室内空气净化器的研究与设计

钱佳佳　张健

摘要：在日常生活中净化器显然已經得到了广泛的应用，但产品太多，有的功能也比较单一，所以要设计出功能更齐全的净化器，掌握更多的技术去研究，制作出更低廉，更受大众青睐的净化产品。各种空气净化技术有力地解决了室内空气污染问题。该文主要讲述采用负离子发生器这一重要的装置，即通过高压电源和加热电源组合控制来达到净化空气的效果，通过代码来检测在有人或无人的情况下，自动改变工作方式，即清新和消毒的工作方式。

关键词：电晕线加热；负离子；STC89C52；负离子空气净化器

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0252-02

1 绪论

室内空气污染现象目前广泛存在于居室等各种封闭的场所中，室内的空气质量在无形之中给人类的身心健康带来了严重的危害。人们现在基本上都待在室内，因此人们的身心健康指标部分取决于室内空气质量的好与坏。悬浮颗粒物和气态污染源是造成室内空气污染的主要来源，装修居室产生的污染物（如甲醛、雾霾、细菌等），这些肉眼看不到的细小微粒潜伏在我们身边时刻危害着我们的身心健康。空气净化器是当今这个社会主流的产品，在改善空气环境方面的确很有效，值得我们每个人拥有，确实很受大多数家庭的青睐。不过现在市场上净化器的种类比较多，而且价格相对来说都比较昂贵，还有就是有的净化器功能不是很完善，需要更多的人去设计更好，更实惠的产品。

本论题通过采用电晕线加热的方法来控制负电晕放电时产生的臭氧浓度以及尽量保持负离子发生器的臭氧浓度在国家安全标准之下，使得O3浓度在安全范围之内，是一款能够产生高负离子浓度以及净化效率极高的负离子发生器。

2 需求分析

2.1 功能需求

室内负离子空气净化器的主要工作原理是指在放电的作用下，一些自由电子与另外的气体结合就生成了负离子，而此时负离子与颗粒污染物组合在一起就构成了“重离子”，它会沉降或者附着在物体外表层，可以起到杀灭细菌的效果。设计的这款室内负离子空气净化器，首先能够吸附，分解或转化各种空气污染物。其次，产品在工作过程中可以保证不会产生过多的臭氧，确保在安全范围内。并且，产品的操作要简单方便，适用于广大需求群体。

2.2 安全需求

室内经常会存在各种对我们身体有害的物质（如甲醛，苯等），这个时候就可以通过空气净化器产生的负氧离子有效的去控制，尽量消除对我们有害的物质。空气中的负离子浓度越大，对我们的身体越有益处。净化器在工作的时候，由于工作时间过长，会导致产生过多的臭氧，对我们身体产生伤害，所以就采用两种工作方式，即有人的时候使用清新方式，没有人的时候就转变为消毒的工作方式，确保对身体健康没有影响。如今，随着人们生活水平的提高，人们越来越注重养生，空气净化器正好迎合了人们的需求。

3 室内空气净化器的设计

3.1 负离子空气净化器的设计实现

3.1.1 电晕放电在空气净化器设计中的实现

如图1所示，为负离子空气净化器的结构，通过电晕放电方法生成负离子。因为高压电源给电晕线供电，所以电晕线得最高电位是在-9KV左右，产生电晕放电，这样就完成了负离子空气净化器生成负离子的目的[1]。

3.1.2 加热电晕线降低产生臭氧浓度的实现

通过采用电晕线加热这一举措，可有效抑制负电晕在放电的时候生成更多的O3以及尽量减少负离子发生器产生的臭氧，保证其浓度不会超标 [2][3]，使得负离子发生器既有更高的效率，又有更高的安全度。

根据臭氧的三体反应速率为[4]：K=2.5×10﹣35exp（970/kT）可以看出，臭氧形成的三体反应速率与温度有关，随着温度的上升，速率会慢慢降低。

Oh kubo 等人通过对正电晕放电的研究，得出了臭氧（O?）的生成会在电晕线附近产生较多，说明了臭氧的形成区是在电晕线周围。通过电晕线加热的方法可以尽量减少臭氧的产生，既负离子发生器的臭氧浓度也会随之降低。

