林　芳，许全有

(大庆师范学院 机电工程学院，黑龙江 大庆 163712)



基于电子技术的雾霾缓解系统的原理与设计

林芳，许全有

(大庆师范学院 机电工程学院，黑龙江 大庆 163712)

摘要：当今社会，由于全球工业化的不断发展，再加上人类对环境的污染，造成了环境紊乱。近年来雾霾等环境问题日益突出。设计一种缓解雾霾的系统，它包含智能路灯、蓄电池、净化装置、太阳能电池板即充电电路。路灯采用LED节能灯，亮度可以依据环境光线利用PWM进行调节；净化装置整体为中空的管状结构，其底部安装有冷凝板，冷凝板的底部安装有集水瓶，净化装置内安装有第一过滤网、第二过滤网、两个进气风扇，并配有一个检测PM2.5的传感器。路灯、风扇、冷凝板的运行与否由一套无线控制系统控制，这样路灯、净化装置的工作可由人工开启，也可定时给控制系统控制其开启。路灯、净化装置的开启状态可以反馈到控制终端加以显示。为了使本系统符合绿色节能环保的理念，采用太阳能和电网混合供电。

关键词：PM2.5；雾霾；路灯；太阳能

当今社会，由于环境污染，全球温度不断升高，造成了环境紊乱，破坏了大自然正常的气候，导致大气流通不便，再加上人为污染严重，尾气排放，工厂锅炉燃烧等，现阶段全球工业化较严重，近年来雾霾等坏境问题日益凸显，但是各学科仍然不能从根本上很好的解决该问题。在雾霾天气出现时，室外能见度比较低，污染持续，导致交通堵塞，高速公路封路，机场航班停运等，严重影响人们出行，严重的可能造成巨大的财产损失，另外还会引发交通事故。雾霾携带有氟、氯、亚硝酸盐、硫酸盐、铵等9种水溶性离子，它能够对人体的呼吸道粘膜细胞直接造成炎性反应，逐步在人体中积累，对人体会造成长期的健康隐患，其中影响最为严重的是对心脑血管和呼吸系统疾病高发的老年人群体[1]。雾霾是多学科需要共同面对的一个严肃话题，雾霾已经严重的影响到了人们的正常生产生活及健康。国家面对该问题只能通过行政、法律等手段如汽车限行、关闭高污染企业诸如此类的方式来缓解雾霾，化学和生物学领域针对雾霾也没有很好的办法。因此迫切需要一种缓解雾霾的空气净化装置来改善雾霾天带来的种种不便。

1设计方案

1.1设计方案的选择与论证

本文中设计的新系统是把缓解雾霾的装置和路灯结合到一起，一方面可以装饰路灯，充分利用路灯的支柱；另一方面路灯的普及面积比较大，在路灯上安装净化装置，可以很大程度的缓解雾霾。在设计上主要包括智能路灯的设计和净化装置的设计。智能路灯方案有两种，其一是直接定时开启路灯，控制路灯的亮与灭；其二是在控制路灯亮灭的基础上利用PWM信号控制路灯的亮暗程度[2]，达到节能的效果。净化装置的方案设计主要涉及管状结构的选择，一种是使用圆筒形，另一种是使用方形。

1.1.1智能路灯方案论证

本文设计的缓解雾霾系统中的智能路灯采用单片机控制，对光照强度进行信号采集，通过光照强度和定时双重控制实现路灯的智能化；为了达到更深层次节能的目的，同时对路灯的亮度进行控制，利用PWM波调节路灯的亮暗程度，是路灯的亮度随着天色黑暗的程度变化，天色越黑路灯就越亮。路灯的开启可以人为进行遥控开启，也可以定时开启，路灯的状态可以实时在液晶显示屏上进行显示。

1.1.2净化装置方案论证

由于净化装置是一种管状结构，净化装置的设计方案有两种：一种是采用圆筒形；一种是采用方形。圆筒形设计简单、方便，但是考虑到净化装置内部加有有过滤网和进气风扇。市场上的风扇外形大都是方形结构，过滤网还要定期更换。考虑以上两点，最终决定采用方形结构，并且在设计安装过滤网处采用抽拉型，以便于过滤网的更换。由于雾霾中会含有水气，经过净化装置后，水气凝结成液态，收集到集水瓶中，考虑到集水瓶里水的利用效果，在集水瓶下方安装一个水管，可以利用集水瓶里的水来浇灌绿化带。

