汽车空调自清洁系统设计

侯璐婧，刘玉振，刘清东

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

0 引言

汽车空调主要是制冷、制热、换气等功能，而当汽车开启外循环模式时，外面的空气会被汽车通过加热、制冷吸入车内。据了解，车内的空气污染物主要来自由空调循环风口进入的汽车尾气（比如丁烷、甲苯、甲醛）和肉眼看不见的细小微粒（如灰尘、粉尘）、汽车内部装潢材料的挥发物、香烟燃烧的废气等。空气中的细小微粒同样会给人们的健康带来危害，据美国肺科协会对悬浮颗粒于人体健康的研究报告中指出，空气中的悬浮微粒会减少人体1至3年寿命。微粒进入车内，不仅可能在空调系统内发霉并繁殖细菌，使空调系统工作时散发出异味，而且在人们吸入尘埃、细菌、花粉和动物毛屑后，会引发喷嚏、咳嗽、鼻炎等。车内恶劣的空气质量已经成为危及驾驶员和乘客身体健康的“隐形炸弹”[1]。

目前，汽车空调的清洁主要依靠人工使用清洁剂进行清洁，所以针对这一问题设计了一种汽车空调自清洁系统。

1 汽车空调系统有害物质分析

1.1 空调滤芯有害物质

空调滤芯是接触外界空气的第一道屏障，空气中含有大量的杂质，因此空气滤芯上会有大量灰尘，特别是有些汽车的空调滤芯安装到驾驶室内的隐藏角落里，这特殊的环境还会使得空调滤芯上面滋生细菌和真菌，严重的会出现异味发霉的情况，严重影响驾乘人员的健康。

1.2 空调管道有害物质

因空调管道其特殊的形状造型，使得因空调滤芯过滤效果差，使进入的灰尘无法排除并通过空调出风口进入管道，造成管道内存储大量粉尘颗粒物。同时管道内的粉尘长时间积累，造成新的细菌和真菌的滋生，并通过风流扩散到其他空调系统部件，造成有害物质进一步的扩散。

1.3 蒸发器有害物质

蒸发器是制冷剂由液体蒸发至气体的过程，所以长期处于潮湿的环境，极易滋生细菌，且蒸发器一般采用管带式和管片式的结构，还会造成细菌不容易进行清理，或者清理不彻底等问题。且汽车空调中最常见的气味来自蒸发器叶片上的细菌群落，通过对细菌进行培养试验后，发现了金黄色葡萄球菌、霉菌、大肠杆菌等10多种致病菌。

1.4 暖风水箱的有害物质

暖风水箱主要是将发动机冷却系统的热量传递到驾驶室内，在气温低时，以供汽车内人员进行取暖，其结构类型与蒸发器一致，其虽不处于潮湿的环境，但因结构的特殊性，进入暖风箱的有害物质不能简单进行清洁，造成内部沉积大量的灰尘及细菌。

2 汽车空调自清洁系统设计方案提出

汽车空调自清洁系统由数据采集模块、控制模块、清洁模块三部分组成，其控制图如图1所示。数据采集模块由粉尘传感器和VOC-S传感器组成，控制模块是STC89C52单片机，清洁模块又分为了进风管道清洁模块、蒸发器清洁模块、暖风水箱清洁模块。数据采集模块的功能是对进风管道的粉尘浓度和有害气体浓度进行监测，以便单片机判断何时进行控制。控制模块是通过对单片机烧录程序进而实现对清洁模块的控制。清洁模块的功能是对进风管道、蒸发器、暖风水箱进行清洁。

图1 总体设计方案框图

数据采集模块检测进风管道粉尘及有害气体浓度是否超标，然后把检测数据传递给控制模块；控制模块对传来的数据进行分析，并控制清洁模块工作，从而达到对汽车空调进行自动清洁的效果。

3 汽车空调自清洁系统硬件的选型

3.1 硬件总体方案设计

汽车空调自清洁系统的硬件系统主要包括粉尘传感器监测模块、VOC-S传感器监测模块、控制模块、清洁模块等。通过粉尘传感器监测模块来对空调通风管道的粉尘污染程度进行监测；通过VOC-S传感器对汽车空调的有害气体浓度进行监测；通过单片机来控制何时清洁，做到精准、高效；通过进风管道清洁模块和蒸发器清洁模块来进行清洁功能。通过这几个模块的相互配合，最终实现对汽车空调的清洁。

3.2 数据采集功能硬件选定

3.2.1 粉尘传感器的选定

综合表1所列多种传感器的对比，因为GP2Y-1010AU0F传感器在满足设计要求的前提下，具有体积小、易安装、价格低等优点，所以，选择了此传感器。GP2Y1010AU0F是日本夏普公司开发的光学粉尘浓度传感器。该传感器的内部是一个红外发光管和一个分布在对脚上的光电晶体管，利用光敏原理工作。用于检测细微颗粒，如烟草颗粒和细粉尘。粒子浓度由输出脉冲的高度决定[2]。

