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摘要:室内空气污染问题越发凸显，现有空气净化器大多净化模式单一，不能较好测量空气数据，对数据利用较差，使用体验差；且高端空气净化器成本较高。所以本文讨论了一种在现有净化器基础上的，能够改善用户体验，提高监测准确度，实现全自动运行的空气净化系统。
通过对净化器加装空气监测模块，利用室内污染物的浓度特性，评价空气污染物浓度，利用多元线性回归分析最佳的净化器功率，使用PWM信号控制风机工作，接收信号反馈，并且能够使得系统自动运行，并将数据处理显示，远距离使用。
关键词： 多元线性回归 偏差修正 自反馈 智能 净化效率
0 引言
伴随社会进步与人们生活水平提高，人们越来越重视室内空气品质，空气质量成为当前建筑环境领域的研究热点。伴随研究的成熟与深入，人们将影响空气质量的污染因素分为化学性，生物性和物理性因素[1]。对人体影响较大的因素又分为PM粒子、无机气体、挥发性有机物、多环芳烃类四类物质。可见颗粒物是重要的室内污染物之一。
空气中污染颗粒物质是悬浮于空气中的固体和液体颗粒的总称，空气净化器净化颗粒物的能力是重要的净化效果评价指标[2]。室外大气为室内空气的重要污染源，室内污染源不明显时，污染颗粒总体有78%来自室外，环境因素包含沙尘天气，温度气压，相对湿度，风速等。
1 设计方案
1.1单片机核心控制电路
本文选用的是STC89C52作为主控芯片，片上flash允许程序存储器在系统编程。在芯片上有8位CPU和在系统可编程flash，选用51芯片作为主控芯片具有可靠性高，价格低廉的优点。
1.2空气监测电路
空气监测电路包括PM粒子监测模块和空气温湿度监测模块，PM粒子模块选取能够测量典型粒子PM10和PM2.5的SDS011，利用Mie光散射原理实时监测PM10和PM2.5数值；温湿度模块采用DHT11，测量空气温度以及湿度，所得测量数据不仅可以反馈于上位机，还能够修正Mie散射监测PM粒子浓度时空气湿度和温度所带来的误差。使得控制选择更加准确合理。
1.3风机控制电路
风机控制电路利用快速继电器模块，能够快速响应PWM波产生通与断的信号，所接受的信号是PM粒子数据处理后的最佳工作状态控制指令。
1.4供电电路
供电包括风机的强电和检测部分的弱电，利用直流降压模块将高压直流电转换为5V安全电压，驱动传感器和单片机工作；强电电路受PWM波模块控制，驱动风机工作。
1.5显示电路
显示电路利用lcd1602模块，接收来自单片机发送的一系列数据，显示包含空气温湿度，空气中PM10和PM2.5浓度以及目前工作状态，电机工作功率。并且显示是否有无线设备接入以及是否发送指令等数据。
2 工作原理
2.1 净化器电路系统
电路系统是驱动净化器工作的核心，系统监测、通信、显示依靠弱电部分，电路系统首先将强电转为弱电，然后给监测系统等模块供电，然后监测系统测量空气中的PM2.5，温湿度等数据以电信号的形式发送到单片机，单片机对数据进行处理整合，以PWM波的形式驱动核心电路工作，控制空气净化功率。处理后的数据显示为空气质量和空气净化模式数据，显示在净化系统的屏幕界面上，同时利用蓝牙模块将数据以蓝牙协议传输至手机或特定设备上。
2.2 空气净化流程系统
空气净化部分主要由滤网、鼓风机、风机空间构造等部分组成，利用直流电机带动鼠笼式空气风扇，不断增大风机内部压强以使得空气净化空间内部压强高于滤网外部压强，空气从滤网渗出的过程将污染物挡住。室内空气一般流动性较差，可以近似视为封闭空间，在一定时间段内视为污染物总量一定，假设污染物均匀分布的情况下，空气污染物去除呈现非线性规律，所以理想状态是保证在短时间内将空气污染物降到一个极低水平，然后监测空气质量但不启动风机，以实现自动控制与提高工作效率。所以整体工作环境是一个联动的过程，电机工作功率与空气污染物浓度以及工作时间和工作空隙存在一个最优的区间，整体的工作模式要求能够考虑到自动运行与节能并行。
2.3 通信与反馈系统
通信系统不仅能够与常规空气净化器一样显示操作界面，还能够显示更多经过分析变化率，污染评级的数据；能够实现包括工作时间与跨度以及风机功率的具体指令集净化模式的调节。利用蓝牙传输到可以接收数据的嵌入式设备，同时可以接收由设备发送的操作指令以实现具体的控制效果。
3 理论分析
3.1 电机速率分析
直流电机利用电压的变化以调整转速，实际应用中产生电压连续变化的波形难度较高，所以利用PWM载波调节单位时间内的高压占空比，结合电压有效值公式近似为连续性变化电压，将单片机发出的PWM信号通过电压驱动模块，控制强电的通断进而调节电机转速。
对于任意波形的函数，其电压的有效值可以用如下公式计算：
本设计核心在于通过DHT11温湿度模块和SDS011粒子传感器反馈的数据分析和计算空气状态。结合相关文献，本项目提出基于温湿度和SDS011粒子浓度的空气质量分析的多元线性回归模型。设空气质量为：D。则空气污染质量关于其他参数的关系表示为：
4 结论
本文主要讨论了空气净化器的一种新型工作方式，根据空气中污染物浓度而进行模式的微调，利用空气中温湿度数据修正污染物浓度数值。并且能够显示、发送数据，接受指令，实现系统自动运行。系统核心在于根据污染物浓度而调整空气污染物去除速率，在众多指标要求中选择最优解。
该系统具有改造成本低，数据利用率高，可扩展性强，以及全自动运行等优点，能够明显提高系统的使用体验，减少电力损耗。
参考文献
[1]肖沅芷. 家居环境PM_(2.5)控制用净化过滤技术的研究[D].东华大学,2015.
[3]冯建儿,韩鹏.基于滤膜称重法的大气颗粒物自动检测仪[J].计算机与现代化, 2013, 7: 95-98.
[4] 秦臻.一种20mg/m3光散射法粉尘仪样机的研制[D].南京：南京理工大学, 2013.
[6] 张棚. 基于Mie 散射的可吸入颗粒物浓度检测系统中的关键技术的研究[D]. 太原：太原科技大学,2014.
论文作者:李先锐1）张逸航2）陈旭根3）郭雨欣4）魏明5）
论文发表刊物:《科技新时代》2018年11期
论文发表时间:2019/1/14
标签：污染物论文; 空气论文; 模块论文; 浓度论文; 数据论文; 风机论文; 温湿度论文; 《科技新时代》2018年11期论文;