汽車空調自清潔系統(tǒng)設計

侯璐婧，劉玉振，劉清東

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引言

汽車空調主要是制冷、制熱、換氣等功能，而當汽車開啟外循環(huán)模式時，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循環(huán)風口進入的汽車尾氣（比如丁烷、甲苯、甲醛）和肉眼看不見的細小微粒（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。微粒進入車內(nèi)，不僅可能在空調系統(tǒng)內(nèi)發(fā)霉并繁殖細菌，使空調系統(tǒng)工作時散發(fā)出異味，而且在人們吸入塵埃、細菌、花粉和動物毛屑后，會引發(fā)噴嚏、咳嗽、鼻炎等。車內(nèi)惡劣的空氣質量已經(jīng)成為危及駕駛員和乘客身體健康的“隱形炸彈”[1]。

目前，汽車空調的清潔主要依靠人工使用清潔劑進行清潔，所以針對這一問題設計了一種汽車空調自清潔系統(tǒng)。

1 汽車空調系統(tǒng)有害物質分析

1.1 空調濾芯有害物質

空調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，因此空氣濾芯上會有大量灰塵，特別是有些汽車的空調濾芯安裝到駕駛室內(nèi)的隱藏角落里，這特殊的環(huán)境還會使得空調濾芯上面滋生細菌和真菌，嚴重的會出現(xiàn)異味發(fā)霉的情況，嚴重影響駕乘人員的健康。

1.2 空調管道有害物質

因空調管道其特殊的形狀造型，使得因空調濾芯過濾效果差，使進入的灰塵無法排除并通過空調出風口進入管道，造成管道內(nèi)存儲大量粉塵顆粒物。同時管道內(nèi)的粉塵長時間積累，造成新的細菌和真菌的滋生，并通過風流擴散到其他空調系統(tǒng)部件，造成有害物質進一步的擴散。

1.3 蒸發(fā)器有害物質

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，極易滋生細菌，且蒸發(fā)器一般采用管帶式和管片式的結構，還會造成細菌不容易進行清理，或者清理不徹底等問題。且汽車空調中最常見的氣味來自蒸發(fā)器葉片上的細菌群落，通過對細菌進行培養(yǎng)試驗后，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 暖風水箱的有害物質

暖風水箱主要是將發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的熱量傳遞到駕駛室內(nèi)，在氣溫低時，以供汽車內(nèi)人員進行取暖，其結構類型與蒸發(fā)器一致，其雖不處于潮濕的環(huán)境，但因結構的特殊性，進入暖風箱的有害物質不能簡單進行清潔，造成內(nèi)部沉積大量的灰塵及細菌。

2 汽車空調自清潔系統(tǒng)設計方案提出

汽車空調自清潔系統(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，清潔模塊又分為了進風管道清潔模塊、蒸發(fā)器清潔模塊、暖風水箱清潔模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是對進風管道的粉塵濃度和有害氣體濃度進行監(jiān)測，以便單片機判斷何時進行控制。控制模塊是通過對單片機燒錄程序進而實現(xiàn)對清潔模塊的控制。清潔模塊的功能是對進風管道、蒸發(fā)器、暖風水箱進行清潔。

圖1 總體設計方案框圖

數(shù)據(jù)采集模塊檢測進風管道粉塵及有害氣體濃度是否超標，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)進行分析，并控制清潔模塊工作，從而達到對汽車空調進行自動清潔的效果。

3 汽車空調自清潔系統(tǒng)硬件的選型

3.1 硬件總體方案設計

汽車空調自清潔系統(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)測模塊來對空調通風管道的粉塵污染程度進行監(jiān)測；通過VOC-S傳感器對汽車空調的有害氣體濃度進行監(jiān)測；通過單片機來控制何時清潔，做到精準、高效；通過進風管道清潔模塊和蒸發(fā)器清潔模塊來進行清潔功能。通過這幾個模塊的相互配合，最終實現(xiàn)對汽車空調的清潔。

