CN106895515A - 一种便携式个人环境监测和净化*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式个人环境监测和净化***，包括上、下开设有出风口、进风口的壳体，所述壳体内自下至上依次设置有活性炭过滤网、进风口风扇、负离子发生器、静电吸附过滤网和出风口风扇，所述负离子发生器包括自下至上依次设置的若干个放电装置，放电装置包括若干个放电尖端，所述放电装置通过负离子发生电路连接单片机，单片机还分别连接进风口风扇、出风口风扇和电源；本发明能实时监测环境PM2.5浓度值，打开启动按钮，进风口风扇、负离子发生器和出风口风扇开始工作，产生对人体有益的负离子，并将其送至出风口，本发明功耗低，且便于个人携带。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，特别涉及一种便携式个人环境监测和净化***。
背景技术
PM2.5(细颗粒物)指环境空气中空气动力学当量直径≤2.5微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。
2012年***环境规划署公布的《全球环境展望5》指出，每年有近200万的过早死亡病例与颗粒物污染有关。《美国国家科学院院刊》(PNAS)也发表了研究报告，报告中称，人类的平均寿命因为空气污染很可能已经缩短了5年半。2013年10月17日，世界卫生组织下属国际癌症研究机构发布报告，首次指认大气污染对人类致癌，并视其为普遍和主要的环境致癌物。对颗粒的长期暴露可引发心血管病和呼吸道疾病以及肺癌。当空气中PM2.5的浓度长期高于10μg/m3，就会带来死亡风险的上升。浓度每增加10μg/m3，总死亡风险上升4％，心肺疾病带来的死亡风险上升6％，肺癌带来的死亡风险上升8％。此外，PM2.5极易吸附多环芳烃等有机污染物和重金属，使致癌、致畸、致突变的机率明显升高。
近年来，我国各大城市均面临了空气污染的问题，空气中总悬浮可吸入颗粒物浓度普遍超标，形势异常严峻。目前对于悬浮颗粒物的空气净化方案是空气净化器，其原理主要有物理式过滤法(活性炭、水过滤法、HEPA网等)、静电集尘技术、化学式净化法(光触媒催化分解技术、分子络合技术等)、负离子技术等。其中过滤吸附方式需要经常更换，不宜清洗，且易脱附，负离子技术为一种较为高效的净化技术，且产生的负离子对人体有很大的益处，能有效增强血液携氧能力20％左右，并有效促进人体新陈代谢改善睡眠，但绝大多数负离子空气净化器所需电压大(5000～7000V高压)，功耗大且会产生空气电离从而引发臭氧。这主要因为当空气被电离之后产生的负氧离子浓度过大时，空气中的负氧离子会重新结合产生臭氧。而当臭氧含量达到0.5ppm以上时会对人体产生不良影响。因此虽然空气净化器能对室内空气提供一定的净化，但其缺点也很明显，容易产生对人体有危害的臭氧，成本高，功耗大，仅适用于室内且体积庞大不易移动。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种便携式个人环境监测和净化***，该***能去除PM2.5，并能产生对人体有益的负离子。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种便携式个人环境监测和净化***，包括上、下开设有出风口、进风口的壳体14，所述壳体14内自下至上依次设置有活性炭过滤网2、进风口风扇3、负离子发生器8、静电吸附过滤网5和出风口风扇4，所述负离子发生器8包括自下至上依次设置的若干个放电装置，放电装置包括若干个放电尖端12，所述放电装置通过负离子发生电路连接单片机，单片机还分别连接进风口风扇3、出风口风扇4和电源7。
进一步的，所述进风口与活性炭过滤网2之间的壳体14侧壁上对称设置有两个灰尘传感器1。
进一步的，环境监测和净化***，还包括设置于壳体14顶部边缘的显示屏6、启动按钮10和除尘按钮11，所述启动按钮10和除尘按钮11分别与单片机相接，所述灰尘传感器1通过A/D转换器与单片机相接，单片机分别与静电吸附过滤网5和显示屏6相接。
进一步的，所述出风口的角度为广口，所述出风口风扇4通过柔性材质固定于壳体14的内壁上，且出风口风扇4通过柔性材质改变出风角度。
