崔夢君，沈曉玉，董 悅，劉隆興，丁文斌，李金偉，郭洪巖*

（1.濱州學院 航空工程學院，山東 濱州256600；2.山東省航空材料與器件工程技術(shù)研究中心，山東 濱州256600）

目前健身車發(fā)電系統(tǒng)已在市面出現(xiàn)，多數(shù)與聲音或畫面結(jié)合。但是把健身車產(chǎn)生的電能與智能空氣凈化系統(tǒng)結(jié)合還未見報道。因此，作者設(shè)計了一款環(huán)保型空氣凈化健身車，主要結(jié)構(gòu)由發(fā)電裝置和空氣凈化裝置組成。機械發(fā)電裝置是由四齒輪三鏈條三級變速、永磁恒壓發(fā)電機和繼電器保護模塊組成；空氣凈化裝置由風機、多層空氣濾芯、靜電除塵網(wǎng)、超聲波霧化器、傳感器和單片機六部分組成。將健身機械能轉(zhuǎn)化為電能并存儲在鋰電池中，鋰電池對外提供電能?？諝馔ㄟ^凈化裝置內(nèi)的多層空氣濾芯和高壓靜電除塵網(wǎng)過濾掉PM2.5、粉塵等大分子顆粒，根據(jù)室內(nèi)溫濕度環(huán)境適時加濕。整個凈化裝置通過單片機來控制，單片機按照預先設(shè)置好的室內(nèi)濕度及空氣質(zhì)量狀況進行實時開關(guān)凈化裝置，讓凈化裝置里用電器的用電量達到最小化，凈化裝置可以進行無線遠程操控。

1 設(shè)計方案

1.1 機械和發(fā)電系統(tǒng)

機械部分采用四齒輪三鏈條三級變速，達到發(fā)電效率高，發(fā)電量大；并且對車架進行動態(tài)設(shè)計。第一、二齒輪為原裝變速齒輪，第三變速齒輪安裝在一、二齒輪中間，發(fā)電機安裝在第三齒輪上方，第一齒輪數(shù)采用48齒，第二、三齒輪數(shù)都采用12齒和36齒。采用上述齒輪比達到的轉(zhuǎn)速為初始轉(zhuǎn)速的9倍。電機采用JYWFY的永磁恒壓發(fā)電機，輸出電壓始終保持在12V上，同時采用繼電器模塊，防止蓄電池過沖現(xiàn)象[1]。該發(fā)電機額定電壓12V，額定功率90W。機械部分整體實物如圖1所示。

圖1 發(fā)電機及鏈條設(shè)計裝置

1.2 繼電器

繼電器通常用于自動控制電路中，它是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用[2]。繼電器的使用可以防止對蓄電池過沖、過放。

圖2 繼電器

1.3 空氣凈化系統(tǒng)

空氣凈化系統(tǒng)包括風扇、活性炭空氣濾芯、高壓靜電除塵網(wǎng)。風扇位于凈化系統(tǒng)進風段，風扇使室內(nèi)的空氣更快的流通，凈化效率高。凈化裝置中首先采用紙質(zhì)空氣濾芯，有一定的機械強度和抗水性，能吸附空氣中水分、煤煙、臭氧、異味、碳氧化物、SO2、CO2等[3]，具有簡單易用、成本低廉、過濾效果好等優(yōu)點。高壓靜電除塵網(wǎng)在靜電場中利用靜電力將帶電粉塵吸引到電極上，利用靜電的異性相吸、同性相斥的原理吸附空氣中的污染物[4]，然后放出其所帶電荷而沉積到集塵板上，以達到除塵的目的。靜電除塵具有除塵效率高，凈化氣量較大，除去粉塵的粒徑范圍較寬，結(jié)構(gòu)簡單且效率高能量消耗少。

1.4 單片機控制系統(tǒng)

以STC89C52RC單片機作為控制核心。單片機是典型的嵌入式微控制器，由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等構(gòu)成，相當于一個微型的計算機，可以控制多個模塊，實現(xiàn)智能化[5]。單片機體積小，可按需求放在儀器儀表大部分位置。是一種高速且低功耗的使用工具，如圖3所示。

圖3 單片機

1.5 超聲波霧化系統(tǒng)

超聲波霧化器利用電子高頻震蕩，震動頻率超過人的聽覺范圍，通過陶瓷霧化片的高頻諧振，不需加熱或添加任何化學試劑，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打碎而產(chǎn)生霧狀微粒[6]。同時霧化過程中產(chǎn)生一些負離子，與空氣中的粉塵結(jié)合，使其沉淀，減少了一些有害物質(zhì)，也達到了凈化空氣的目的。超聲波霧化系統(tǒng)硬件電路主要包括單片機、超聲波霧化器、溫濕度傳感器、水位控制電路四個電路模塊[7]。霧化器電路部分和霧化部分完全分離，極大程度地提高了電路部分的安全性。超聲波霧化器加濕強度大，加濕均勻，加濕效率高。實物與電路圖如圖4所示。

圖4 超聲波裝置與電路圖

1.6 檢測控制系統(tǒng)

空氣凈化裝置以單片機作為核心控制器，主要采用溫度平衡技術(shù)、單片機控制技術(shù)、串口通信技術(shù)等技術(shù)，傳感器作為測量單元構(gòu)成檢測控制系統(tǒng)，以溫度濕度傳感器和PM2.5傳感器兩個傳感器作為構(gòu)成檢測裝置，PM2.5傳感器數(shù)據(jù)精準，價格低廉，還具有斷電自動保存數(shù)據(jù)功能?？煞譃橹骺刂齐娐?、液晶顯示接口電路、水位檢測接口電路、串口通信接口電路[8]、超聲波霧化器驅(qū)動電路、水位閥門開關(guān)驅(qū)動電路、溫濕度傳感器接口電路。如圖5所示。

