汽車空調(diào)自清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯璐婧，劉玉振，劉清東

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

汽車空調(diào)主要是制冷、制熱、換氣等功能，而當(dāng)汽車開啟外循環(huán)模式時(shí)，外面的空氣會被汽車通過加熱、制冷吸入車內(nèi)。據(jù)了解，車內(nèi)的空氣污染物主要來自由空調(diào)循環(huán)風(fēng)口進(jìn)入的汽車尾氣（比如丁烷、甲苯、甲醛）和肉眼看不見的細(xì)小微粒（如灰塵、粉塵）、汽車內(nèi)部裝潢材料的揮發(fā)物、香煙燃燒的廢氣等。空氣中的細(xì)小微粒同樣會給人們的健康帶來危害，據(jù)美國肺科協(xié)會對懸浮顆粒于人體健康的研究報(bào)告中指出，空氣中的懸浮微粒會減少人體1至3年壽命。微粒進(jìn)入車內(nèi)，不僅可能在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)霉并繁殖細(xì)菌，使空調(diào)系統(tǒng)工作時(shí)散發(fā)出異味，而且在人們吸入塵埃、細(xì)菌、花粉和動(dòng)物毛屑后，會引發(fā)噴嚏、咳嗽、鼻炎等。車內(nèi)惡劣的空氣質(zhì)量已經(jīng)成為危及駕駛員和乘客身體健康的“隱形炸彈”[1]。

目前，汽車空調(diào)的清潔主要依靠人工使用清潔劑進(jìn)行清潔，所以針對這一問題設(shè)計(jì)了一種汽車空調(diào)自清潔系統(tǒng)。

1 汽車空調(diào)系統(tǒng)有害物質(zhì)分析

1.1 空調(diào)濾芯有害物質(zhì)

空調(diào)濾芯是接觸外界空氣的第一道屏障，空氣中含有大量的雜質(zhì)，因此空氣濾芯上會有大量灰塵，特別是有些汽車的空調(diào)濾芯安裝到駕駛室內(nèi)的隱藏角落里，這特殊的環(huán)境還會使得空調(diào)濾芯上面滋生細(xì)菌和真菌，嚴(yán)重的會出現(xiàn)異味發(fā)霉的情況，嚴(yán)重影響駕乘人員的健康。

1.2 空調(diào)管道有害物質(zhì)

因空調(diào)管道其特殊的形狀造型，使得因空調(diào)濾芯過濾效果差，使進(jìn)入的灰塵無法排除并通過空調(diào)出風(fēng)口進(jìn)入管道，造成管道內(nèi)存儲大量粉塵顆粒物。同時(shí)管道內(nèi)的粉塵長時(shí)間積累，造成新的細(xì)菌和真菌的滋生，并通過風(fēng)流擴(kuò)散到其他空調(diào)系統(tǒng)部件，造成有害物質(zhì)進(jìn)一步的擴(kuò)散。

1.3 蒸發(fā)器有害物質(zhì)

蒸發(fā)器是制冷劑由液體蒸發(fā)至氣體的過程，所以長期處于潮濕的環(huán)境，極易滋生細(xì)菌，且蒸發(fā)器一般采用管帶式和管片式的結(jié)構(gòu)，還會造成細(xì)菌不容易進(jìn)行清理，或者清理不徹底等問題。且汽車空調(diào)中最常見的氣味來自蒸發(fā)器葉片上的細(xì)菌群落，通過對細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)了金黃色葡萄球菌、霉菌、大腸桿菌等10多種致病菌。

1.4 暖風(fēng)水箱的有害物質(zhì)

暖風(fēng)水箱主要是將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱量傳遞到駕駛室內(nèi)，在氣溫低時(shí)，以供汽車內(nèi)人員進(jìn)行取暖，其結(jié)構(gòu)類型與蒸發(fā)器一致，其雖不處于潮濕的環(huán)境，但因結(jié)構(gòu)的特殊性，進(jìn)入暖風(fēng)箱的有害物質(zhì)不能簡單進(jìn)行清潔，造成內(nèi)部沉積大量的灰塵及細(xì)菌。