进一步的，所述壳体14呈半圆柱状，所述壳体14半圆柱状中长方形的一侧与颈部挂带9固定连接；所述壳体14半圆柱状中长方形的一侧设置有电源盒，所述电源盒用于放置电源、单片机和负离子发生电路。
进一步的，所述单片机的脉冲信号接入负离子发生电路，先经过三极管T1、三极管T2构成的推挽电路，再经电阻R1后接NMOS管T3对电压进行放大，R2为其上拉电阻，然后由压电陶瓷变压器TC变压，最后经过由电容C3、电容C4与二极管D1、二极管D2组成的二次倍压整流电路倍压后连接放电尖端。
进一步的，所述负离子发生器8呈半圆柱状，且上下开口，其顶部与静电吸附过滤网5相接；所述负离子发生器8包括自上而下依次设置的5个放电装置，每个放电装置均包括5个呈扇形排布的放电尖端12。
进一步的，所述放电尖端12为等长度的四棱锥；所述放电尖端12的材质为银。
进一步的，所述放电尖端12的外表面均喷涂一层石墨烯薄膜13，所述石墨烯薄膜的厚度为5-20nm。
进一步的，所述单片机为MCU，其型号为STM32F407ZGT6；所述灰尘传感器的型号为GP2Y1010AU0F；所述显示屏为LCD显示屏。
进一步的，两个灰尘传感器将监测的PM2.5浓度值经A/D转换器传送至单片机，单片机采用平均数与时延加权相结合的算法进行对监测的PM2.5浓度值进行计算，计算包括以下步骤：
(1)两个灰尘传感器同时监测，通过A/D转换器得到两个PM2.5浓度值分别为V1、V2；
(2)求出ΔV＝|V1-V2|，进行判断是否ΔV≤5％×Vmin，其中Vmin为V1与V2中较小的那个数值；若不成立，则重新监测，若成立，则取V1与V2的算术平均值V0；
(3)两个灰尘传感器每隔30s监测一次PM2.5浓度值，并保存3min内的6个PM2.5浓度值，分别为V00、V01、V02、V03、V04、V05；
(4)对V00～V05再次求加权平均得到V：
V＝40％×V00+20％×V01+16％×V02+12％×V03+8％×V04+4％×V05，
其中V00为最新测得的PM2.5浓度值，故权值最大；
(5)开机首次监测时，默认V01～V05均等于V00，之后每分钟舍弃V05，新得到的PM2.5浓度值为V00，其它PM2.5浓度值向后顺移；
单片机计算出的PM2.5浓度值V显示于显示屏上。
进一步的，当打开启动按钮，两个灰尘传感器监测环境中的PM2.5浓度值，当单片机计算后的PM2.5浓度<50μg/m3时为优，此时进风口风扇3、出风口风扇4和负离子发生器8不工作，即不进行净化；当单片机计算后的PM2.5浓度值达到50～100μg/m3时为良，此时进风口风扇3、出风口风扇4为一档转速：450～550r/min，负离子发生器8产生负离子量为50～100×104个/cm3；当单片机计算后的PM2.5浓度值达到101～150μg/m3时为轻度污染，进风口风扇3、出风口风扇4为二档转速：550～650r/min，负离子发生器产生负离子量为100～150×104个/cm3；当单片机计算后的PM2.5浓度值达到151～200μg/m3时为中度污染，进风口风扇3、出风口风扇4为三档转速：650～800r/min，负离子发生器产生负离子量为150～250×104个/cm3；当单片机计算后的PM2.5浓度值>200μg/m3时为重度及严重污染，进风口风扇3、出风口风扇4为四档转速：800～1000r/min，负离子发生器产生负离子量为250～400×104个/cm3。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明为一种可穿戴的对环境有实时自动监测与净化功能的***，监测与净化同步进行，利用石墨烯薄膜既去除了人呼吸区域内空气中的PM2.5又释放出对人体有益的负离子，且在其过程中不会产生对人体有害的臭氧，同时也最大限度的降低了功耗。
附图说明
图1是本发明的模块框图；
图2是本发明中负离子发生电路的电路图；
图3是本发明中放电尖端的排布图；
图4是本发明中放电尖端的截面图；
图5是本发明中负离子发生器的结构示意图；
图6是本发明的结构示意图；
