空气滤毒净化风机系统的研究与设计

武昌工学院 舒 畅

空气滤毒净化风机系统应用于人员密集、空间封闭、空气不流通的密闭环境中的一种空气净化防护装置，如使用在作战方舱、潜艇和特种医疗方舱中。此研究是为了改进和优化现有滤毒净化系统，系统采用传感器感应采集周围空气中主要成分数据含量，通过数据传输，单片机系统分析、显示、反馈，自动调节风机转速，降低噪声，提高滤毒净化系统的工作效率，达到自动调节、节能环保、保护工作人员安全等目的。

系统主要功能是通过风机系统过滤净化密闭环境中有毒有害气体，把纯净的空气送入舱室，使内部形成超压，阻止有毒有害空气进入，形成良好的工作环境。现有的滤毒风机系统装置在工作过程中，基本处于风机恒速运转，没有传感器采集设备，无显示器显示空气成分含量和提示信息，有些装置滤芯过滤材料单一，不能很好地过滤有毒气体成分，发挥不了作用。为此，对滤毒净化系统进行重新设计改进，采用多种传感器感应采集室内和室外空气中主要大项成分指标，分析和实时显示在设备显示屏上，同时传输给单片机进行分析，分析结果反馈到显示屏提示和报警，操作者可以根据提示操作，如提示更换滤芯过滤材料。系统还能自动调节风机转速，提高滤毒净化风机系统的工作效率。

1 系统原理

空气滤毒净化风机系统由离心式风机系统和数据处理和显示系统组成。离心式风机系统由风机机械部分和过滤材料等组成，主要含滤毒滤尘器、离心式风机装置、阻隔阀门、风道、内外传感器等。数据处理和显示系统由单片机系统、显示系统、报警系统等组成。

空气滤毒净化风机系统主要应用于一些工作在空气污染环境下的密闭舱室里，给工作于密闭舱室人员提供免遭有毒有害气体侵蚀的清洁的呼吸空气，一般配置于作战方舱、潜艇和特种医疗方舱等场合。当周围空气遭受有毒有害气体污染时，此系统启动，通过传感器感应周边气体成分，实时显示空气指标数据，对舱外流入舱内的有毒有害空气进行过滤净化，根据受污染程度自动调节控制风机转速和调节通风量，并且在舱内保持一定的超压，阻隔阀门关闭。

空气滤毒净化风机系统结构框图如图1所示，包含离心式风机系统、有线/无线数据传输系统、单片机数据处理与显示系统等。

图1 系统结构框图

离心式风机系统由风机机械部分和过滤材料等组成，单片机数据处理与显示系统包括控制传感器实现数据采集，算法分析和处理，数据生成和显示等。

系统采用各种传感器实时采集舱内和舱外空气成分指标数据，通过有线/无线数据传输系统传输到单片机，单片机分析计算，将结果报警提示和空气成分送显示器显示，同时将控制信号反馈到风机系统，实现自动调节风机转速和开启阻隔阀门等。

2 工程设计

空气滤毒净化风机系统主要通过离心式风气系统中各种传感器采集舱内外空气成分含量指标，传输给单片机分析计算。将结果通过显示屏显示空气成分参数值（如果某成分超标，启动报警系统），同时将控制信号反馈到离心式风机系统，控制自动调节风机转速和隔断阀门，调节通风量。组成系统的硬件主要有：滤毒滤尘器、离心式风机装置、阻隔阀门、风道、内外传感器、单片机、报警装置和显示屏等。系统控制软件使用C程序设计语言进行开发，分析传感器采集到的空气成分数据，算法计算，数据反馈，数据显示和报警提示等。

2.1 整体设计

系统采用“硬件+软件”的设计思想，以模块化搭建开发为基础，逐步完成各功能来扩展式组建系统。

系统各设备连接接口灵活，这样使本系统可以适用于不同的工作场合，移植性、扩展性、可剪裁强，提高了系统的快速集成性和工作效率。

系统接口按照标准化设计，在硬件尺寸上、软件编程上统一标准，这样方便系统功能扩展，也利于第三方研制软件的接入。

2.2 技术设计

2.2.1 离心式风机系统

（1）过滤材料的选择

根据装置使用环境条件的不同，系统备选了多款过滤材料，这些过滤材料选用市场上成熟的有毒有害气体吸附材质，便于更换，降低成本。

（2）离心式风机装置的选用

离心式风机装置选用低噪音、低成本的空压机，在系统使用过程中的作用主要是实现舱内外空气的流通送压和过滤处理。

（3）滤毒滤尘器的选用

滤毒净化系统的滤毒滤尘器主要有一个气水分离器和三个滤毒滤尘过滤器。在系统应用过程中，不同过滤器具有对不同有毒有害气体成分的过滤效果。

（4）阻隔阀门的选用

阻隔阀门选用气密性好的电磁阀或手动球阀，阀门的阀体一般采用金属材质，保证阀门在长时间使用时的稳定性和安全性。

2.2.2 数据处理与显示系统

数据处理与显示系统是基于STC89C52单片机和传感器相结合的智能信息处理、显示和报警系统，主要包括以下几个模块，如图2所示。

图2 系统硬件结构连接图

（1）微控制器模块。STC89C52单片机系统是整个系统的核心数据处理和控制模块，处理整个系统的数据采集信息和输入与输出信号，对系统其他模块进行控制，并完成数据的转换、存储和发送等功能。

