崔夢(mèng)君，沈曉玉，董 悅，劉隆興，丁文斌，李金偉，郭洪巖*

（1.濱州學(xué)院 航空工程學(xué)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(chē)發(fā)電系統(tǒng)已在市面出現(xiàn)，多數(shù)與聲音或畫(huà)面結(jié)合。但是把健身車(chē)產(chǎn)生的電能與智能空氣凈化系統(tǒng)結(jié)合還未見(jiàn)報(bào)道。因此，作者設(shè)計(jì)了一款環(huán)保型空氣凈化健身車(chē)，主要結(jié)構(gòu)由發(fā)電裝置和空氣凈化裝置組成。機(jī)械發(fā)電裝置是由四齒輪三鏈條三級(jí)變速、永磁恒壓發(fā)電機(jī)和繼電器保護(hù)模塊組成；空氣凈化裝置由風(fēng)機(jī)、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(jī)六部分組成。將健身機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)在鋰電池中，鋰電池對(duì)外提供電能。空氣通過(guò)凈化裝置內(nèi)的多層空氣濾芯和高壓靜電除塵網(wǎng)過(guò)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(shí)加濕。整個(gè)凈化裝置通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制，單片機(jī)按照預(yù)先設(shè)置好的室內(nèi)濕度及空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)凈化裝置，讓凈化裝置里用電器的用電量達(dá)到最小化，凈化裝置可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 機(jī)械和發(fā)電系統(tǒng)

機(jī)械部分采用四齒輪三鏈條三級(jí)變速，達(dá)到發(fā)電效率高，發(fā)電量大；并且對(duì)車(chē)架進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。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(jī)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(dá)到的轉(zhuǎn)速為初始轉(zhuǎn)速的9倍。電機(jī)采用JYWFY的永磁恒壓發(fā)電機(jī)，輸出電壓始終保持在12V上，同時(shí)采用繼電器模塊，防止蓄電池過(guò)沖現(xiàn)象[1]。該發(fā)電機(jī)額定電壓12V，額定功率90W。機(jī)械部分整體實(shí)物如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)及鏈條設(shè)計(jì)裝置

1.2 繼電器

繼電器通常用于自動(dòng)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(dòng)開(kāi)關(guān)”，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用[2]。繼電器的使用可以防止對(duì)蓄電池過(guò)沖、過(guò)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(fēng)扇、活性炭空氣濾芯、高壓靜電除塵網(wǎng)。風(fēng)扇位于凈化系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)段，風(fēng)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(jī)械強(qiáng)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(jiǎn)單易用、成本低廉、過(guò)濾效果好等優(yōu)點(diǎn)。高壓靜電除塵網(wǎng)在靜電場(chǎng)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(dá)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(jiǎn)單且效率高能量消耗少。

1.4 單片機(jī)控制系統(tǒng)

以STC89C52RC單片機(jī)作為控制核心。單片機(jī)是典型的嵌入式微控制器，由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，可以控制多個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)智能化[5]。單片機(jī)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(jī)

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(dòng)頻率超過(guò)人的聽(tīng)覺(jué)范圍，通過(guò)陶瓷霧化片的高頻諧振，不需加熱或添加任何化學(xué)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(shí)霧化過(guò)程中產(chǎn)生一些負(fù)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(dá)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(jī)、超聲波霧化器、溫濕度傳感器、水位控制電路四個(gè)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(qiáng)度大，加濕均勻，加濕效率高。實(shí)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(cè)控制系統(tǒng)

空氣凈化裝置以單片機(jī)作為核心控制器，主要采用溫度平衡技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、串口通信技術(shù)等技術(shù)，傳感器作為測(cè)量單元構(gòu)成檢測(cè)控制系統(tǒng)，以溫度濕度傳感器和PM2.5傳感器兩個(gè)傳感器作為構(gòu)成檢測(cè)裝置，PM2.5傳感器數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，價(jià)格低廉，還具有斷電自動(dòng)保存數(shù)據(jù)功能?？煞譃橹骺刂齐娐贰⒁壕э@示接口電路、水位檢測(cè)接口電路、串口通信接口電路[8]、超聲波霧化器驅(qū)動(dòng)電路、水位閥門(mén)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)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(yàn)測(cè)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(kāi)始工作到結(jié)束6min（360s）時(shí)間將PM2.5濃度降低到了所能達(dá)到的最低值，凈化速度快。見(jiàn)圖6。