其中：1-灰尘传感器，2-活性炭过滤网，3-进风口风扇，4-出风口风扇，5-静电吸附过滤网，6-显示屏，7-电源，8-负离子发生器，9-颈部挂带，10-启动按钮，11-除尘按钮，12-放电尖端，13-石墨烯薄膜，14-壳体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图6所示，一种便携式个人环境监测和净化***，包括上、下开设有出风口、进风口的壳体14，所述壳体14内自下至上依次安装有活性炭过滤网2、进风口风扇3、负离子发生器8、静电吸附过滤网5和出风口风扇4，所述负离子发生器8包括自下至上依次设置的若干个放电装置，放电装置包括若干个放电尖端12，所述放电装置通过负离子发生电路连接单片机，单片机还分别连接进风口风扇3、出风口风扇4和电源7，所述进风口风扇3、出风口风扇4均可正转及反转，且能够调节旋转速度，风扇正转、反转及调节转速均为现有技术，所述电源7为可充电式电源，当电源7充电时，按下除尘按钮11，单片机通过控制静电吸附过滤网5掉电后，使进风口风扇3和出风口风扇4强力反转，来完成对静电吸附过滤网5的除尘工作，达到除尘的效果，无需更换静电吸附过滤网5，节省成本且易实现。
所述进风口与活性炭过滤网2之间的壳体14侧壁上对称设置有两个灰尘传感器1，两个灰尘传感器分别位于壳体14左右两端。
如图1所示，灰尘传感器信号输入到A/D转换器，再输入到单片机，同时启动按钮10和除尘按钮11也做为输入端接到单片机，单片机分别控制进风口风扇3和出风口风扇4的电机、静电吸附过滤网5、LCD显示器6与负离子发生器8；所述显示屏6、启动按钮10和除尘按钮11均设置于壳体14顶部边缘，启动按钮10和除尘按钮11可控制***启动与除尘功能，除尘时需要接电源，以便静电吸附过滤网5去电释放灰尘，所述启动按钮10和除尘按钮11分别与单片机相接，所述灰尘传感器1通过A/D转换器与单片机相接，单片机分别与静电吸附过滤网5和显示屏6相接，两个灰尘传感器1位于壳体外部左右两端，灰尘传感器输出端与A/D转换器相连，然后由GPIO接口输入到单片机中进行PM2.5浓度值的计算与分析，然后将单片机计算后的PM2.5浓度值显示于显示屏6上，由于空气中的PM2.5浓度值为缓慢动态变化数据，存在不稳定性，故为达到监测的准确性与实时性，采用两个灰尘传感器，并通过单片机进行计算，降低了监测误差。
所述出风口的角度为广口，所述出风口风扇4通过柔性材质固定于壳体14的内壁上，且出风口风扇4通过柔性材质改变出风角度，出风口风扇4采用斜前上方角度，以避免风直吹向人面部，又能保证净化使用者呼吸区域内的空气，出风口输出含有高浓度负离子的空气。
所述壳体14呈半圆柱状，且壳体14采用绝缘材质，所述壳体14半圆柱状中长方形的一侧与颈部挂带9固定连接；本发明采用挂脖式佩戴带方式，置于胸前高度可调，出风口位于斜上方，能保证使用者在面部不被直吹的情况下还能吸进净化后的空气。
所述壳体14半圆柱状中长方形的一侧设置有电源盒，所述电源盒用于放置电源、单片机和负离子发生电路，电源为可充电式电池，电池可直接外接交流电。
如图3和5所示，所述负离子发生器8呈半圆柱状，且上下开口，其顶部与静电吸附过滤网5相接；所述负离子发生器8包括自上而下依次设置的5个放电装置，每个放电装置均包括5个呈扇形排布的放电尖端12。
如图4所述，所述放电尖端12为等长度的四棱锥；所述放电尖端12的材质为银；所述放电尖端12的外表面均喷涂一层可降低尖端放电触发电压的石墨烯薄膜13，所述石墨烯薄膜的厚度为5-20nm。
如图2所示，负离子发生电路中采用小体积的压电陶瓷变压器进行升压，所述单片机的脉冲信号接入负离子发生电路，先经过三极管T1、三极管T2构成的推挽电路，再经电阻R1后接NMOS管T3对电压进行放大，R2为其上拉电阻，然后由压电陶瓷变压器TC变压，最后经过由电容C3、电容C4与二极管D1、二极管D2组成的二次倍压整流电路倍压后，连接放电尖端，使石墨烯薄膜放电尖端达到2000～3000V的电压进行高效放电，既能够产生充足的电子结合PM2.5颗粒形成负离子被吸附，同时又由于电压相对低基本上不产生臭氧。
本发明中的负离子发生器采用等电势多尖端低电压放电，实验表明，尖端放电<0.3μA时不易产生臭氧，采用等电势多尖端放电既能产生浓度适量的负离子，又能保证臭氧浓度<0.5ppm。每个放电尖端外部都包裹有一层石墨烯薄膜，薄膜厚度在5～20nm。此种石墨烯薄膜放电尖端大大降低了尖端放电的触发电压，提高了***整体的性能，降低了功耗。且石墨烯薄膜也延长了放电尖端的使用寿命。