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，因為GP2Y-1010AU0F傳感器在滿足設計要求的前提下，具有體積小、易安裝、價格低等優(yōu)點，所以，選擇了此傳感器。GP2Y1010AU0F是日本夏普公司開發(fā)的光學粉塵濃度傳感器。該傳感器的內(nèi)部是一個紅外發(fā)光管和一個分布在對腳上的光電晶體管，利用光敏原理工作。用于檢測細微顆粒，如煙草顆粒和細粉塵。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是一個低功耗微型氣體數(shù)字傳感器，主要用于空氣質量的監(jiān)測。CCS811可用于檢測乙醇（酒精）和危險氣體，例如一氧化碳（CO）和各種各樣的揮發(fā)性有機化合物(VOC）。這種獨一無二的技術通過非常快速的測量周期和測量時間，顯著地降低了功耗。

3.3 控制模塊硬件的選定

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

圖2 STC89C52RC引腳圖

3.4 清潔模塊硬件的選定

3.4.1 進風管道清潔模塊

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

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行清潔。選用紫外線進行蒸發(fā)器的清潔主要因為傳統(tǒng)的消毒技術如采用氯化物、臭氧等，本身就是劇毒、易燃的物質，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的分析，了解到蒸發(fā)器的污染物主要是各種細菌及真菌等微生物，而紫外線能有效針對這些有害物質進行消毒、殺菌，所以選擇紫外線燈對蒸發(fā)器進行清潔。紫外線殺菌消毒是利用適當波長的紫外線能夠破壞微生物機體細胞中的DNA（脫氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）的分子結構，造成生長性細胞死亡和（或）再生性細胞死亡，達到殺菌消毒的效果。紫外線消毒技術是基于現(xiàn)代防疫學、醫(yī)學和光動力學的基礎上，利用特殊設計的高效率、高強度和長壽命的UVC波段紫外光照射流水，將水里的各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其他病原體直接殺死[3]。

3.4.3 暖風水箱清潔模塊

由前面有害物質分析及目前對于汽車空調的清洗方法，發(fā)現(xiàn)暖風水箱的有害物質也是各種細菌。因為汽車空調是個密閉的空間，用臭氧可以對清潔劑清潔不到的地方進行消毒，因此選擇臭氧發(fā)生器作為定期對暖風水箱清潔的執(zhí)行機構。因為臭氧在空氣中的比例超過0.1 ppm是有毒的，低濃度的臭氧可以用來消毒。超標的臭氧則是個無形殺手，危害人們的健康，刺激粘液膜，對人體有毒，長時間在濃度超過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，不可用作實時消毒。通過定時器來控制臭氧發(fā)生器每月1號凌晨兩點對暖風水箱進行清潔。如果此時汽車已經(jīng)啟動，則推遲一天進行清潔。如果此時正在進行臭氧消毒，而車主有用車的需求，則自動終止本次清潔。

4 汽車空調自清潔系統(tǒng)軟件設計及測試

系統(tǒng)軟件的設計主要包括兩部分，一部分是通過各種傳感器對進風管道內(nèi)空氣質量的監(jiān)測，另一部分是控制執(zhí)行機構進行清洗。如果空氣質量良好，該系統(tǒng)不會進行任何清潔功能。當傳感器檢測到粉塵和有害氣體濃度超標時，將數(shù)據(jù)傳給單片機，單片機控制執(zhí)行機構實現(xiàn)清潔功能。所以，在此處需要準確處理傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制，這也是軟件設計所需要完成的內(nèi)容。

系統(tǒng)在通電后，首先會進行初始化，然后由粉塵傳感器和VOC-S傳感器進行實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳給單片機，流程如圖3所示。它會將檢測到的數(shù)據(jù)與預設的濃度值進行對比，如果檢測到的數(shù)值比預設濃度低，則說明此時汽車空調不需要進行清潔功能，反之，如果檢測到的數(shù)值比預設濃度高，則汽車空調應作出相應的清潔功能。設計的汽車空調自清潔系統(tǒng)實物如圖4所示。

圖3 測試流程圖

圖4 實物總裝圖

5 結語

所設計的汽車空調自清潔系統(tǒng)以STC89C52RC單片機作為主控單元，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進行及時清潔。它可以實現(xiàn)對汽車空調的污染物濃度進行實時的監(jiān)測，并將相關數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，通過單片機對數(shù)據(jù)加以分析處理后控制執(zhí)行機構對汽車空調進行清潔，減少空調內(nèi)污染物的數(shù)量，提升用戶的用車品質，具有一定的實用性。

本設計在基于汽車空調自清潔系統(tǒng)的開發(fā)過程中，由于時間、硬件以及自身經(jīng)驗不足等因素，所設計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，需要進行更深入的研究。