為了給人們提供清潔和安全的室內空氣，空氣凈化器行業(yè)的技術(shù)人員正在進(jìn)行各種研究開(kāi)發(fā)、創(chuàng )新設計，以此滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，該市場(chǎng)前景廣闊，開(kāi)發(fā)潛力巨大，隨著(zhù)時(shí)間的推移，今后的空氣凈化器技術(shù)將更加完善，并有新的突破。
一、空氣凈化器過(guò)濾原理簡(jiǎn)介
空氣凈化器是指能夠吸附、分解或轉化各種空氣污染物，有效提高空氣清潔度的設備，目前以清除室內空氣污染的家用和商用空氣凈化器為主?？諝馕廴驹斐傻娜祟?lèi)身心健康問(wèn)題日趨嚴重，室內空氣污染中的裝修污染已成為居民生活的重要污染源，大量使用美化裝飾材料所釋放的揮發(fā)性氣體、甲醛、二甲苯等，同時(shí)混合其他細菌病毒，嚴重危害居者的健康?，F在，具有去除室內空氣污染物功能的空氣凈化器成為人們家用電器的新成員。
根據過(guò)濾原理——過(guò)濾材料利用分子運動(dòng)規則進(jìn)行有效的過(guò)濾作用，共有三類(lèi)（見(jiàn)圖1）：①慣性碰撞吸附是指在氣流運動(dòng)方向變化后，顆粒由于慣性作用做直線(xiàn)運動(dòng)而碰撞到濾材上而產(chǎn)生的吸附。②擴散吸附是指在由于布朗運動(dòng)，顆粒從氣流中擴散到纖維表面，在靜電作用下吸附到纖維上。擴散吸附只在氣體過(guò)濾時(shí)能起重要作用。③直接吸附是指當顆粒直徑大于過(guò)濾介質(zhì)的通道孔徑時(shí)，不能通過(guò)而被攔截。直接吸附作用是表示孔徑分布的最基本的一個(gè)特征，孔徑越小，直接吸附的效率越高，去除顆粒的效率越高。
二、空氣凈化技術(shù)
圖2是常見(jiàn)的空氣過(guò)濾器基本結構分解示意圖，其由機箱外殼、進(jìn)風(fēng)口及通道、濾網(wǎng)組件（初效過(guò)濾層、高效HEPA組件過(guò)濾層、活性炭吸附層）、風(fēng)機、出風(fēng)口及通道組成，其核心為濾網(wǎng)組件即空氣過(guò)濾芯（器），起到過(guò)濾凈化空氣的作用。根據其基本結構，可知其影響空氣過(guò)濾器性能的因素主要有：濾料性能、被過(guò)濾氣流性質(zhì)、氣流速度和過(guò)濾器結構。
在如圖3所示的空氣凈化過(guò)程中，進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的有毒有害氣體，首*行層預過(guò)濾（即初過(guò)濾階段），該階段的濾材一般為海綿濾網(wǎng)、PP尼龍過(guò)濾網(wǎng)，抗菌過(guò)濾棉，亦有海綿與活性炭的復合型材料等，譬如，其中的PP尼龍過(guò)濾網(wǎng)，材料為尼龍網(wǎng)，濾材以PP纖維紡織成型制成一體，外框為鋁合金，或者用鍍鋅框，用鐵絲支撐。尼龍網(wǎng)則用襯框繃緊后裝入框，尼龍網(wǎng)的層數可根據用戶(hù)的要求而定。其特性是除塵效果好，耐酸堿性，耐腐蝕性佳，阻力小，重量輕，能防潮，壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，預過(guò)濾網(wǎng)能夠清除大顆?；覊m懸浮物，花粉、大顆粒霉菌，寵物毛發(fā)等?？咕^(guò)濾棉能夠去除灰塵、霉菌細菌等微生物，若是復合材料，例如含活性炭，則已經(jīng)開(kāi)始初步去除異味，甲醛等有害氣體了。
