基于STM32空氣取水裝置的設計

姚佳男，王星天，王斌斌，牛俊奎

（1.水利部牧區水利科學研究所，呼和浩特010020；2.內蒙古自治區計量測試研究院，呼和浩特010010）

水是自然環境中最豐富的資源，地球的總儲水量約為1.386×1018 m3[1]，但國內外淡水資源的空間分布極為不均，可直接使用的淡水資源非常有限。空氣是淡水資源存在的重要場所之一，根據估算大氣中的水蒸氣含量可達地表淡水總量的10 倍以上[2]。通過某些特定技術可以將空氣中水分捕獲，其不受地域限制，可廣泛運用于海島、沙漠等各種地區，也可運用在野外、作戰等各種場合，具有極強的適用性，因此成為國內外廣泛研究的熱點。

目前常用的空氣取水技術有空氣冷凝結露法[3]、吸附解吸附方法[4-5]、水霧取水法[6-8]等。相比而言，空氣冷凝結露取水法最為簡單高效，環境要求較低，同時具有較強的取水能力，多用于需水量較大地區，但其在冷凝過程中需消耗巨大的能量。為此，設計了一種新型空氣取水裝置，利用壓縮機制冷作為冷源，與空氣間接換熱，以STM32 作為控制核心，根據需水量設定，系統自動調節風速和水冷箱溫度，進而降低空氣冷凝過程的能量耗費，提高工作效率。

1 空氣取水裝置工作原理

空氣取水裝置采用制冷結露法，將濕空氣的溫度降至露點以下，使空氣中的水蒸汽結露而獲得液態水。通過水冷箱與空氣間接換熱，將空氣從初始狀態降溫到露點溫度以下，空氣中的水在達到飽和狀態后進一步冷卻，使得空氣中多余的水分在冷卻壁面上不斷析出，從而獲得冷凝水，通過收集就可以達到取水的目的。

2 裝置的設計

空氣取水裝置主要包括數據采集單元、控制單元、制冷單元和顯示單元。數據采集單元主要實現相關數據的采集和處理，包括溫度、濕度、風速等；控制單元的主要功能是對裝置中壓縮機和風機進行自動控制；制冷單元通過壓縮機運行制冷，將水冷箱溫度降至露點以下；顯示單元可實現數據參數的實時顯示、異常數據報警，以及通過觸摸屏對裝置進行操作等功能。空氣取水裝置機械結構如圖1所示。

圖1 空氣取水裝置機械結構Fig.1 Mechanical structure of air water intake device

2.1 數據采集單元

數據采集單元包括4 個傳感器：1 個溫度傳感器、2 個溫濕度傳感器、1 個風速傳感器。其中，在水冷箱內部布置溫度傳感器，進風口和出風口分別布置1 個溫濕度傳感器，在進風口處布置風速傳感器。此外，該系統還配置有1 個具有讀數功能的電子天平，用以計量單位時間內的出水量。

2.2 制冷單元

制冷單元是空氣取水裝置的重要組成部分，而其制冷效果直接影響著取水量的多少。由圖1 可見，空氣通過進風口進入冷凝通道與低溫的水冷箱底部進行換熱。當空氣溫度降至露點溫度以下，水蒸氣經不斷凝結團聚后形成液態小水滴，再從具有斜度的水冷箱底部流下并收集，進而從出水口流出得以利用。降溫后的空氣通過排風口排出，完成一次換熱循環。

2.3 控制單元

空氣取水裝置控制單元，以意法半導體（ST）公司的STM32F407 系列單片機作為控制核心。控制系統框架如圖2所示，主要由溫濕度傳感器、風速傳感器、壓縮機、風機以及HMI 觸控屏等裝置組成。具體采用基于Cortex-M3 內核的STM32F407ZGT9 微控制器，完成控制單元核心處理器的設計，通過合理的硬件電路模塊設計及軟件設計，使裝置達到最優的取水參數指標。

圖2 控制系統總體框架Fig.2 Control system framework

該控制單元具有高可靠性、小型化、低成本等特點。控制器通過放大電路輸出控制變頻器以便控制風機和壓縮機，并且可以接收傳感器所采集的數據。HMI 觸摸屏具有數據顯示以及參數設置等功能。

控制系統通過溫濕度數據的實時采集，保證水冷箱溫度始終在露點以下，在保證裝置制水效率的同時，對壓縮機和風機進行合理控制，從而減少不必要的工作時間，提高效率，降低電量損耗。其控制流程如圖3所示。通過溫濕度數據實時采集，對壓縮機和風機進行控制，保證水冷箱維持在恒定溫度范圍，通過修正參數來消除響應時間誤差、信號誤差等，實現低功耗和高效率。

圖3 控制流程Fig.3 Control flow chart

2.4 顯示單元

顯示單元對系統所采集的數據和系統運行狀態進行實時顯示。通過主界面對空氣取水裝置的系統運行狀態進行實時監控。將所采集的數據進行實時展示和存儲，也可調用歷史數據以曲線、表格等形式展示出來。

系統通過HMI 觸摸屏將采集回來的數據實時顯示，參數設定界面可以對單位時間制水量進行設定，也可對風速、溫濕度等參數設置上下限值，系統具有報警功能。顯示單元結構如圖4所示。

圖4 顯示單元結構Fig.4 Display unit structure

3 試驗驗證

由于空氣受環境影響較大，為了減小環境溫、濕度對試驗結果的影響，將裝置放入恒溫恒濕試驗箱中進行6 h 持續收集試驗。欲得到更好的換熱效果，恒溫恒濕試驗箱設置空氣溫度為30 ℃，相對濕度為70%。裝置內傳感器持續記錄進出口溫濕度、水冷箱溫度、風速，并持續計算進出口空氣中含濕量差值Δd，同時對出水口收集的冷凝水進行稱重記錄。主要試驗參數見表1。

表1 空氣取水試驗主要參數Tab.1 Main parameters of water extraction from air

試驗過程中分別使用4 個傳感器對進風口空氣、出風口空氣、進風口風速、水冷箱溫度進行實時監測。整個試驗過程中，進出口空氣中含濕量差值Δd 變化情況如圖5所示。

圖5 裝置試驗結果Fig.5 Device test results

結果表明，空氣取水裝置整體效果比較理想。試驗從系統將水冷箱溫度降至露點開始計算，初始階段的含水量差值Δd 變化較大，主要是由于初始階段Δd 隨水冷箱溫度和風速調控變化較大；中間階段Δd 波動逐漸減小，是由于隨著溫度的降低，水冷箱溫度和風速對Δd 影響逐漸降低；最后階段系統通過設定的制水量，調節水冷箱和風速至最優工況下工作，降低系統功耗。

4 結語

所設計的空氣取水裝置以STM32 微控制器為核心，利用壓縮機制冷作為冷源，通過調節風速和水冷箱溫度，在保證制水量的同時，使之在最優工況下工作，減少了電能損耗，提高了制水效率。通過搭建試驗臺，進行相關的試驗驗證，試驗結果理想，取水效果良好，從而印證了該裝置設計的可行性，對空氣取水裝置的研究具有重要意義。