本发明的负离子发生电路中采用压电陶瓷变压器，其优点是体积小，功率大，重量轻，升压比高。其输入为单片机的脉冲信号，经过两个三极管构成的推挽电路，再由一个NMOS管对电压进行放大，然后由压电陶瓷变压器变压，再经过电容与二极管的两次陪压整流后，使放电尖端达到2000～3000V的电压进行放电。
所述单片机为MCU，其型号为STM32F407ZGT6；所述灰尘传感器的型号为GP2Y1010AU0F；所述显示屏为LCD显示屏，其型号为12832。
两个灰尘传感器将监测的PM2.5浓度值经A/D转换器传送至单片机，单片机采用平均数与时延加权相结合的算法进行对监测的PM2.5浓度值进行计算，计算包括以下步骤：
(1)两个灰尘传感器同时监测，通过A/D转换器得到两个PM2.5浓度值分别为V1、V2；
(2)求出ΔV＝|V1-V2|，进行判断是否ΔV≤5％×Vmin，其中Vmin为V1与V2中较小的那个数值；若不成立，则重新监测，若成立，则取V1与V2的算术平均值V0；
(3)两个灰尘传感器每隔30s监测一次PM2.5浓度值，并保存3min内的6个PM2.5浓度值，分别为V00、V01、V02、V03、V04、V05；
(4)对V00～V05再次求加权平均得到V：
V＝40％×V00+20％×V01+16％×V02+12％×V03+8％×V04+4％×V05，
其中V00为最新测得的PM2.5浓度值，故权值最大；
(5)开机首次监测时，默认V01～V05均等于V00，之后每分钟舍弃V05，新得到的PM2.5浓度值为V00，其它PM2.5浓度值向后顺移；
上述算法通过单片机来实现，提高了PM2.5监测的准确性与实时性，准确地对周围环境进行着实时的监控，以进行不同强度的净化，单片机计算出的PM2.5浓度值V显示于显示屏上。
两个灰尘传感器将监测的PM2.5浓度值传递至单片机，再通过单片机计算的PM2.5浓度值，随后将计算得出的PM2.5浓度值分为四个数值区间，分别对应风扇转速的四个档位，且负离子发生器中放电电压大小也随之改变，提高了净化效率，大大降低了使用难度和不必要的能源浪费。当打开启动按钮，两个灰尘传感器监测环境中的PM2.5浓度值，当单片机计算后的PM2.5浓度<50μg/m3时为优，此时进风口风扇3、出风口风扇4和负离子发生器8不工作，即不进行净化；当单片机计算后的PM2.5浓度值达到50～100μg/m3时为良，此时进风口风扇3、出风口风扇4为一档转速：450～550r/min，负离子发生器8产生负离子量为50～100×104个/cm3；当单片机计算后的PM2.5浓度值达到101～150μg/m3时为轻度污染，进风口风扇3、出风口风扇4为二档转速：550～650r/min，负离子发生器产生负离子量为100～150×104个/cm3；当单片机计算后的PM2.5浓度值达到151～200μg/m3时为中度污染，进风口风扇3、出风口风扇4为三档转速：650～800r/min，负离子发生器产生负离子量为150～250×104个/cm3；当单片机计算后的PM2.5浓度值>200μg/m3时为重度及严重污染，进风口风扇3、出风口风扇4为四档转速：800～1000r/min，负离子发生器产生负离子量为250～400×104个/cm3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种便携式个人环境监测和净化***，其特征在于：包括上、下开设有出风口、进风口的壳体(14)，所述壳体(14)内自下至上依次设置有活性炭过滤网(2)、进风口风扇(3)、负离子发生器(8)、静电吸附过滤网(5)和出风口风扇(4)，所述负离子发生器(8)包括自下至上依次设置的若干个放电装置，放电装置包括若干个放电尖端(12)，所述放电装置通过负离子发生电路连接单片机，单片机还分别连接进风口风扇(3)、出风口风扇(4)和电源(7)。
2.根据权利要求1所述的便携式个人环境监测和净化***，其特征在于：所述进风口与活性炭过滤网(2)之间的壳体(14)侧壁上对称设置有两个灰尘传感器(1)。
3.根据权利要求2所述的便携式个人环境监测和净化***，其特征在于：还包括设置于壳体(14)顶部边缘的显示屏(6)、启动按钮(10)和除尘按钮(11)，所述启动按钮(10)和除尘按钮(11)分别与单片机相接，所述灰尘传感器(1)通过A/D转换器与单片机相接，单片机分别与静电吸附过滤网(5)和显示屏(6)相接。