其次，進(jìn)入第二層（高效過(guò)濾層），其為HEPA組件（High efficiency particulate air Filter），空氣過(guò)濾凈化以纖維濾料為主，其原理是空氣經(jīng)過(guò)纖維材料制成的空氣過(guò)濾器時(shí)，空氣中的顆粒物被纖維濾材截留，即如圖1所示的過(guò)濾原理，使顆粒物與空氣實(shí)現分離，從而完成空氣的進(jìn)一步凈化過(guò)濾。根據我國的分類(lèi)標準GB12218-89，GB/T14295-93，GB13554-92，可將空氣過(guò)濾等級大致分為三級：初級過(guò)濾（粒子粒徑≥5um）、中級過(guò)濾（1um≤粒子粒徑＜5um）、高效過(guò)濾（粒子粒徑≤0.5um），高效過(guò)濾層主要用于捕集0.5um以下的顆?；覊m及各種懸浮物，濾材為超細玻璃纖維紙等，此層的HEPA組件其優(yōu)點(diǎn)是空氣可以通過(guò)，但空氣中的很細小的微粒無(wú)法通過(guò)，對直徑只有0.3um（人體頭發(fā)直徑的1/200）以上的微粒過(guò)濾效率達到99.7%以上，是細菌、極細灰塵顆粒，煙霧等污染物的有效過(guò)濾媒介。
上述的玻璃纖維紙作為高效過(guò)濾媒質(zhì)，不論其粒徑大小，其過(guò)濾特點(diǎn)是捕捉固體顆粒，所以，該凈化技術(shù)為固體污染物凈化，而對于活性炭這種特殊的材料，活性炭吸附技術(shù)是空氣凈化中的氣態(tài)污染物凈化技術(shù)，活性炭是利用木炭、竹炭等作為原料，通過(guò)物理化學(xué)方法對原料進(jìn)行加工處理而成的一種性能優(yōu)良的吸附劑，其表面積越大，吸附能力就越強。
最后，殺菌棉以及活性炭過(guò)濾網(wǎng)，能夠再次有效殺菌、除臭、除異味，對預過(guò)濾層的空氣中遺漏的微生物、病毒菌等進(jìn)行再過(guò)濾，最終輸出優(yōu)質(zhì)空氣，供室內居者呼吸使用。
三、空氣過(guò)濾器性能檢測方法
由圖3的空氣凈化過(guò)程示意圖可知，空氣凈化器能夠實(shí)現高效凈化功能的關(guān)鍵部件是高效空氣過(guò)濾器（HEPA過(guò)濾器），換言之，空氣過(guò)濾器性能的好壞直接影響著(zhù)空氣凈化器凈化功能的優(yōu)劣。目前高效空氣過(guò)濾器過(guò)濾效率檢測方法有：D.O.P法、油霧法、最易穿透粒徑法MPPS等。
3.1 D.O.P法
DOP法檢測過(guò)濾器過(guò)濾效率時(shí)，需要人工制造所需塵源粒徑（0.3um），采用一種名為鄰苯二甲酸二辛酯（DOP-DiOctyl-Phthalate），其為無(wú)色透明液體，將該液體在嚴格控制的條件下加熱汽化，再用冷空氣與之混合，使之凝結產(chǎn)生與灰塵粒徑大小相同的液滴（0.3um），用于實(shí)驗檢測用氣溶膠，是目前國際上較普遍的一種檢測方法。
3.2油霧法
作為一種檢測手段，油霧法檢測空氣過(guò)濾器性能，同樣也需要測試時(shí)的塵源，以此保證塵源的粒徑大小，在此基礎上，并在規定的檢測條件下，將經(jīng)過(guò)充分混合均勻的油霧氣溶膠通過(guò)被測過(guò)濾器，測量過(guò)濾器前后的油霧濃度，由此來(lái)計算油霧過(guò)濾率和透過(guò)率。3.3 MMPPS法
最易穿透粒徑法（The Most PenetratingParticle Size）MPPS，其基本原理是用特制的噴嘴將D.O.P、DEHS等液體彎壓噴霧，形成0.01-1um的多分散氣溶膠，作為實(shí)驗用塵源，利用激光粒子計數器或凝聚核計數器測量過(guò)濾器上下游的粒子濃度，從而決定其效率。
四、空氣凈化技術(shù)發(fā)展趨勢
隨著(zhù)工業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類(lèi)在實(shí)現高度發(fā)達的物質(zhì)文明的同時(shí)，自身卻處在重重矛盾之中，環(huán)境問(wèn)題日趨嚴重，其中，空氣污染肆虐，如工業(yè)廢氣，汽車(chē)尾氣，燃煤產(chǎn)生的粉塵，室內新型裝修材料的使用，因缺乏監管及環(huán)保檢測，在貪圖美觀(guān)的背后，是這些化學(xué)材料的濫用，室內環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，人們已經(jīng)進(jìn)入室內空氣污染時(shí)期，但與此同時(shí)，人類(lèi)自身健康意識也在增強，如何使家居環(huán)境改善，能夠呼吸潔凈空氣，健康生活，是世界各國面臨的共同問(wèn)題。