3.2 室内空气净化器的电路设计

3.2.1 控制电路的实现

以STC89C52型单片机为中心设计了负高压电源和加热电源对电源主电路起到了主要的作用。如图2所示为控制电路框图。

3.2.2 负离子发生器

负离子同细菌组合在一起之后，细菌的结构会发生一系列的变化，细菌会被消灭掉，最终被分解，飘落在地表，空气中的细菌数会迅速缩小，空气中的尘埃碰撞到负离子之后，会发生反应，从而减少了空气中的尘埃。

图3为负离子发生器的简单电路：

3.2.3 臭氧发生器

如图4所示为臭氧发生器电路图，分别由振荡和功率放大电路、“清新”控制电路、“消毒”控制电路以及遥控电路组成。

通过代码来检测在有人或无人的情况下，自动改变工作方式。通过晶振电路和复位电路来实现时间的自动转换。

主程序如下：

int man =person；

{

if（1 == man） // man字节检测到有人时为1，无人时为0

{ while（man） //净化器采用“清新”的工作方式

{//控制振荡器工作

Thread.currentThread（）.sleep（300000）； //毫秒

//控制振荡器工作5min

//控制振荡器停止

Thread.currentThread（）.sleep（1800000）； //毫秒

//停止30min，交替工作

//控制振荡器工作

} }

else //净化器采用“消毒”的工作方式endprint

{Thread.currentThread（）.sleep（3600000）； //毫秒

//净化器采用“消毒”的工作当控制振荡器连续工作1h后停止}

}

3.2.4 人体感应模块电路

如图5所示，为人体感应模块电路图。

由于人体温度特殊这一表象，使得红外传感器可以通过波长来判断是否有人，通过人本身的特征，来识别，既方便又准确。此电路图通过人体感应模块的输出信号端，采用三极管的放大原理，使信号慢慢变大，促使发射模块能够成功发射信号。

3.2.5 空气质量检测模块

空气质量检测模块由STC89C52单片机组成的最小系统以及温湿度传感器DHT11和DSM501粉尘传感器构成的。如图6所示，为DHT11模块原理图，如图7所示，为粉尘传感器DSM501的原理结构图。

粉尘传感器根据光的散射理论，微小的颗粒和分子会产生散射光，而且光的吸收能量。在颗粒物较多的环境下，一束平行单色光射入到该环境下时，会受到颗粒物的影响，光的强度会相应的减弱，这样的话就可以计算出光经过颗粒物较多的环境下所对应的相对衰减率，通过衰减率大概就可以反映出粉尘的相对浓度。

4 总结

设计的这款室内负离子空气净化器有一些功能已经大致完成，其效果就是负离子能够吸附，分解或转化各种空气污染物。单片机使用的是STC89C52来完成设计，来完成整体电路的设计。是一款节能，智能，清新持久的净化器。外加辅助电路，如复位电路，时钟电路以及人体感应器电路，空气质量检测模块等，即实现清新和消毒两种工作方式的自动转化。该系统不足之处，净化部分预算较大，没有實现，只实现了部分模块，即温湿度检测以及PM2.5检测模块。

参考文献：

[1] 孙钦.电极加热型室内负离子空气净化器电源的优化设计[D].大连：大连理工大学，电工理论与新技术，2007.

[2] 李杰.电晕线加热降低负离子空气净化器臭氧浓度的实验研究[J].环境科学学报.1996，3（16）：372.

[3] 李杰，刘林茂，王海军等.电晕线加热情况负电晕放电特性研究[J].东北师范大学学报.1996（2）：53-57.

[4] 梁平.低臭氧负离子发生器优化实验研究及其电源的设计[D].大连：大连理工大学，2005.

[5] 吴忠标，赵伟荣.室内空气污染及净化技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[6] 阿秋. 能产生负离子的空气净化器简介[N].电子报，2015.endprint