基于单片机技术的太阳能主动式空气过滤头盔系统设计与实现

王正优，赵建川，黄菊香，蔡鹏霄，刘 鲜，杨 澳

（贵州师范学院 数学与大数据学院，贵州 贵阳 550018）

0 引言

骑行车辆离不开保护人们头部安全的头盔，现有骑行头盔分为全罩式与半罩式两种。半罩式头盔虽然透气性强，但是不能过滤空气中对人体有害的粉尘及细菌，且安全性低；全罩式头盔相较于半罩式安全性变高，但是也存在头盔内部的空气流通性变差，且空气没有进行过滤等不足。本文因此将改善上述头盔的不足及对绿色可再生能源的利用作为研发的主方向。太阳能主动式空气过滤头盔是一款集太阳能供电、电源管理、头盔内部温度检测、主动式进气、空气过滤为一体的多功能全面罩骑行头盔，在保护头部的同时还能过滤空气中的有害物质[1-2]。

1 太阳能主动式空气过滤头盔的原理

太阳能主动式空气过滤头盔的原理设计[3]由供电管理以及降温处理两大部分组成。光伏发电板、电源管理电路、蓄电池构成充电管理模块。光伏发电板将光能转换为电能储存在蓄电池中，电源管理电路给降温处理系统供电；降温处理系统以STC系列芯片为主控，温度传感器块将检测到的头盔内部温度与设定的温度对比，当达到开启降温处理的条件时开启风扇，增加空气流动性，以达到主动进气及降低温度的效果，同时头盔内部的温度通过OLED显示屏实时显示。太阳能主动式空气过滤头盔原理如图1所示。

2 太阳能主动式空气过滤头盔的硬件设计

2.1 电源电路设计

本系统的电源电路[4]由光伏发电板、BQ2057充电管理芯片、PNP三极管、电池、电阻、LED等元器件组成。光伏发电板将光能转换为电能，实现对绿色能源的有效利用。通过BQ2057以及外电路构成电源充电管理电路，实现对蓄电池的充电管理；蓄电池电力不足时开启充电模式，当蓄电池充满电后自行结束充电模式。电源电路设计如图2所示。

图2 电源电路设计

2.2 主动换气控制电路设计

本换气控制电路利用DS18B20检测头盔内部温度，当检测到头盔内部温度达到设定温度时，启动风扇P1、P2，将外界空气由换气罩侧部的换气孔抽入换气罩内，经滤棉活性炭过滤网过滤后，再由风扇的出风口导出，然后进入头盔本体内腔空气。主动换气控制电路设计如图3所示。

图3 主动换气控制电路设计

3 太阳能主动式空气过滤头盔结构设计

太阳能主动式空气过滤头盔包括基础组件和换气组件。

基础组件包括头盔本体和护目镜，头盔本体上开设有观察口，护目镜铰接在所述观察口外侧。换气组件包括太阳能软板、蓄电池、温控开关、换气罩、活性炭过滤网、固定架和风扇；头盔本体侧部贯穿开设有开口，换气罩固定在开口外侧；换气罩侧部贯穿开设有换气孔，活性炭过滤网和固定架固定在换气罩内腔，风扇安装在固定架上。

整个系统利用活性炭过滤网与换气孔和外界进行空气交换。在换气过程中，利用活性炭滤网层吸附汽车废气中的有机挥发物以及过滤空气中对人体有害的粉尘及细菌，同时系统内部搭微型风扇，在对吸入空气进行净化的同时能够增大头盔内部空气流通量。太阳能主动式空气过滤头盔结构设计如图4所示。

图4 太阳能主动式空气过滤头盔结构设计

4 结语

太阳能主动式空气过滤头盔可以在短时间内对头盔内部进行空气交换，在空气交换的过程中还能过滤粉尘，同时将太阳光储存起来作为蓄电装置，这样既达到环保低碳的效果又能很好地保障人们的健康和安全，从而更有利于人们的出行，所以本文的研究将有很好的实用意义和前景。