表1 粉尘传感器对比表

3.2.2 VOC-S传感器的选定

CCS811是一个低功耗微型气体数字传感器，主要用于空气质量的监测。CCS811可用于检测乙醇（酒精）和危险气体，例如一氧化碳（CO）和各种各样的挥发性有机化合物(VOC）。这种独一无二的技术通过非常快速的测量周期和测量时间，显著地降低了功耗。

3.3 控制模块硬件的选定

51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称，这一系列的单片机的始祖是Intel的8031单片机。51单片机是8bit系列的单片机，具有操作简单，应用广泛等特点。其中STC89C52这款型号是51单片机最为常用的型号之一。STC89C52RC的命令码与传统的8031单片机完全兼容，所以在开发上比较容易上手，STC89C52RC还具有运算速度快、极高的可靠性，而且能耗低的优点。STC89C52单片机引脚图如图2所示。

图2 STC89C52RC引脚图

3.4 清洁模块硬件的选定

3.4.1 进风管道清洁模块

采用粉尘清洁器喷洒液体溶剂进行清洁。用粉尘清洁器将喷雾式液体清洗剂从汽车外面的进风口处喷入车内，由于该类清洗剂呈雾状，重量轻，可以随着气流到达空调管道的各个地方。

3.4.2 蒸发器清洁模块

蒸发器清洁模块主要是采用紫外线灯来进行清洁。选用紫外线进行蒸发器的清洁主要因为传统的消毒技术如采用氯化物、臭氧等，本身就是剧毒、易燃的物质，而紫外线消毒不存在这样的安全隐患。经过前面对于有害物质的分析，了解到蒸发器的污染物主要是各种细菌及真菌等微生物，而紫外线能有效针对这些有害物质进行消毒、杀菌，所以选择紫外线灯对蒸发器进行清洁。紫外线杀菌消毒是利用适当波长的紫外线能够破坏微生物机体细胞中的DNA（脱氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）的分子结构，造成生长性细胞死亡和（或）再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。紫外线消毒技术是基于现代防疫学、医学和光动力学的基础上，利用特殊设计的高效率、高强度和长寿命的UVC波段紫外光照射流水，将水里的各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体直接杀死[3]。

3.4.3 暖风水箱清洁模块

由前面有害物质分析及目前对于汽车空调的清洗方法，发现暖风水箱的有害物质也是各种细菌。因为汽车空调是个密闭的空间，用臭氧可以对清洁剂清洁不到的地方进行消毒，因此选择臭氧发生器作为定期对暖风水箱清洁的执行机构。因为臭氧在空气中的比例超过0.1 ppm是有毒的，低浓度的臭氧可以用来消毒。超标的臭氧则是个无形杀手，危害人们的健康，刺激粘液膜，对人体有毒，长时间在浓度超过0.1 ppm臭氧的空气中呼吸是不安全的[4]。所以此消毒方式在系统中只用作定期消毒，不可用作实时消毒。通过定时器来控制臭氧发生器每月1号凌晨两点对暖风水箱进行清洁。如果此时汽车已经启动，则推迟一天进行清洁。如果此时正在进行臭氧消毒，而车主有用车的需求，则自动终止本次清洁。

4 汽车空调自清洁系统软件设计及测试

系统软件的设计主要包括两部分，一部分是通过各种传感器对进风管道内空气质量的监测，另一部分是控制执行机构进行清洗。如果空气质量良好，该系统不会进行任何清洁功能。当传感器检测到粉尘和有害气体浓度超标时，将数据传给单片机，单片机控制执行机构实现清洁功能。所以，在此处需要准确处理传感器传来的数据，并实现对执行机构的控制，这也是软件设计所需要完成的内容。

系统在通电后，首先会进行初始化，然后由粉尘传感器和VOC-S传感器进行实时的数据监测，监测数据传给单片机，流程如图3所示。它会将检测到的数据与预设的浓度值进行对比，如果检测到的数值比预设浓度低，则说明此时汽车空调不需要进行清洁功能，反之，如果检测到的数值比预设浓度高，则汽车空调应作出相应的清洁功能。设计的汽车空调自清洁系统实物如图4所示。

图3 测试流程图

图4 实物总装图

5 结语

所设计的汽车空调自清洁系统以STC89C52RC单片机作为主控单元，粉尘传感器和VOC-S传感器作为数据采集模块，紫外线灯、臭氧发生器、粉尘清洁剂对汽车空调进行及时清洁。它可以实现对汽车空调的污染物浓度进行实时的监测，并将相关数据显示在显示屏上，通过单片机对数据加以分析处理后控制执行机构对汽车空调进行清洁，减少空调内污染物的数量，提升用户的用车品质，具有一定的实用性。

本设计在基于汽车空调自清洁系统的开发过程中，由于时间、硬件以及自身经验不足等因素，所设计的模型只能最大限度的还原该系统，还存在一些不足之处，需要进行更深入的研究。