陸 葉，黃錦泉

（1.茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息系，廣東茂名 525000；2．深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

當(dāng)前，我國霧霾天氣時有發(fā)生，各地區(qū)陷入嚴(yán)重空氣污染環(huán)境中，當(dāng)霧霾天氣出現(xiàn)時，空氣中含有大量可吸入顆粒物、二氧化硫等有毒有害氣體，人吸入受污染的空氣，顆粒物會粘附在呼吸道，造成呼吸系統(tǒng)等多種疾病，給身體健康帶來嚴(yán)重危害。同時，空氣能見度降低，空氣質(zhì)量差，阻礙交通出行，還影響了生態(tài)環(huán)境。因此，節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，且能適應(yīng)戶外基礎(chǔ)設(shè)施的霧霾凈化裝置的研究顯得尤為迫切。

國內(nèi)對于霧霾問題的處理技術(shù)研究起步較晚，目前主要集中在室內(nèi)空氣凈化方面，產(chǎn)品種類繁多，價格昂貴、需要用電、清洗費時費力，且容易產(chǎn)生臭氧，形成二次污染。對于戶外空氣中的霧霾處理主要采用水霧處理、各種化學(xué)藥劑吸附、多重裝置過濾等方法［1－3］，存在設(shè)備體積大、除霾效率低等問題，針對這些問題，劉波等［4］研制出新型教室除霾器，劉桂麗等［5］研究基于城市道路設(shè)施的霧、霾凈化技術(shù)。而國外有著相對成熟的除霾技術(shù)，如荷蘭設(shè)計師羅斯加德［6］設(shè)計了利用風(fēng)能和電離技術(shù)來凈化空氣的霧霾凈化塔，歐美等國家利用水炮來去除空氣中的霧霾［7］等。但是這些方法成本高，難以在中小城市推廣應(yīng)用。因此，本文利用靜電吸附霧霾的原理［8］，設(shè)計開發(fā)了戶外空氣除霾裝置。首先進(jìn)行戶外空氣除霾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維建模，其次，對戶外空氣除霾裝置的系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計，最后開發(fā)系統(tǒng)的軟件程序。

1 除霾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

戶外空氣除霾裝置是利用靜電發(fā)生器產(chǎn)生高壓直流電場，通過巧妙設(shè)置進(jìn)出風(fēng)口，吸入霧霾空氣，當(dāng)空氣進(jìn)入戶外空氣除霾裝置時，空氣被電離，形成電場，當(dāng)電壓達(dá)到高強時，可瞬間殺滅細(xì)菌。與此同時空氣流過高壓網(wǎng)，空氣中的微小顆粒會帶上正電荷，繼而流過吸附層時，會被帶負(fù)電荷的吸附層吸引，粘附在吸附層上。經(jīng)過靜電電離后的空氣，會產(chǎn)生臭氧，為此設(shè)置了濾氣層，過濾有毒有害氣體，最終排出凈化后的新鮮空氣。

為方便懸掛于路燈燈柱或戶外建筑物上，除霾裝置外觀設(shè)計為方形箱體，箱體后側(cè)用雙卡扣固定，穩(wěn)定可靠。箱體有門可以向右側(cè)打開，便于觀察與更換清洗濾網(wǎng)等。整機(jī)的吸氣方式利用負(fù)壓原理，當(dāng)出風(fēng)口的渦輪風(fēng)扇運轉(zhuǎn)時，箱內(nèi)氣體被排出箱外，造成內(nèi)部氣壓比外部氣壓低，故大氣壓強把外部氣體壓進(jìn)箱內(nèi)。進(jìn)出風(fēng)口分別設(shè)計在箱體左右兩側(cè)，為了防水，進(jìn)出風(fēng)口設(shè)計均為內(nèi)凹式的結(jié)構(gòu)，且加裝一層不銹鋼的防蟲濾霧網(wǎng)。箱內(nèi)中間處有隔板分開，箱內(nèi)左邊是靜電吸附部分，右邊是空氣過濾部分，底部是抽拉式顆粒物收集盒，底部兩側(cè)可放置靜電發(fā)生器、控制器和電池等控制元件。

1.2 濾霧網(wǎng)