圖6 一般封閉環(huán)境中PM2.5濃度隨工作時(shí)間變化曲線(xiàn)

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(kāi)始工作到9.5min（570s）時(shí)間將PM2.5濃度降低到了所能達(dá)到的最低值，所用時(shí)間長(zhǎng)。見(jiàn)圖7。

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

從以上兩種封閉空間內(nèi)的凈化實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)看，PM2.5起始濃度高時(shí)，凈化裝置所需要的凈化時(shí)間要長(zhǎng)一些，但是最終的凈化工作能達(dá)到較理想的結(jié)果。

2.3 單片機(jī)模塊參數(shù)設(shè)置

具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 單片機(jī)溫濕度模塊參數(shù)設(shè)置

單片機(jī)可以單獨(dú)控制霧化器進(jìn)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(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)智能化，節(jié)約電能。

2.4 空氣凈化裝置測(cè)量數(shù)據(jù)

以每次工作10分鐘為例，測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 空氣凈化裝置在不同時(shí)間段每次工作10分鐘的測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)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(xiàng)目由機(jī)械發(fā)電裝置和空氣凈化裝置組成。機(jī)械發(fā)電裝置是由四齒輪三鏈條三級(jí)變速、永磁恒壓發(fā)電機(jī)和繼電器保護(hù)模塊組成；空氣凈化裝置由風(fēng)機(jī)、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(jī)六部分組成；在健身時(shí)通過(guò)發(fā)電裝置將產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，將電能儲(chǔ)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(guò)空氣凈化裝置內(nèi)的風(fēng)機(jī)讓室內(nèi)空氣加速流通，空氣經(jīng)過(guò)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(shí)溫、濕度傳感器和單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)室內(nèi)進(jìn)行加濕，達(dá)到環(huán)保的目的；整個(gè)凈化裝置通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制，單片機(jī)按照預(yù)先設(shè)置好的室內(nèi)濕度及空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)凈化裝置，讓凈化裝置里的用電負(fù)載的用電量達(dá)到最小化，單片機(jī)可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程操控來(lái)實(shí)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(yīng)，使其沉淀，同時(shí)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?xún)艋^大空間較多粉塵，能夠除去的較大粒子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)是嵌入式微控制器，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)控制多個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)智能化。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，成本低。PM2.5檢測(cè)儀采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，價(jià)格合適，同時(shí)具有斷電自動(dòng)保存數(shù)據(jù)功能。搭建模擬房間，測(cè)量多組PM2.5值數(shù)據(jù)，利用建模說(shuō)明該作品可以在現(xiàn)實(shí)生活中使用，具有很強(qiáng)的可行性。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)合理，節(jié)能減排效果顯著。

4 整體實(shí)物圖

裝置整體圖見(jiàn)圖8。

圖8 裝置整體圖

5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

（1）利用健身車(chē)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(guò)單片機(jī)來(lái)控制凈化裝置，實(shí)現(xiàn)用電負(fù)載的最小電能功耗。

（3）自行設(shè)計(jì)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(cè)裝置相結(jié)合，能耗小，無(wú)污染、凈化效率，凈化效果明顯。

該項(xiàng)目搭建模擬房間，進(jìn)行多組PM2.5數(shù)據(jù)測(cè)量，空氣凈化系統(tǒng)的凈化效率高、凈化效果明顯，說(shuō)明該作品可以應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，具有很強(qiáng)的可行性；該健身車(chē)符合人們追求健康、智能的生活趨勢(shì)，也符合節(jié)能環(huán)保、凈化環(huán)境的綠色理念。可以廣泛應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，如家庭私人健身、專(zhuān)業(yè)健身房等，應(yīng)用前景廣闊。