2 汽車空調(diào)自清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案提出

汽車空調(diào)自清潔系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、清潔模塊三部分組成，其控制圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊由粉塵傳感器和VOC-S傳感器組成，控制模塊是STC89C52單片機(jī)，清潔模塊又分為了進(jìn)風(fēng)管道清潔模塊、蒸發(fā)器清潔模塊、暖風(fēng)水箱清潔模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是對進(jìn)風(fēng)管道的粉塵濃度和有害氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測，以便單片機(jī)判斷何時(shí)進(jìn)行控制。控制模塊是通過對單片機(jī)燒錄程序進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對清潔模塊的控制。清潔模塊的功能是對進(jìn)風(fēng)管道、蒸發(fā)器、暖風(fēng)水箱進(jìn)行清潔。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案框圖

數(shù)據(jù)采集模塊檢測進(jìn)風(fēng)管道粉塵及有害氣體濃度是否超標(biāo)，然后把檢測數(shù)據(jù)傳遞給控制模塊；控制模塊對傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并控制清潔模塊工作，從而達(dá)到對汽車空調(diào)進(jìn)行自動(dòng)清潔的效果。

3 汽車空調(diào)自清潔系統(tǒng)硬件的選型

3.1 硬件總體方案設(shè)計(jì)

汽車空調(diào)自清潔系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括粉塵傳感器監(jiān)測模塊、VOC-S傳感器監(jiān)測模塊、控制模塊、清潔模塊等。通過粉塵傳感器監(jiān)測模塊來對空調(diào)通風(fēng)管道的粉塵污染程度進(jìn)行監(jiān)測；通過VOC-S傳感器對汽車空調(diào)的有害氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測；通過單片機(jī)來控制何時(shí)清潔，做到精準(zhǔn)、高效；通過進(jìn)風(fēng)管道清潔模塊和蒸發(fā)器清潔模塊來進(jìn)行清潔功能。通過這幾個(gè)模塊的相互配合，最終實(shí)現(xiàn)對汽車空調(diào)的清潔。

3.2 數(shù)據(jù)采集功能硬件選定

3.2.1 粉塵傳感器的選定

綜合表1所列多種傳感器的對比，因?yàn)镚P2Y-1010AU0F傳感器在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，具有體積小、易安裝、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，所以，選擇了此傳感器。GP2Y1010AU0F是日本夏普公司開發(fā)的光學(xué)粉塵濃度傳感器。該傳感器的內(nèi)部是一個(gè)紅外發(fā)光管和一個(gè)分布在對腳上的光電晶體管，利用光敏原理工作。用于檢測細(xì)微顆粒，如煙草顆粒和細(xì)粉塵。粒子濃度由輸出脈沖的高度決定[2]。

表1 粉塵傳感器對比表

3.2.2 VOC-S傳感器的選定

CCS811是一個(gè)低功耗微型氣體數(shù)字傳感器，主要用于空氣質(zhì)量的監(jiān)測。CCS811可用于檢測乙醇（酒精）和危險(xiǎn)氣體，例如一氧化碳（CO）和各種各樣的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC）。這種獨(dú)一無二的技術(shù)通過非常快速的測量周期和測量時(shí)間，顯著地降低了功耗。

3.3 控制模塊硬件的選定

51單片機(jī)是對所有兼容Intel8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱，這一系列的單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)。51單片機(jī)是8bit系列的單片機(jī)，具有操作簡單，應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。其中STC89C52這款型號是51單片機(jī)最為常用的型號之一。STC89C52RC的命令碼與傳統(tǒng)的8031單片機(jī)完全兼容，所以在開發(fā)上比較容易上手，STC89C52RC還具有運(yùn)算速度快、極高的可靠性，而且能耗低的優(yōu)點(diǎn)。STC89C52單片機(jī)引腳圖如圖2所示。

圖2 STC89C52RC引腳圖

3.4 清潔模塊硬件的選定

3.4.1 進(jìn)風(fēng)管道清潔模塊

采用粉塵清潔器噴灑液體溶劑進(jìn)行清潔。用粉塵清潔器將噴霧式液體清洗劑從汽車外面的進(jìn)風(fēng)口處噴入車內(nèi)，由于該類清洗劑呈霧狀，重量輕，可以隨著氣流到達(dá)空調(diào)管道的各個(gè)地方。