進(jìn)風(fēng)口后方設(shè)有濾霧網(wǎng)，進(jìn)一步減少水分進(jìn)入。濾霧網(wǎng)采用PP聚丙烯材料制成，優(yōu)點是成本低、無毒、無味、耐腐蝕、吸水率極低，只有0.1%左右。濾霧網(wǎng)成90°垂直放置，吸附的霧水通過設(shè)置在進(jìn)氣口下方的出水口排出。

1.3 高壓網(wǎng)與靜電吸附層

高壓網(wǎng)與吸附層為除霾裝置的關(guān)鍵所在，因空氣中可能含有腐蝕性氣體和物質(zhì)，故考慮使用耐腐蝕的不銹鋼。與其他不銹鋼材料相比，SU316L的高溫強度、耐蝕性等參數(shù)較適合，因此選擇為SU316L不銹鋼網(wǎng)為高壓網(wǎng)材料，SU316L不銹鋼片做吸附層材料。

1.4 濾氣層

由于高壓吸附層只能吸收固體顆粒物，不能凈化空氣中的有毒有害氣體，所以在空氣流過高壓吸附層后添加2層密度不同的濾氣層，濾氣層采用納米礦晶材料，優(yōu)點是吸附能力強，比活性炭性能更高，使用時間長，當(dāng)吸附達(dá)到飽和時還可通過簡單處理使其脫附再生，循環(huán)利用。

1.5 自動刮塵器

由于除霾裝置放置于室外，當(dāng)吸附層吸附到一定量的顆粒物時，空氣流量與吸附率會大受影響?？紤]維護(hù)清洗困難，故在吸附層上面設(shè)置自動刮塵器，實現(xiàn)了長時間免維護(hù)。該裝置由光軸、滑塊、絲桿、螺母座、電機(jī)、減速箱、刮塵片、微動開關(guān)等組成。由于內(nèi)部環(huán)境為多灰塵環(huán)境，光軸與絲桿在此環(huán)境下容易老化生銹，故在管外套裝塑料伸縮管進(jìn)行防護(hù)，內(nèi)部適當(dāng)添加潤滑油，使塑料伸縮管不易磨損破損。光軸固定在吸附層下方，絲桿固定在吸附層的上方，光軸與滑塊配合、絲桿與螺母座配合，螺母座與滑塊均固定在支撐板上，確保同步，刮塵片與滑塊相連，并與吸附層直接接觸。電機(jī)減速后帶動絲桿轉(zhuǎn)動，從而帶動刮塵片左右移動達(dá)到刮除灰塵的目的。刮下來的塵土由一個特制的內(nèi)錐形容器收集，確保掉下來的灰塵不會溢出到吸附層，同時也方便日后清理收集。

設(shè)計的戶外空氣除霾裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和外觀圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 除霾裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 除霾裝置外觀圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 靜電發(fā)生器

靜電發(fā)生器為整個除霾裝置的核心部件之一，其對輸出高電壓、輸出高電流的要求不大，故選擇12 V驅(qū)動由NE555震蕩逆變電路、MOS管控制開關(guān)電路、光耦過流反饋電路等構(gòu)成的電路方案，其設(shè)計為高頻脈沖式，能輸出約20 kV左右的高壓，功率約為10 W，具有效率較高、成本低、保護(hù)完善的優(yōu)點，同時又能滿足吸附霧霾中含有的灰塵顆粒要求。

設(shè)計的靜電發(fā)生器電路圖如圖3所示，C2、C3、C5、U1、R3、R4、R5、Q2、T1、R7、高壓網(wǎng)與吸附層組成了靜電發(fā)射器的主電路。U1為NE555時基芯片，NE555與R3、R4、C5組成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，振蕩頻率F＝1.44／（R1＋2R2）C2，圖中所示參數(shù)的頻率約為20 kHz。經(jīng)升壓變壓器T1升壓后輸出高壓，R7為高壓正極的限流電阻。R2、Q1構(gòu)成一個開關(guān)電路，R2為下拉電阻，當(dāng)單片機(jī)的I／O1輸入高電平時，Q1導(dǎo)通，反則關(guān)閉；C1、R1、U2、C4、R6構(gòu)成一個過流反饋電路，C1、C4為緩沖電容，R1為采樣電阻，R6為下拉電阻，當(dāng)工作電流過大時，采用電阻兩端電壓上升，光耦導(dǎo)通，F(xiàn)B輸出高電平，此時單片機(jī)接收到過流信號，切斷I／O1口輸出，防止靜電發(fā)生器燒毀，并發(fā)送錯誤數(shù)據(jù)到通訊模塊。