4.根据权利要求1所述的便携式个人环境监测和净化***，其特征在于：所述出风口的角度为广口，所述出风口风扇(4)通过柔性材质固定于壳体(14)的内壁上，且出风口风扇(4)通过柔性材质改变出风角度。
5.根据权利要求1所述的便携式个人环境监测和净化***，其特征在于：所述壳体(14)呈半圆柱状，所述壳体(14)半圆柱状中长方形的一侧与颈部挂带(9)固定连接；所述壳体(14)半圆柱状中长方形的一侧设置有电源盒(7)，所述电源盒(7)用于放置电源、单片机和负离子发生电路。
6.根据权利要求1所述的便携式个人环境监测和净化***，其特征在于：所述单片机的脉冲信号接入负离子发生电路，先经过三极管T1、三极管T2构成的推挽电路，再经电阻R1后接NMOS管T3对电压进行放大，R2为其上拉电阻，然后由压电陶瓷变压器TC变压，最后经过由电容C3、电容C4与二极管D1、二极管D2组成的二次倍压整流电路倍压后连接放电尖端。
7.根据权利要求1所述的便携式个人环境监测和净化***，其特征在于：所述负离子发生器(8)呈半圆柱状，且上下开口，其顶部与静电吸附过滤网(5)相接；所述负离子发生器(8)包括自上而下依次设置的5个放电装置，每个放电装置均包括5个呈扇形排布的放电尖端(12)。
8.根据权利要求1所述的便携式个人环境监测和净化***，其特征在于：所述放电尖端(12)为等长度的四棱锥；所述放电尖端(12)的材质为银；所述放电尖端(12)的外表面均喷涂一层石墨烯薄膜(13)，所述石墨烯薄膜的厚度为5-20nm。
9.根据权利要求3所述的便携式个人环境监测和净化***，其特征在于：两个灰尘传感器将监测的PM2.5浓度值经A/D转换器传送至单片机，单片机采用平均数与时延加权相结合的算法进行对监测的PM2.5浓度值进行计算，计算包括以下步骤：
(1)两个灰尘传感器同时监测，通过A/D转换器得到两个PM2.5浓度值分别为V1、V2；
(2)求出△V＝|V1-V2|，进行判断是否△V≤5％×Vmin，其中Vmin为V1与V2中较小的那个数值；若不成立，则重新监测，若成立，则取V1与V2的算术平均值V0；
(3)两个灰尘传感器每隔30s监测一次PM2.5浓度值，并保存3min内的6个PM2.5浓度值，分别为V00、V01、V02、V03、V04、V05；
(4)对V00～V05再次求加权平均得到V：
V＝40％×V00+20％×V01+16％×V02+12％×V03+8％×V04+4％×V05，
其中V00为最新测得的PM2.5浓度值，故权值最大；
(5)开机首次监测时，默认V01～V05均等于V00，之后每分钟舍弃V05，新得到的PM2.5浓度值为V00，其它PM2.5浓度值向后顺移；
单片机计算出的PM2.5浓度值V显示于显示屏上。
10.根据权利要求3所述的便携式个人环境监测和净化***，其特征在于：当打开启动按钮，两个灰尘传感器监测环境中的PM2.5浓度值，当单片机计算后的PM2.5浓度<50μg/m3时为优，此时进风口风扇(3)、出风口风扇(4)和负离子发生器(8)不工作，即不进行净化；当单片机计算后的PM2.5浓度值达到50～100μg/m3时为良，此时进风口风扇(3)、出风口风扇(4)为一档转速：450～550r/min，负离子发生器(8)产生负离子量为50～100×104个/cm3；当单片机计算后的PM2.5浓度值达到101～150μg/m3时为轻度污染，进风口风扇(3)、出风口风扇(4)为二档转速：550～650r/min，负离子发生器产生负离子量为100～150×104个/cm3；当单片机计算后的PM2.5浓度值达到151～200μg/m3时为中度污染，进风口风扇(3)、出风口风扇(4)为三档转速：650～800r/min，负离子发生器产生负离子量为150～250×104个/cm3；当单片机计算后的PM2.5浓度值>200μg/m3时为重度及严重污染，进风口风扇(3)、出风口风扇(4)为四档转速：800～1000r/min，负离子发生器产生负离子量为250～400×104个/cm3。
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