采用空氣凈化技術(shù)制造的各種空氣凈化器，如雨后春筍般產(chǎn)生。早期的空氣凈化器功能單一，結構簡(jiǎn)單，難以滿(mǎn)足需求，目前設計的空氣凈化器，其發(fā)展趨勢是技術(shù)復合型，集各種功能于一身，且在原有凈化技術(shù)的基礎上，開(kāi)發(fā)研制新型濾材，如光觸媒，其主要成分是TiO2，具有消毒功能，對各種常見(jiàn)的致病菌有較好的殺菌作用。所以，各種空氣凈化技術(shù)融合在一起是今后的發(fā)展方向。
五、便攜式空氣凈化器系統整體設計
近年來(lái)國內霧霾現象日益嚴重，國內多地受霧霾持續困擾，室內外空氣中的微粒、細菌、病毒和其他有害物質(zhì)對人體健康構成危害，特別是對長(cháng)期工作或生活在惡劣環(huán)境下的人。本文設計出一種多功能便捷式空氣凈化器，在檢測空氣質(zhì)量的同時(shí)還可以利用過(guò)濾層及負離子發(fā)生器改善人體吸入空氣的質(zhì)量，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)芯片將實(shí)時(shí)的空氣質(zhì)量傳送給服務(wù)器進(jìn)行分析。本設計可根據環(huán)境選取風(fēng)量調速模式，具有能耗低，維護簡(jiǎn)單和可隨身攜帶等優(yōu)點(diǎn)。
本設計基于STM32單片機，由負離子發(fā)生器、微風(fēng)扇、空氣過(guò)濾裝置等系統組成。微風(fēng)扇使空氣流動(dòng)，流動(dòng)的空氣經(jīng)過(guò)裝在風(fēng)口的負離子發(fā)生器，將空氣不斷電離，產(chǎn)生大量負離子，形成負離子氣流，依次通過(guò)機內的粗濾棉、活性炭濾芯、PM2.5試紙后將各種污染物過(guò)濾或吸附，達到清潔凈化空氣的目的。
在霧霾環(huán)境下，傳感器感知周?chē)諝?，通過(guò)液晶顯示屏顯示當前未凈化空氣的PM2.5值、溫度值和濕度值。通過(guò)風(fēng)扇的作用，空氣先流過(guò)負離子發(fā)生器，將空氣中帶電的大顆粒吸附到鐵絲過(guò)濾網(wǎng)上，通過(guò)粗濾棉進(jìn)行層過(guò)濾，活性炭網(wǎng)進(jìn)行第二層過(guò)濾，PM2.5濾紙過(guò)濾小微粒，再通過(guò)負離子發(fā)生器凈化空氣，使人體可以呼吸到潔凈空氣。此外，本系統搭配不同類(lèi)型出風(fēng)口也可作為車(chē)載凈化器使用。
5.1空氣凈化器系統硬件組成
系統主控模塊：本設計選用STM32單片機作為數據處理模塊，其對數據的處理速度快，能實(shí)時(shí)采樣PM2.5傳感器、溫濕度傳感器檢測的數據，精確計算出粉塵濃度、溫濕度，把實(shí)時(shí)數據傳輸給OLED顯示屏，具有性?xún)r(jià)比高，功耗低等特點(diǎn)。
PM2.5檢測模塊：本設計采用夏普PM2.5粉灰塵傳感器GP2Y1010AU0F檢測模塊，利用光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器感應空氣中的塵埃粒子。內部的紅外線(xiàn)發(fā)光二極管和光電晶體管，使其能夠探測到空氣中塵埃反射光，通過(guò)檢測經(jīng)過(guò)空氣中灰塵折射過(guò)后的光線(xiàn)來(lái)判斷灰塵的含量。該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比，通過(guò)STM32單片機的采樣數據，運用卡爾曼濾波算法精確計算出粉塵濃度，測量PM2.5的含量。
風(fēng)扇模塊：風(fēng)扇作為凈化器空氣流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，風(fēng)量的大小決定凈化速度的快慢。本設計采用DC12V微型風(fēng)扇，通過(guò)STM32單片機控制PWM調速，改變周期占空比大小來(lái)控制風(fēng)扇端電壓，進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉速。
