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        環(huán)保型空氣凈化健身車*

        2021-11-25 10:45:12崔夢君沈曉玉劉隆興丁文斌李金偉郭洪巖
        科技創(chuàng)新與應用 2021年33期
        關(guān)鍵詞:單片機

        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。

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