“天空卫士”

徐玲 翟娟 李勇强 张丰怡 张宇

摘  要：针对大气污染日益严重的问题，文章介绍了一种新型高效环保的太阳能雾霾净化装置，该装置含有雾霾传感器、单片机、步进电机、温湿度传感器等模块，利用雾霾传感器和温湿度传感器检测空气污染水平，当达到污染程度时净化器开始工作，经过分层过滤将新鲜空气传到大气中，通过雨水收集系统和自来水辅助装置提供水源，用水泵喷出高压水来清洗过滤系统，污水存入废水储存箱中用来冲洗居民马桶。能耗低、效率高，应用前景广泛。

关键词：雾霾净化；太阳能；节能减排；废水利用

中图分类号：TP391；X51  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）09-0068-04

Abstract： In view of the increasingly serious problem of air pollution， this paper introduces a new efficient and environmentally friendly solar haze purification device. The device contains haze sensor， Single-Chip Microcomputer， stepper motor， temperature and humidity sensor modules， and uses haze sensor and temperature and humidity sensor to detect the level of air pollution. When the degree of pollution is achieved， the purifier begins to work， and the fresh air is transmitted to the atmosphere through layered filtration， then water is provided through the rainwater collection system and tap water auxiliary device. The high-pressure water is sprayed by the water pump to clean the filtration system. The sewage is stored in the waste water storage tank and used to flush residential toilets. It has low energy consumption， high efficiency， and broad application prospects.

Keywords： haze purification; solar energy; energy conservation and emission reduction; waste water utilization

0  引  言

随着当今社会经济的迅猛发展和城市化进程的加速，大气复合污染[1]在我们国家中东部情况不容乐观，我国许多城市的大气环境质量要比国家标准水平高，灰尘、重金属、二氧化硫和一些细小的颗粒物是雾霾的主要组成部分，近地层的紫外线电磁辐射的大小会因为雾霾而变小，生活空间的病菌活性增强，活性增强则导致流行病增多，对人体健康产生极其大的威胁。

据统计，我国有许多一二三线城市由于雾霾[2]问题而影响生活，全国平均有雾霾天气[3]的天数高达29.9天，而且这种情况每年日益严峻。根据相关研究表明，空气中PM2.5浓度过高会提高人体患癌概率。就目前情况而言，由于PM2.5浓度水平过强，可导致每年一线城市居民受到雾霾的影响，严重则会导致死亡。国外的雾霾净化器发展历程从70年代开始，雾霾净化发展与时俱进，在20世纪90年代，采用光触媒技术和脉冲电晕联合二氧化钛光催化技术；我国的雾霾净化器行业发展起步晚，2013年以前仍属于导入阶段，普及率实施率較低。

本装置利用太阳能供电，太阳能作为清洁能源应该被高效利用，我国占地面积广，接收太阳辐射强，所以太阳能的利用前景十分广阔。

1  雾霾净化器的总体设计

本装置通过太阳能充电系统（太阳能电池板、蓄电池和防逆流）实现对雾霾净化器自动蓄电；用DHT11传感器检测空气中的温湿度，再将检测结果传到单片机，当温湿度超标时则蜂鸣器会响，进而驱动装置开始工作；引风机启动，粗滤部件过滤掉空气中颗粒较大的杂质，然后通过精滤部件过滤颗粒物较小的杂质；开启减速电机和水泵，通过水泵中的高压水清洁滤芯，然后通过继续开启减速电机让过滤器旋转干燥卸污。当收集的雨水达到通过最大蓄水量时，通过排水系统连接居民马桶系统进行利用。方案的总体设计图如图1所示。

2  系统硬件设计

2.1  雾霾传感器模块

本系统采用的是FTL-GP2Y1010AUOF-01型PM2.5传感器，这是由深圳市法特力实业有限公司自主研发的，该传感器主要应用于大气中PM2.5的检测，并且适用范围广泛。

FTL-GP2Y1010AUOF-01型PM2.5传感器的功能特点有：数据精确，激光散射原理实现精准测量；智能检测，实时检测传感器各项指标；采用双频数据采集技术；金属屏蔽外壳，抗干扰性好；独有激光自校准技术；可制定风口方向，适用范围广。

传感器中间有一个空气通过的大孔，可以通过发射LED光判断含尘量，然后将电信号经过滤波放大电路和微处理器转换为数字信号。串口输出连接TXD、VCC和GND引脚；UART默认输出3.3 V的接口电平、MCU端是5 V。线路图如图2所示，传感器功能框图如图3所示。

2.2  单片机模块

本系统设计使用STC89C52RC单片机，这是由STC公司生产的CMOS8位微控制器，价格低廉且使用简单。

该模块的主要作用是将检测的温湿度结果实时传输至单片机控制中心，当湿度大于90%时，蜂鸣器会响，设备开始工作。STC89C52RC管脚图如图4所示。

STC89C52RC单片机的特性有：有32位输入/输出口线；有3个16位定时器/计数器，4个外部中断；复位信号输入，在引脚加持续时间大于2个机器周期的高电平，可使得单片机复位；片内为128 B，片外最多可扩64 KB；工作温度范围宽，应用范围广。

2.3  温湿度传感器模块

本系统利用DHT11温湿度传感器，其中含有测温和感湿元件各一个，与STC89C52RC传感器相连，拥有数字模块采集技术和温湿度检测技术，相对湿度高于90%时，带动步进电机工作，传感器的线性范围宽，量程大，可保证一定的测量精度。

DHT11一共有四个引脚，引脚1为电源引脚，外接3.3～5 V；引脚2为数据引脚，串行数据，接单片机的I/O口；引脚3为空引脚，引脚4接地。DHT11是一个单总线，但是又像iic一样有数据线和控制，主要是通过引脚2接到引脚，和上拉电阻来实现的。除此以外，传感器功耗低且噪声小，可防外界干扰，自身拥有较强的稳定性也保证了可以进行较长时间的工作。DHT11原理图如图5所示。