圖3 高壓靜電發(fā)生器電路圖

2.2 自動刮塵器的驅(qū)動電路

自動刮塵器選用減速電機(jī)驅(qū)動，由電機(jī)、微動開關(guān)（限位器）、H橋驅(qū)動電路、反饋電路、短路保護(hù)電路、過溫保護(hù)電路構(gòu)成。電機(jī)驅(qū)動電路圖如圖4所示，當(dāng)電機(jī)短路或工作時間過長，溫度過高時，及時反饋信息給控制系統(tǒng)，使電機(jī)保護(hù)停止工作。

圖4 電機(jī)驅(qū)動電路圖

2.3 太陽能和電力雙供電系統(tǒng)

考慮到該裝置安裝于戶外，可充分利用太陽能節(jié)省能源［9］，因此電源系統(tǒng)采用太陽能和電力供電雙系統(tǒng)，其中太陽能供電系統(tǒng)由控制器、磷酸鐵鋰電池（組）、逆變器組成。控制器可以對供電系統(tǒng)進(jìn)行控制，以及對電池的過充、過放起到保護(hù)作用。太陽能為主能源，通過太陽能電池板收集光能，將其轉(zhuǎn)化為電能，再輸送到磷酸鐵鋰電池（組）中存儲起來，需要用的時候再釋放。太陽能不能提供電源時，可與路燈共用供電系統(tǒng)，電網(wǎng)交流電在逆變器作用下轉(zhuǎn)換為直流電為電池充電，為設(shè)備繼續(xù)正常工作提供電源。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

該裝置控制系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)，該類型單片機(jī)有8位CPU微控制器，可直接使用串口下載［10］。其價格低廉，具有低功耗高性能的特點，能很好地滿足控制設(shè)備的工作需求，相比大多數(shù)單片機(jī)，性能更加穩(wěn)定，使用壽命更長。單片機(jī)控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能有：啟動渦輪風(fēng)扇和靜電發(fā)生器，設(shè)置定時刮下高壓吸附層上面收集的顆粒物，檢測靜電發(fā)生器和電機(jī)狀態(tài)，控制太陽能和電力供電系統(tǒng)等。

程序設(shè)計流程圖如圖5所示，單片機(jī)啟動后，先開啟靜電發(fā)生器，接著啟動渦輪風(fēng)扇，否則返回失敗信息到單片機(jī)處理。檢查風(fēng)扇是否正常，否則返回信息到單片機(jī)。開始計時，當(dāng)計時器設(shè)置的時間到達(dá)指定時間，則關(guān)閉風(fēng)扇，電機(jī)帶動自動刮塵器開始工作，當(dāng)彈簧鋼片觸碰到左側(cè)微動開關(guān)（限位器），則自動換向返回，向右側(cè)運動，依次循環(huán)。如果電機(jī)溫度過高時則發(fā)出報警，將電機(jī)關(guān)閉，如果溫度正常，則返回正常信號給控制系統(tǒng)。

除霾裝置經(jīng)過測試，實驗結(jié)果表明：該裝置具有較強吸附力，且小型化、低成本、易于安裝，可安裝在公路、工業(yè)區(qū)、街道、公園、小區(qū)以及城市大型廣場的路燈或者建筑物上，具有很好的應(yīng)用和推廣價值。

圖5 控制程序流程圖

4 結(jié)束語

本文分析了霧霾可以經(jīng)靜電吸附原理，介紹了戶外空氣除霾裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，并通過了實驗測試。在該裝置的基礎(chǔ)上，可通過進(jìn)一步設(shè)置遠(yuǎn)程遙控、自動開關(guān)和遠(yuǎn)程探測器等功能，實現(xiàn)智能WiFi聯(lián)網(wǎng)控制，整合霧霾監(jiān)測數(shù)據(jù)集中處理，開展霧霾大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，更好地為霧霾治理服務(wù)。