一种简易负离子净化器设计

李敏　朱元甲　陈斐彪

关键词：负离子；单片机；多重净化

中图分类号：TM925.16 文献标识码：A

0 引言

传统的空气净化器大多使用滤芯来实现过滤的功能，这种方式虽然能够达到一定的净化效果，但是由于滤芯需要经常更换，并且随着过滤次数的增加，滤芯的过滤效果也在逐步降低[1-2]。还有一种净化器是采用静电除尘的方式，使含尘气体经过仪器内部的高压静电场时被电分离，尘粒与负离子结合带上负电后，趋向阳极表面放电而沉积。这种方式净化效果较好，但由于吸附的尘埃容易造成循环污染，产生的高压静电场也存在一定安全隐患[3]。2022 年，于德添等[4] 设计了一种新型负离子空气净化器，采用负离子发生器产生的负电荷与尘埃进行结合，达到净化的效果，避免了上述两个弊端，且效果较好。2023 年，韦兴龙[5] 设计了一种可以发射负离子的新型电风扇，其同样是与负离子发生器结合，使用风扇转动所产生的气流将负离子作用到空气中，从而达到净化空气的目的。

随着技术的发展与设备的更新迭代，目前市面上的空气净化器大都能起到较好的空气净化作用，但由于其大多是为净化室内空气而设计的，设计时考虑房屋的大小，兼顾的范围或广或狭，从而经常出现净化效果不佳的情况。为此，本文结合市面上空气净化器的优点，设计了一种可以实现风扇送风、负离子净化和紫外线照射等功能的简易负离子净化器，主要适用对象为人体经常接触的生活用品。由于其作用范围较小，能增加一定范围内的负离子浓度，从而达到更优的净化效果；风扇送风功能可以使净化范围更加全面；紫外线照射功能可以在净化空气的同时起到消毒杀菌的作用，由此，本设计具有较大的实用价值，市场前景较好。

1 系统总体设计

系统总体框架如图1 所示，整个设计主要由3 个部分组成，分别为输入部分、单片机与输出部分。其中输入部分由按键电路构成，主要实现对净化器的模式和时间进行选择与设置；单片机是整个设计的运算处理中心；输出部分为各个负载的控制电路，主要实现负离子、风扇、紫外线和声光的控制功能。

2 系统硬件设计

系统硬件框架如图2 所示，主要包括按键电路、单片机最小系统、负离子控制电路、紫外线控制电路、风扇控制电路、声光控制电路和电源电路。

2.1 单片机最小系统

本设计采用的单片机为STC89C52 单片机，拥有1 个8 位中央处理器、32 个输入输出端口和2 个16 位定时器，完全能够满足需求。单片机最小系统主要由主控单片机、时钟晶振电路和复位电路组成，其中，时钟晶振电路可以为主控单片机程序提供时钟脉冲；复位电路可以保障单片机正确、稳定地运行，从而确保指令得到有效执行。

2.2 负离子控制电路

负离子是带有一个或多个负电荷的粒子，其可以与空气中带有正电荷的颗粒污染物相结合并沉淀，从而达到净化空气的效果。本设计使用的负离子发生器如图3a 所示，其为一种碳刷负离子发生器，采用电晕放电法生产负离子，供电电压为12 V直流电，控制电路如图3b 所示。图中GND 为电线接地端，代表地线。由于双栅场效应管能承受较大的瞬时电压和电流，因此使用其作为控制电路的开关；电路中的二极管和电容主要起到保护作用。

2.3 紫外线控制电路和风扇控制电路

紫外线控制电路和风扇控制电路采用的电路结构与负离子控制电路采用的电路结构类似，不同点是紫外线控制电路和风扇控制电路驱动电压采用的是5 V 直流电。紫外线控制电路采用并联的方式连接紫外线灯，使其能够独立安装到指定位置，方便对整个空间进行消毒杀菌。风扇控制电路则可以通过程序调节其风速大小。

2.4 按键电路和声光控制电路

按键电路采用共地方式，主要实现启停控制、模式选择和时间设置的功能。时间设置主要通过使用两个按键实现时间的增减。模式设置分为单负离子模式、单紫外线模式、单风模式和它们间的组合模式。声光控制电路用于实现对声光的控制功能。

2.5 电源电路

电源电路需要考虑整个装置的电压与负载所需要的电流。由于设计中并联的紫外线灯和风扇的驱动需要较大的电流，所以，本设计采用LM2596 电源驱动芯片，电源电路如图4 所示，电路的供电电压为12 V 直流电，电流可以达到3 A，完全能够满足需求。电源电路中，输出电压可以进行调节，由于本设计中需要的供电电压和多数负载的驱动电压为5 V，所以将其调节为5 V。

3 系统软件设计

系统软件主要由主程序、模式选择子程序与时间设置子程序组成。主程序用于实现净化器的整体逻辑功能，包括模式选择子程序与时间设置子程序的调用、各个负载的驱动等。模式选择子程序用于实现使用者对模式的选择与确定功能；时间设置子程序用于实现使用者对各个模式运行时间的设置和确定。

3.1 主程序

主程序流程如图5 所示，程序开始后首先进行初始化，随后进入while 循环。在while 循环中，首先调用模式选择子程序，用于确定使用者想要的模式。其次调用时间设置子程序，用于确定当前模式的运行时间。模式和时间都完成确定后，驱动相应负载，执行净化指令，等待净化时间到达，停止驱动负载。

3.2 模式选择子程序

模式选择子程序流程如图6 所示，程序开始后，判断对应的模式按键是否被按下，确认模式按键按下后，则使模式变量自加1，同时开启计时，若在10 s 内没有按键按下，则判断为模式确认；如果在10 s 内有按键按下，则使模式变量自加1，并继续重新开启计时。

3.3 时间设置子程序

时间设置子程序流程如图7 所示，其过程与上述的模式选择子程序类似。程序开始后，判断时间设置按键是否按下，其中时间设置按键包括加按键和减按键。确认时间设置按键按下后，则使时间变量自加1 或减1，同时开启计时，若在10 s 内没有按键按下，则判断为时间确认；如果在10 s 内有按键按下，则使时间变量自加1 或减1，并重新开启计时。

4 性能测试

本设计在完成电路设计和程序调试后，开始进行性能测试，测试效果如图8 所示。使用弥漫大量烟雾的密封空间进行净化测试，可以观测到所有功能都能正常运行。其中碳刷负离子发生器的碳刷輸出端发射出负离子，在经过一段时间后发现烟雾浓度有较明显的降低。由此可知，此装置能够对人体经常接触的生活用品实现较好的净化和消毒效果。

5 结论

本文设计了一种简易负离子净化器，其主要是针对与人体接触较多的生活用品，对其放置的空间和其本身进行净化消毒。整个装置采用单片机进行控制，可以实现风扇送风、负离子净化和紫外线照射的多重净化杀菌效果。由测试结果可知，整个装置功能正常，测试效果较好，具有较高的实用价值，值得推广。