2.4  步进电机模块

本系统采用3ND2283数字式三相步进电机驱动器[4]。微步细分有16种设定，步数每转30 000步，因为含有8种类型的输出电路所以可在较多范围内应用。本身含有的微步细分使得不管在什么条件下，都能展现高细分的效果。任何速率工作时都能体现较好的稳定性。设有的保护电路使得过压、过流等条件下也能安全工作。微步细分设定如表1所示。

本装置步进电机有两个作用，高速电机带动水泵对过滤器进行自动冲洗，减速电机使得滤清器工作，进行清洗干燥卸污。

电机特点有：电机参数自动整定功能，适应共阳、单脉冲模式，静止时电流自动减半，光耦隔离差分信号输入，断电相位自动记忆。

2.5  微压差传感器模块

本系统采用MS系列Magnesense微压差传感器[5]，用于监测压差、压力和空气速度的情况，他利用独特的磁传感技术进而能进行长时间的工作，现场可调公制英制2种单位，精度较高，稳定性较强、反应时间0.5～15 s。90%的反应时间可被提供1.5～45 s。电力消耗最大40 mA，当压差小于28 Pa时，开启水泵喷出高压水，开启高速电机进行自动冲洗。

本装置通过微压差传感器检测空气滤清器内外压差，设定上限，当压差达到上限则开启高压水，微压差传感器的实物图如图6所示。

3  系统软件设计

3.1  太阳能充电系统

本设计使用的太阳能充电系统[6]主要由多晶太阳能电池板、电瓶和逆功率保护装置组成，可对设备进行蓄电。多晶功率太阳能电池板产生电能，逆功率保护装置可对安全问题进行防护，当电瓶的电充满时此模块会自动切断电路，这样不仅能增长电池板的使用寿命且能持续供电，此外还设计在下雨时，收集雨水备用，当雨水用完时，使用自来水。光伏电池板向蓄电池供电，多余电能可进行并网，电网也可配电到蓄电池，进而保证系统正常运行，太阳能充电板如图7所示。

3.2  分层过滤装置

过滤一共分为粗滤和精滤两个过程，当净化装置开始启动时，此时旋转门开启，外部空气在引风机的作用下加速流向滤网，此时粉塵等颗粒物进行初级过滤，然后进入第二层精滤部件，此部件选用HEPA滤网，滤网过滤分4个形式：拦截、重力、气旋和布朗运动。拦截可理解为筛子，主要针对体积较大的颗粒物；质量大体积小的颗粒物会在重力的作用下经过HEPA时速度变慢，颗粒物附着在滤网上；小颗粒物会由于编制不均的滤网的气流旋涡而吸附在滤网上；超微颗粒由于布朗运动直接得到净化。

过滤完成后，空气中的大部分污物已被净化。因为过滤后有污物残留，所以设计了微压差传感器，当压差小于28 Pa时，开启水泵喷出高压水（水由雨水收集系统提供，若遇到干旱时节用自来水补给），开启高速电机进行自动冲洗。当滤网上的污物过多装置停止工作。此时对污物进行清洁，对设备进行清洗干燥。产生的污水连接排水系统进行利用。这样自然形成了一个闭环净化系统。

4  实验检测及分析

将装置配置好进行调试，检测太阳能电池板集电后是否能带动步进电机、引风机等的工作，检测步进电机是否能带动旋转门正常运转，通过调整不同风速检测引风机是否能将空气吹往两层过滤装置，若设备能正常工作则进行实验数据的测量。

调试后，雾霾通过检测空气中的颗粒物浓度来检验雾霾净化器的净化空气的能力。下表为每隔两分钟的PM2.5的浓度参数，实验检测数据如表2所示，由数据可以看出，过滤后的PM2.5的浓度要比过滤前PM2.5浓度低60%左右，由空气中的颗粒物被吸收而达到净化空气的效果。雾霾净化器的实物图如图8所示、净化后的检测结果如图9所示。

5  结  论

大气环境是人类生存的宝贵资源，在空气污染日益严重的情况下，保护大气环境、净化大气环境就显得尤其重要。本文所阐述的新型高效太阳能驱动装置充分利用的太阳能，能耗低、效率高，产生的污水还能循环利用，既节能减排又能净化空气，具有良好的应用价值。

参考文献：

[1] 邵智娟.室内PM（2.5）污染及对人群健康的影响研究 [D].南京：南京大学，2019.

[2] 谭珣，叶淑姿，魏丽梦，等.不容忽视的空气——雾霾对市民心理影响 [J].新丝路：下旬，2016（10）：85.

[3] 位贺杰，杨一鸣，吴群.多雾霾城市绿地空气净化服务与景观格局的关系——以河南省安阳市区为例 [J].水土保持通报，2021，41（4）：292-299+309.

[4] 杨晓斌，何晓文.基于微压差测量技术的灭火剂浓度机载测试系统设计 [J].计算机测量与控制，2022，30（5）：75-80+91.

[5] 刘艺，刘宝泉，鲁毛毛，等.混合式步进电机自抗扰控制器状态观测反馈优化方法 [J].重庆理工大学学报：自然科学，2022，36（10）：208-215.

[6] 李英峰，张涛，张衡，等.太阳能光伏光热高效综合利用技术 [J].发电技术，2022，43（3）：373-391.

作者简介：徐玲（2000—），女，汉族，江苏泰州人，本科在读，研究方向：控制理论与控制系统；通讯作者：翟娟（1990—），女，汉族，江苏扬州人，讲师，硕士，研究方向：控制理论与控制系统。