室内空气PM2.5综合净化处理控制系统研究

摘要

随着空气污染问题日渐严重，空气净化领域相关产品的升级需求随之而来。本课题针对目前室内空气污染特点，以及净化处理存在风机驱动效率低、驱动精度以及智能程度低等问题，开展室内空气PM2.5综合净化处理理论分析、净化处理控制系统设计和试验研究。提高净化处理效率，降低净化能耗，对促进空气净化领域技术进步，改善空气质量具有十分重要的应用价值和推广意义。
　　课题主要研究工作包括以下四个方面：
　　（1）室内空气PM2.5综合净化处理理论分析。对比分析目前空气污染特点，结合高效率、无有害产物、对空气中的微粒以及挥发性有机物过滤等技术需求，确定采用HEPA高效率滤网过滤技术以及活性炭吸附过滤技术相结合的室内空气净化方式，分析室内空气滤网过滤与活性炭吸附综合净化基本工作原理，以及综合净化性能影响因素，揭示室内空气PM2.5综合净化处理机理。
　　（2）室内空气PM2.5综合净化处理控制系统设计。空气净化性能除了取决于滤网、活性炭本身性能，还与净化风机及其驱动技术有关。为了进一步提高净化性能，对比分析不同类别的电机驱动技术，采用能效比高、驱动精度高以及运行噪音低的无刷直流电机作为风机驱动部件，采用模块化设计方法，基于无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）调速驱动和PIC单片机构建净化处理控制系统，设计了系统硬件电路，包括：PIC16F18344单片机的主控电路、全桥逆变无刷直流电机调速控制电路、基于夏普 GP2Y1010AU0F烟尘传感器以及DHT22室内温湿度传感器的实时空气质量检测电路、基于74HC164与74HC165 I/O扩展芯片的人机交互接口模块和电源模块等。
　　（3）综合净化处理模糊智能控制研究。对比分析了基于PID自动控制算法与模糊控制智能算法的原理与优缺点，针对室内空气PM2.5综合净化处理对控制系统要求，选择模糊控制算法，以无刷直流电机为控制对象，以风机速度（净化出风量）、室内PM2.5浓度、出风口PM2.5浓度以及室内温湿度为控制变量，研究基于模糊控制的净化风机驱动算法。通过对控制变量的采样、模糊化、知识库建立以及逻辑判断语言的设定等，实现净化风机的模糊智能控制。
　　（4）净化处理系统试验研究。搭建室内空气PM2.5综合净化处理系统及其控制系统，设计调试系统软件，通过对系统功能和性能的测试试验，验证了综合净化处理功能完整性，以及综合净化处理智能控制效果。
　　通过对净化处理性能测试和数据分析，结果表明：采用无刷直流电机作为风机调速方案相比传统交流电机调速方式，在成本可控的前提下可获得更佳的无级风速调控性能，系统功耗显著降低；同时采用模糊控制智能算法使得系统能够初步满足不同测试环境下智能工作模式的功能要求。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3研究目标与内容

1.4研究思路与方法

2室内空气PM2.5综合净化理论分析

2.1室内空气质量评价标准

2.2 室内空气综合净化原理分析

2.3综合净化效能影响因素

2.4本章小结

3综合净化处理控制系统总体方案

3.1 控制系统性能及功能需求分析

3.2 系统总体方案设计

3.3 MCU核心控制模块方案分析

3.4 电机驱动模块方案分析

3.5 气体传感器模块方案分析

3.6 滤网状态感应方案分析

3.7本章小结

4综合净化处理控制系统硬件设计

4.1 基于PIC16单片机的主控电路设计

4.2净化风机无刷直流电机驱动电路设计

4.3 基于多传感器的检测电路设计

4.4人机交互接口电路设计

4.5 电源系统设计

4.6 本章小结

5模糊PID智能算法与系统软件设计

5.1 净化风机模糊PID控制与仿真分析

5.2 编程环境

5.3 控制系统程序设计

5.4 本章小结

6系统搭建与性能试验

6.1系统平台搭建与调试

6.2 控制系统性能试验

6.3 系统功能与性能对比分析

6.4 本章小结

7结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