3.4.2 蒸發(fā)器清潔模塊

蒸發(fā)器清潔模塊主要是采用紫外線燈來進(jìn)行清潔。選用紫外線進(jìn)行蒸發(fā)器的清潔主要因?yàn)閭鹘y(tǒng)的消毒技術(shù)如采用氯化物、臭氧等，本身就是劇毒、易燃的物質(zhì)，而紫外線消毒不存在這樣的安全隱患。經(jīng)過前面對于有害物質(zhì)的分析，了解到蒸發(fā)器的污染物主要是各種細(xì)菌及真菌等微生物，而紫外線能有效針對這些有害物質(zhì)進(jìn)行消毒、殺菌，所以選擇紫外線燈對蒸發(fā)器進(jìn)行清潔。紫外線殺菌消毒是利用適當(dāng)波長的紫外線能夠破壞微生物機(jī)體細(xì)胞中的DNA（脫氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）的分子結(jié)構(gòu)，造成生長性細(xì)胞死亡和（或）再生性細(xì)胞死亡，達(dá)到殺菌消毒的效果。紫外線消毒技術(shù)是基于現(xiàn)代防疫學(xué)、醫(yī)學(xué)和光動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，利用特殊設(shè)計(jì)的高效率、高強(qiáng)度和長壽命的UVC波段紫外光照射流水，將水里的各種細(xì)菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其他病原體直接殺死[3]。

3.4.3 暖風(fēng)水箱清潔模塊

由前面有害物質(zhì)分析及目前對于汽車空調(diào)的清洗方法，發(fā)現(xiàn)暖風(fēng)水箱的有害物質(zhì)也是各種細(xì)菌。因?yàn)槠嚳照{(diào)是個(gè)密閉的空間，用臭氧可以對清潔劑清潔不到的地方進(jìn)行消毒，因此選擇臭氧發(fā)生器作為定期對暖風(fēng)水箱清潔的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因?yàn)槌粞踉诳諝庵械谋壤^0.1 ppm是有毒的，低濃度的臭氧可以用來消毒。超標(biāo)的臭氧則是個(gè)無形殺手，危害人們的健康，刺激粘液膜，對人體有毒，長時(shí)間在濃度超過0.1 ppm臭氧的空氣中呼吸是不安全的[4]。所以此消毒方式在系統(tǒng)中只用作定期消毒，不可用作實(shí)時(shí)消毒。通過定時(shí)器來控制臭氧發(fā)生器每月1號凌晨兩點(diǎn)對暖風(fēng)水箱進(jìn)行清潔。如果此時(shí)汽車已經(jīng)啟動(dòng)，則推遲一天進(jìn)行清潔。如果此時(shí)正在進(jìn)行臭氧消毒，而車主有用車的需求，則自動(dòng)終止本次清潔。

4 汽車空調(diào)自清潔系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及測試

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括兩部分，一部分是通過各種傳感器對進(jìn)風(fēng)管道內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測，另一部分是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行清洗。如果空氣質(zhì)量良好，該系統(tǒng)不會進(jìn)行任何清潔功能。當(dāng)傳感器檢測到粉塵和有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)清潔功能。所以，在此處需要準(zhǔn)確處理傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，這也是軟件設(shè)計(jì)所需要完成的內(nèi)容。

系統(tǒng)在通電后，首先會進(jìn)行初始化，然后由粉塵傳感器和VOC-S傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，流程如圖3所示。它會將檢測到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的濃度值進(jìn)行對比，如果檢測到的數(shù)值比預(yù)設(shè)濃度低，則說明此時(shí)汽車空調(diào)不需要進(jìn)行清潔功能，反之，如果檢測到的數(shù)值比預(yù)設(shè)濃度高，則汽車空調(diào)應(yīng)作出相應(yīng)的清潔功能。設(shè)計(jì)的汽車空調(diào)自清潔系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖3 測試流程圖

圖4 實(shí)物總裝圖

5 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的汽車空調(diào)自清潔系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)作為主控單元，粉塵傳感器和VOC-S傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊，紫外線燈、臭氧發(fā)生器、粉塵清潔劑對汽車空調(diào)進(jìn)行及時(shí)清潔。它可以實(shí)現(xiàn)對汽車空調(diào)的污染物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，并將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，通過單片機(jī)對數(shù)據(jù)加以分析處理后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對汽車空調(diào)進(jìn)行清潔，減少空調(diào)內(nèi)污染物的數(shù)量，提升用戶的用車品質(zhì)，具有一定的實(shí)用性。

本設(shè)計(jì)在基于汽車空調(diào)自清潔系統(tǒng)的開發(fā)過程中，由于時(shí)間、硬件以及自身經(jīng)驗(yàn)不足等因素，所設(shè)計(jì)的模型只能最大限度的還原該系統(tǒng)，還存在一些不足之處，需要進(jìn)行更深入的研究。