1.2系统整体方案设计

缓解雾霾系统的整体设计框图如图1所示。

图1　缓解雾霾系统整体设计框图

整个电路由主机和从机两部分构成，主机和从机之间通过无线模块进行通信，从机把外界光强和PM2.5的检测值通过无线模块传送给主机，主机处理后在人机交互界面上显示，并通过和提前预设值指示从机是否开启路灯和净化装置[3]。时钟为主机提供时间基准，可以通过遥控开关对时间基准、定时时间和路灯状态进行调整。通过太阳能电池板给蓄电池充电，蓄电池给整个从机系统供电；当蓄电池的电量不足以供给从机时，从电网取电，保证从机正常工作。

2硬件电路设计

2.1硬件电路的设计

2.1.1输入电路的设计

一是开展项目准备阶段的宣传。通过发宣传单、树宣传牌、刷宣传标语、院坝会等向群众全面深入宣传项目背景、目的、意义，及目标、措施、融资还贷方案、项目资金政策、农户贷款条件和要求等内容。二是开展项目设计阶段的宣传。设计人员在进行现场规划设计过程中既要做好技术员，又要当好宣传员。通过问卷调查、走访农户、开村民大会等形式，广泛征求群众意见，科学设计治理措施。三是开展项目实施阶段的宣传。通过发明白卡、树公示牌、签协议书等形式，告知群众具体的实施方案，引导群众积极参与项目建设。通过广泛的宣传，得到了广大农民的理解、支持，激发了农民参与项目建设和管护的自觉性。

输入电路是整个系统实现目标功能的核心部分，空中垃圾箱的输入电路包括主机时钟输入电路、从机光强检测电路、PM2.5检测电路和无线模块电路。

单片机通过读取时钟芯片DS1302实时时钟模块的信号，进行处理后在人机交互界面显示，为主机提供时间基准。主机信息通过无线模块NRF905无线芯片接收后传输给单片机处理，处理后通过无线模块指示从机工作。单片机通过读取无线模块和光强传感器的信号，进行处理后输出控制信号并把输出的控制信号状态反馈给主机，为主机在人机交互界面显示状态提供准确信息。从机信息通过无线模块接收后传输给单片机处理，处理后通过无线模块指示从机工作。

2.1.2驱动电路的设计

本次设计净化装置中的风扇和冷凝板的工作电压为12V直流电压，由于单片机输出为5V，想要用单片机所输出的信号直接驱动风扇和冷凝板使其工作是不可行的，因此就需要设计电路驱动风扇和冷凝板。驱动电路原理图如图2所示。当单片机对应的引脚输出为高时，三极管Q1、Q2和Q3就会导通，继电器常闭触点断开，常开触点闭合，风扇和冷凝板通电自动开始工作。当单片机的脚输出低，三极管Q1、Q2和Q3截止，继电器的常开触点断开，常闭触点闭合，风扇和冷凝板断电停止工作。继电器的线圈是感性原件，当其断电时会产生一个很高的反向的电动势，为了防止单片机输出信号改变，三极管截止瞬间造成继电器的线圈产生的反向电动势把三极管击穿，用一个二极管D1、D2和D3与继电器的导通控制端并联，它的作用是续流和保护。

路灯的供电电压也是12V，通过单片机输出的PWM进行控制亮暗程度。采用L9110H进行驱动。

2.1.4 净化装置

净化过滤网是通过吸附和阻隔对雾霾中的可吸入颗粒物进行过滤，达到空气净化的目的。过滤网的工作原理图如图3所示。市场上有很多的过滤网，由于静电有很强的吸附能力，所以本次设计时采用静电过滤网。