（2）电源模块。电源模块为报警系统提供基本工作电压。

（3）传感器模块。传感器模块主要包括检测空气成分含量的主要传感器，含温湿度传感器、烟雾传感器、声光传感器、有毒气体成分传感器等。用于采集舱内外空气中的主要成分项指标，重点采集有毒有害气体含量指标。

（4）显示模块。显示模块采用LCD1602，它可以清晰直观的显示气体成分、烟雾浓度和报警阈值等信息。当系统检测到超出警报阀值信号时，单片机根据采集到的数据信号传送至液晶屏使之显示相应结果，同时激活报警装置。

（5）声光报警模块。声光报警模块由有源蜂鸣器和LED灯构成，红黄蓝绿4盏灯分别代表有毒报警灯、火焰报警灯、温度报警灯和烟雾报警灯，哪项元素检测超标，就对应点亮哪盏，并且蜂鸣器发出警报。

（6）键盘模块。按键模块采用6个机械按键作为操作输入设备，其主要功能包括以下四方面：一是用来控制系统的状态（开和关）；二是用来设置报警阈值的大小；三是能够进行复位操作；四是可以进行手动报警，在紧急情况下能第一时间发出警报并引起周围人的注意，体现了该系统的实用性和实时性。

2.2.3 系统软件设计

（1）数据模型的设计

系统中单片机分析的依据是传感器采集的空气成分数值。在一般的空气成分中，重点考虑的是有毒有害气体成分，不同的工作环境，有毒有害气体不同，算法需要做部分调整。本系统数据模型算法采用模糊控制理论，由于系统需要考虑的空气成分指标因素多而杂，无法精确确定控制函数，所以本系统运用模糊控制理论来建立数据模型算法，而不是建立精确的数学模型，这样易于进行控制；模糊控制是一种非线性控制，抗外部干扰性能好，算法响应速度快，对参数的变化有较强的鲁棒性。

常见的空气质量数据模型算法一般根据采集的空气中主要污染物、有毒有害气体来计算分析，如一氧化碳、一氧化氮、硫化氢、二氧化硫、氯气、甲醛、化学毒气、氰化氢、芥子气、路易斯毒气、维克斯毒气、沙林和毕兹毒气等。

计算空气质量指数（IAQI），全面考虑主要污染物、有毒有害气体的空气质量分指数和质量浓度值，按照算法计算后比较。特例：探测到空气中的生化物指标时，立即报警。

（2）程序设计

在单片机运行语言开发实践中，C语言是普适性最高的一种编辑语言。它不仅可移植性强，兼容于大多操作系统环境，而且还结合了汇编语言与其他高级语言的特点，在编写单片机程序时，层次清晰、逻辑性强、可读性高，本文选用C语言作为编辑语言。

系统首先进入系统初始化和报警值的初始化。待全部初始化完成之后，系统自动进入一次循环处理过程：首先读取舱内外数据采集传感器检测到的空气成分值，并依次在显示屏上滚动显示出来。然后再将接收到的信号与最初设定的报警阈值进行比较，判断是否大于阈值，以及是否有有毒有害气体产生，当发生其中一种情况，则点亮对应的警示灯，并启动蜂鸣器进行声光报警，另外若检测到手动报警信号也会触发声光报警。最后就是判断设置按键是否被按下，是的话则调整报警值的大小，否则继续开始新的一轮检测、显示、判断。

结束语：基于改进和优化的滤毒净化风机系统摒弃了传统的恒定风机转速和净化装置，尤其是对传统风机无采集周围空气环境数据，无单片机计算分析数据和反馈控制系统。通过本文的研究，可以解决现有滤毒通风系统在不同应用环境下的应用，尤其适合有毒有害气体环境下的应用。通过舱内外传感器采集环境数据，传输到单片机，通过单片机数据模型算法对数据处理和分析，实时显示和反馈，以此调节风机系统，使用效率和智能应用上有很大的改进。

设计的空气滤毒净化风机系统还需要在特定情形下测试和调试，以达到适应不同的应用场合。在未来将与相关厂家和研究所达成合作试验和优化研究，研制的样机在特定环境下进行试用，比如在复杂作战环境、复杂医学环境下测试系统的稳定性和各项性能指标，以期达到性能优良的目的。