溫濕度檢測模塊：本設計采用數字溫濕度傳感器DHT22模塊。DHT22數字溫濕度傳感器是一款含有校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有的可靠性與穩定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件。此模塊和STM32單片機單線(xiàn)制串行通信，簡(jiǎn)易快捷，通過(guò)STM32單片機實(shí)時(shí)校準程序，使溫度、濕度數據更加精確。
負離子發(fā)生器模塊：通過(guò)負離子發(fā)生器的脈沖振蕩電路，將低電壓通過(guò)高壓模塊升壓為直流負高壓，經(jīng)過(guò)碳素纖維不斷產(chǎn)生負直流高電暈，高速的發(fā)射出大量的電子，立刻會(huì )被空氣中的氧分子捕捉，從而形成負離子。本設計利用負離子發(fā)生器使空氣中的甲醛、苯等有害氣體發(fā)生反應，將其分解為二氧化碳和水，達到除塵、滅菌、凈化空氣的目的。
電源模塊：本設計選用DC12V、5000mA容量鋰電池為系統供電。該電源為外部各個(gè)傳感器模塊和單片機模塊提供穩定的電壓和電流，紋波小。此外，當系統電量不足時(shí)，能通過(guò)OLED顯示屏進(jìn)行低電量顯示，提示使用者及時(shí)充電。
cc2530芯片：通信模塊選擇美國TI公司的CC2530F256，其含有一個(gè)標準的增強型8051 CPU，256KB可編程閃存，8-KBRAM和*的RF收發(fā)器，結合ZigBee協(xié)議棧，可實(shí)現強大和完整的無(wú)線(xiàn)通信。本設計將STM32單片機與CC2530芯片設置相同的波特率，進(jìn)行串口通信，將PM2.5及溫濕度數據傳送到相鄰的服務(wù)器。
5.2空氣凈化器系統測試
將各個(gè)模塊進(jìn)行連接，首先測試各個(gè)模塊運行，觀(guān)察其狀態(tài)變化，系統狀態(tài)值可以在OLED屏幕和示波器上觀(guān)察波形顯示。最后將各個(gè)模塊組裝測試。
風(fēng)扇模塊監測：通過(guò)改變每個(gè)周期中占空比的大小來(lái)控制風(fēng)扇兩端電壓的大小，進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉速。本設計中占空比設定為0.25、0.5、0.75、1四個(gè)等級，通過(guò)示波器檢測STM32單片機輸出占空比。
PM2.5模塊監測：對PM2.5檢測模塊進(jìn)行測試，當室內無(wú)煙時(shí)液晶顯示屏顯示PM2.5值為40，室內有煙時(shí)液晶顯示屏顯示PM2.5值為250，表明該模塊檢測靈敏度高。
溫濕度模塊監測：正常溫室15.5℃時(shí)，相對濕度為64.4%，當給溫濕度傳感器周?chē)砑訜嵩春?，溫度上升?8.7℃，當給溫濕度傳感器周?chē)胖眉訚衿骱?，相對濕度上升?8.8%，表明溫濕度傳感器性能良好。
OLED顯示器模塊監測：OLED模塊與STM32單片機通過(guò)IIC實(shí)現數據的傳輸，PM2.5傳感器、溫濕度傳感器檢測的數據發(fā)送到STM32單片機進(jìn)行數據的處理與分析，把處理后的數據發(fā)送給OLED顯示屏，顯示經(jīng)過(guò)凈化器凈化前后的PM2.5數值和空氣的溫度、濕度。
總結
通過(guò)測試，該便攜式空氣凈化器可以有效地凈化人體吸入空氣，并地減少室內外空氣中懸浮的細菌和有害氣體，同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)將戶(hù)外空氣指數上傳至服務(wù)器，進(jìn)行區域互聯(lián)，為行人提供一個(gè)安全舒適的室外呼吸環(huán)境。
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