图2　驱动电路原理图

2.2软件设计

从机程序流程图如图4所示。首先，上电对系统进行初始化处理，单片机时刻从无线电路的信号判断输入的信号，是否对路灯和净化装置状态进行更改。更改后，从机将会把已经更改完成信号通过无线电路发送给主机处理，主机处理后，在人机交互界面显示，然后，从机时刻检测输入的光强信号和PM2.5信号，通过对光强信号的处理，调节路灯的亮暗程度；通过对输入的PM2.5检测信号的处理，调整风扇和冷凝板的工作状态。当PM2.5检测值超过预设值时，净化装置开始工作。

主机程序流程图如图5所示。上电对系统进行初始化处理，单片机时刻检测遥控电路的信号判断输入的信号，是否对时钟、定时时间、路灯状态和净化装置状态进行更改。更改后的信号通过无线电路发送给从机处理，收到从机更改完成信号后，在人机交互界面显示。

图4　从机程序流程图

3结语

缓解雾霾系统的空气净化装置会在PM2.5浓度过高时设定，但是由于传感器特性并不能在理论上精确得知PM2.5浓度达到多少时会开启净化装置。空中垃圾箱的实物图如图6所示。

通过实验得到了一组大致的数据，数据测量环境均为室外，地点在大庆市让胡路区大庆师范学院，使用的PM2.5检测仪是借用大庆市某企业用于车间粉尘检测的手持式仪器，大庆市让胡路区监测点实时检测数据来自绿色呼吸网。图中PM2.5浓度单位是微克/立方米(μg/m3)。通过所测数据绘制得到了图7的折线图，系统空气净化装置的值为0表示不工作，值为40表示间歇式工作，值为80表示一直工作。

图6　空中垃圾箱实物图

通过图7可以看出，设备工作的清空，大庆市让胡路区监测点监测数据都在46以上时，手持设备测量的数据在38以上，而手持设备的测量数据在49以下是为间歇式工作，所以可以估计出本系统的空气净化装置会在40微克/立方米。

在合理的利用资源、节约资源的基础上。本文设计的空中垃圾箱，把净化装置和路灯结合到一起，由于路灯的覆盖面积比较大，所以缓解雾霾系统能够很大程度的去缓解雾霾问题。通过本文的设计，经过模拟安装测试，实现了设计要求，在缓解雾霾问题上能够起到很大的作用。缓解雾霾系统有很好的应用前景，值得继续深入研究。

[参考文献]

[1] 单提伟.雾霾现状与治理[J].中国管理信息化，2013，16(2):24.

[2] 郭涛,马永亮,贺克斌. 区域大气环境中PM2.5/PM10空间分布研究[J].环境工程学报,2009, 3(1):1.

[3] 王桂枝. PWM 控制原理在自动控制中的应用[J].烟台大学学报，1999,12(2):2.

Principle and design of air garbage Box

LIN Fang，XU Quan-you

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Daqing Normal University, Daqing 163712, China)

Abstract：Nowadays, due to the continuous development of global industrialization, combined with human pollution of the environment, causing environmental imbalance. In recent years, haze and other environmental problems have become increasingly prominent. This article describes a haze in the air to alleviate the trash, which includes intelligent lights, batteries, purification equipment, solar panels that is charging circuitry. LED lights use energy-saving lamps, brightness based on ambient light can be adjusted utilizing PWM; purification device as a whole is a hollow tubular structure, the bottom plate is mounted condensing the bottom plate is mounted condensate collection bottle, purifying device is mounted within a first filter The second filter, two intake fans, and is equipped with a sensor to detect PM2.5. Running lights, fans, condensing plate or not by a set of wireless control system, so lights, artificial purification device can work on, but also to the control system to control the timing of its opening. On state street, purification device can be fed back to the control terminal display. In order that the system meets the green concept of energy saving, the use of solar and hybrid power supply grid.

Key words:PM2.5; haze; lights; solar energy

中图分类号：TN71

文献标志码：A

文章编号：2095-0063(2015)06-0043-04

收稿日期：2015-08-22

基金项目：大庆师范学院自然科学基金(11ZR08)。

作者简介：林芳(1983-)，女，黑龙江大庆人，讲师，从事信号处理理论及应用研究。

DOI10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2015.06.011