这样不仅增加了气体在设备内的停留时间而且增大了空气与水墙的穿透次数。当空气进入仓室之后 ，在引风机的作用下气体在“水洗迷宫”中反复穿过。由于水自身的吸附性当通过过滤水墙时留下空气当中的宏观微粒和PM2.5颗粒。这时的空气已经基本完成净化，得到略带水汽的气体也达到了加湿的目的。随后我们对设备的透过率和阻力进行实验，实验表明我们产品的透过率≦0.1%（即效率≧99.9%），对粒径≧0.1μm微粒的计数透过率达到≦0.001%（即效率≧99.999%）完全符合高效过滤器的标准[10]。同时为了保证过滤水墙的循环使用，我们设计采用无需动力的虹吸泵，是将一定口径的PVC管子中加满微小的细管；在上下水池中连接，从而保持一定的水位。在下水池的底部安装排污口，方便定时排污。经过实验得出仰程为50cm、给水量50L/h的虹吸泵就可以达到使用要求。
2.4小负离子发生单元
小负离子发生单元就是通过负离子发生器将电子呈散状发射与空气中0.1-0.5微米的小颗粒结合成小负离子完成负离子空气净化的过程。研究表明小负离子本身不仅可以促成人体合成和储存必要的维生素而且还可以强化和激活人体的生理活动因此它又被称为"空气维生素"，世卫组织认为它像食物的维生素一样，对人体及其他生物的生命活动有着十分重要的影响比如每当雷雨过后空气的负离子增多，人们的心情往往感到非常愉悦。但是在现代生活的空调房间中室内新风量远远达不到30m2/h的标准，并且空气中负离子经过一系列空调净化处理和漫长通风管道后几乎全部消失，人们在其中长期停留会感到胸闷、头晕、乏力、工作效率和健康状况下降，这就是被俗称的空调综合症”[11]。
在医学界负离子已经被确认是具有杀灭病菌及净化空气的有效手段。其原理主要是由于负离子与细菌结合后它会促使细菌产生细胞结构的改变或能量的转移进而导致细菌死亡，最终降沉于地面。并且医学研究证明，空气中带负电的微粒使血中含氧量增加，有利于血氧输送、吸收和利用，具有促进人体新陈代谢，提高人体免疫能力，增强人体肌能，调节肌体功能平衡的作用。据考证，负离子对人体7个系统，近30多种疾病具有抑制、缓解和辅助治疗作用，尤其对人体的保健作用更为明显[12]。所以我们设计出小负离子发生单元，对在经过上面工序后的新鲜空气添加小负离子使其对人体更加有益。
小负离子发生单元结构图如图8所示，想要达到小负离子的精准添加负离子发生器是关键，市面上提供的一般负离子发生器，还不能实现控制负离子的种类和质量；更不能控制提供给空间内负离子的数量。因此我们对原有线路进行改进，增加测试反馈系统；气氛监控探头，监视室内空间气氛来达到我们的设计标准，负离子发生器主要参数图见图9所示。
2.5臭氧灭菌单元
通常臭氧在常温常压下是一种淡蓝色并且带有鱼腥臭味的气体，它是大气中的一种微量气体。因其有着很好的杀菌、消毒、除味、的效果，这种气体目前已经广泛应用于饮用水的处理、工业污水的处理等领域。因此我们设计这个环节对空气进行最后的消毒灭菌臭氧灭菌单元结构图如图10所示，但是臭氧同时是一种温室气体，当它的浓度不断增加的同时不仅会对生物造成危害而且严重时还会引发光化学烟雾事件[13]。为解决安全使用与添加量之间的矛盾，我们依据臭氧投放量的公式：
w=c*v/s（2）
（2）式中：W----实际选用臭氧发生器的产量，单位为g/h；
C----单位体积投加量
V----实际臭氧消毒体积m3
S----臭氧衰退系数0.4208
经过测算为满足我们的设计要求臭氧投放量需要控制在0.2g/h，允许值定为4.46×10-9mol/L（0.1ppm）8h我们对发生器进行改造，在电压和电场不变的情况下，依靠调解发生器的电流强度来减少臭氧产量来达到控制臭氧投放的目的，发生器电路图如图11所示。
2.6温度调节单元
本款设备在完成净化工作后，我们又在出风口的附近设置了制冷、制热装置对净化后的空气降温或加热满足现代人的使用要求。通过机身的外置压缩机对氟利昂加压使其变为高温高压气体然后经过换热器实现氟利昂的液化和气化，热量在蒸发器处吸取，转移到冷凝器处释放，从而实现热量的转移，达到制热、制冷的目的[14]。
3结论
本文以51单片机控制技术为基础，设计了一款新型空气净化设备，实现了对空气净化领域的一次革新为实现空气净化器的国内普及提供了可行性方案。这款设备可以适应多种工作环境特别是对于高尘空间的净化效果特别明显，对于室内使用来说不仅实现了空气的净化而且代替了空調作用可以说是一举多得。下一步将研究设备的优化设计、进一步的智能化操作和节能减排的问题。
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第一作者简介：李泽：男，汉族，山东淄博人，工学学士，研究方向：机械设计制造及自动化。第二作者简介：孙如军：男，汉族，山东德州人，工学硕士，德州学院机电工程学院院长，教授，研究方向：节能减排设备技术应用。