圖5 PM2.5傳感器與溫度濕度傳感器

2 試驗測試

2.1 空氣凈化裝置在1m3的室內(nèi)封閉空間內(nèi)的工作效果

在1m3空間內(nèi)，空氣凈化系統(tǒng)的十分顯著，在開始工作到結(jié)束6min（360s）時間將PM2.5濃度降低到了所能達到的最低值，凈化速度快。見圖6。

圖6 一般封閉環(huán)境中PM2.5濃度隨工作時間變化曲線

2.2 空氣凈化裝置在1m3粉塵較多的封閉空間內(nèi)的工作效果

在環(huán)境質(zhì)量較差的環(huán)境中，凈化效果明顯，在開始工作到9.5min（570s）時間將PM2.5濃度降低到了所能達到的最低值，所用時間長。見圖7。

圖7 空氣質(zhì)量較差環(huán)境中PM2.5濃度隨工作時間變化曲線

從以上兩種封閉空間內(nèi)的凈化實驗實時數(shù)據(jù)來看，PM2.5起始濃度高時，凈化裝置所需要的凈化時間要長一些，但是最終的凈化工作能達到較理想的結(jié)果。

2.3 單片機模塊參數(shù)設(shè)置

具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 單片機溫濕度模塊參數(shù)設(shè)置

單片機可以單獨控制霧化器進行加濕，也可以控制凈化裝置整體工作，根據(jù)傳感器監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況進行工作，實現(xiàn)智能化，節(jié)約電能。

2.4 空氣凈化裝置測量數(shù)據(jù)

以每次工作10分鐘為例，測得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 空氣凈化裝置在不同時間段每次工作10分鐘的測量數(shù)據(jù)

根據(jù)測量數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：空氣凈化裝置去除PM2.5效果明顯。

3 工作原理及性能分析

該項目由機械發(fā)電裝置和空氣凈化裝置組成。機械發(fā)電裝置是由四齒輪三鏈條三級變速、永磁恒壓發(fā)電機和繼電器保護模塊組成；空氣凈化裝置由風機、多層空氣濾芯、靜電除塵網(wǎng)、超聲波霧化器、傳感器和單片機六部分組成；在健身時通過發(fā)電裝置將產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能，將電能儲存在鋰電池內(nèi)，提供給空氣凈化系統(tǒng)，不再接外接電源，節(jié)約了電能；通過空氣凈化裝置內(nèi)的風機讓室內(nèi)空氣加速流通，空氣經(jīng)過多層空氣濾芯和高壓靜電除塵網(wǎng)除去PM2.5分子、粉塵等大分子顆粒，同時溫、濕度傳感器和單片機進行實時監(jiān)測，對室內(nèi)進行加濕，達到環(huán)保的目的；整個凈化裝置通過單片機來控制，單片機按照預先設(shè)置好的室內(nèi)濕度及空氣質(zhì)量狀況進行實時開關(guān)凈化裝置，讓凈化裝置里的用電負載的用電量達到最小化，單片機可以進行無線遠程操控來實現(xiàn)智能化。超聲波霧化器與加熱霧化方式比較，節(jié)省了很大的能源。它可與空氣中的粉塵等產(chǎn)生靜電反應，使其沉淀，同時還能有效去除有害物質(zhì)，該霧化器能夠較大程度地加濕，加濕效率高。高壓靜電除塵效率高，可以凈化較大空間較多粉塵，能夠除去的較大粒子，其結(jié)構(gòu)簡單，氣流速度低，能量消耗低，是除塵工具中非常節(jié)能高效的產(chǎn)品。單片機是嵌入式微控制器，相當于一個微型的計算機，可以實現(xiàn)控制多個模塊，實現(xiàn)智能化。它的最大優(yōu)點是體積小，可放在儀表內(nèi)部，成本低。PM2.5檢測儀采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)更加精準，價格合適，同時具有斷電自動保存數(shù)據(jù)功能。搭建模擬房間，測量多組PM2.5值數(shù)據(jù)，利用建模說明該作品可以在現(xiàn)實生活中使用，具有很強的可行性。該項目設(shè)計合理，節(jié)能減排效果顯著。

4 整體實物圖

裝置整體圖見圖8。

圖8 裝置整體圖

5 創(chuàng)新點及應用

（1）利用健身車自發(fā)電裝置為空氣凈化裝置等電子設(shè)備提供電能，節(jié)能減排。

（2）通過單片機來控制凈化裝置，實現(xiàn)用電負載的最小電能功耗。

（3）自行設(shè)計智能化空氣凈化系統(tǒng)，采用排氣扇、空氣濾芯、靜電除塵網(wǎng)、超聲波霧化、溫度傳感器、濕度傳感器和PM2.5檢測裝置相結(jié)合，能耗小，無污染、凈化效率，凈化效果明顯。

該項目搭建模擬房間，進行多組PM2.5數(shù)據(jù)測量，空氣凈化系統(tǒng)的凈化效率高、凈化效果明顯，說明該作品可以應用到現(xiàn)實生活中，具有很強的可行性；該健身車符合人們追求健康、智能的生活趨勢，也符合節(jié)能環(huán)保、凈化環(huán)境的綠色理念?？梢詮V泛應用到現(xiàn)實生活中，如家庭私人健身、專業(yè)健身房等，應用前景廣闊。