空调清洁及加湿节能装置说明书

第十二届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛作品说明书作品名称： 空调清洁及加湿节能装置学校全称： 广东技术师范学院申报者姓名（集体名称）：绿色特供队目录一、设计目的和背景2二、工作原理22.1基本思路22.2工作流程3三、设计方案43.1控制电路43.2主要元件及电路连接图53.3功能模块设计9四、技术关键和技术指标114.1技术关键114.2主要技术指标114.3能耗指标11五、功能特点125.1功能介绍125.2 特点12六、创新点12七、可行性分析127.1安全性127.2先进性137.3作品优势137.4适用范围137.5推广前景137.6经济效益预测14八、成本预算14九、参考文献14空调清洁及加湿节能装置设计说明书摘要：本空调清洁及加湿节能装置基于单片机控制原理，在原有的普通空调基础 上，采用回收利用冷凝水的巧妙设计，实现了室内相对湿度平衡、方便清洗过滤 网以及可提高室外机散热效率的功能。既满足了本身的制冷要求，同时达到了健 康方便、环保节能的设计目的，真正实现了空调的健康升级、绿色环保。关键词：空调加湿冷却清洁健康绿色节能一、设计目的和背景目前，我国空调普及程度已经相当高，但存在着制冷过程中室内空气干燥、 过滤网灰尘多且难清洗以及空调室外机的散热效率较低的问题。而另一方面，空 调制冷产生的冷凝水不但无法得到合理利用，而且冷凝水的随意排放会损害楼下 住户、行人的权益和建筑物的观瞻。据了解，随着人们生活水平的提高和对健康 理念的追求，人们对空气质量要求越来越高。而存在着以上诸多问题的空调已无 法满足人们日益增长的需求。一台能够保证室内相对湿度平衡、方便清洗过滤网 以及可降低室外机功耗的空调已成为人们的迫切需求。为了解决上述问题，我们立足于绿色环保、健康节能的创新理念，我们团队 开始进行分体空调自清洁及加湿节能装置的研究。在长期研究的基础上，我 们团队取得了一定的成果，并申请了国家实用型专利。本作品结构简单，性能可靠，具有可调性、适用性以及实用性等特点。不仅 可以实现室内湿度平衡而且通过对空调冷凝水的回收利用达到了绿色环保的设 计理念，同时也符合了人们的健康需求。二、工作原理2.1基本思路本作品利用空调中排出的冷凝水清洗依附在过滤网及蒸发器散热片上的灰 尘和细菌；采用超声波雾化模块加湿空气，并通过湿度反馈电路控制使室内空气 湿度达到相对平衡；利用水循环来冷却室外机和合理处理冷凝水的排放。2.2工作流程JU空调冷凝管丿水箱1加湿AF黑色线条 为输水管过 滤 h网中空纤维 超滤膜图2-1控制原理喷淋管清洗 水泵冷却水泵H水箱2超声波雾化模块室 外 部 分冷却：室内机产生的冷凝水经空调冷凝管导入水箱1,水逐渐上升，当水 达到A水位，A处水位监测器被触发，信号输入到控制器，冷却水泵开始工作， 流经室外机的外加冷却管，进而顺着水管流回水箱1。启动加湿水泵：当雾化水箱水低于D水位时，D处水位监测器被触发，信 号输入到控制器，加湿水泵开始抽水；当水到E水位时，加湿水泵停止供水。雾化：当湿度传感器检测到室内湿度低于控制器的设定值，控制器开启超 声波雾化模块，直到室内湿度达到设定值，进而达到一个湿度平衡，让室内湿度 符合人的健康需求。清洗：当水箱1的水达到B水位时，B处水位监测器被触发，信号输入到 控制器，可以自动或手动开启清洗水泵。冷凝水在其中作用下开始清洗过滤网， 直到水箱1水到达A水位则停止清洗；清洗后的水经集水槽流入水箱2。排水：当水箱1的水到达C水位时，溢出的水由导管来冲洗集水槽，再从 G处流向水箱2。蒸发：水箱2的左区用于静置沉淀集水槽排进来的水，右区用于蒸发从左 区经H处流过的水，I处水位监测控制蒸发器开关。三、设计方案3.1控制电路图3-1控制电路电路分析：由STC12C56单片机作为该装置控制芯片，实现装置的全局控制；水箱1、水箱2、雾化水箱的水位传感器反映当前的水位情况，及时反馈 给单片机进行处理；使用DS1302时钟芯片，可对该装置清洗模块实现定时自动清洗功能，也 可实现手动控制；通过湿度传感器的反馈调节，控制超声波雾化模块产生水雾，使室内达到 湿度平衡；通过LCD显示及按键的操作，可实现人机交换控制，更人性化的满足人们 的需求。3.2主要元件及连接电路图3.2.1 STC12C56AD 单片机：STC12C56AD系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高 速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051， 但速度快8-12倍。内部集成MAX8 0专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。STC12C56AD系列单片机的内部结构框图如下图所示。STC12C56AD单片机中 包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、 UART串口、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡 器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C56AD系列单片机几乎包含了数据采集和 控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统，以下是STC12C56AD系列单 片机内部结构框图：PI.0-PL7图3-2 STC12C56AD单片机内部结构框图3.2.2 DHT11数字温湿度传感器：DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传 感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的 可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温 兀件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、 抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校 验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检 测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简 易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各 类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则，以下是DHT11温湿度传感器的主 要参数：参数条件MinTypMax单位湿度分辨率111%RH8Bit重复性1%RH精度25 C4%RHo 50C5%RH互换性可完全互换量程范围0C3090%RH25 C2090%RH50 C2080%RH响应时间l/e(63%)25C, lm/s空气61015S迟滞1%RH长期稳定性典型值1%RH/yr3.2.3 DS1302时钟芯片:DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片, 附加31字节静态RAM,采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突 发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、 日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。 工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部引脚 分配如图1所示及内部结构如图2所示。DS1302用于数据记录，特别是对某些 具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因 此广泛应用于测量系统中。以下是DS1302时钟芯片的内部结构图：P0图3-3 DS1302时钟芯片内部结构框图3.2.4 LCD12232液晶显示模块：(1) 液晶驱动IC基本特性 具有低功耗、供应电压范围宽等特点。 具有16common和61segment输出，并可外接驱动IC扩展驱动。 具有2560位显示RAM (DD RAM)，即80X8X4位 具有与68系列或80系列相适配的MPU接口功(2) 模块基本特性 视域尺寸：60.5 X 18.0mm (12232-1/-2) ,54.8 X 18.3mm (12232-3) 显示类型：黄底黑字 LCD显示角度：6点钟直观 驱动方式：1/32 duty， 1/6 bias 连接方式：导电胶条，铁框(3) 工作参数 逻辑工作电压(VDD-VSS)： 2.46.0V LCD 驱动电压(Vdd-Vlcd)： 3.013.5V 工作温度(Ta)： 055C(常温)/ -2070C(宽温) 保存温度(Tstg)： -1070C(4)电气特性(测试条件Ta=25,Vdd=5.0土 0.25V) 输入高电平(Vih)： 3.5Vmin 输入低电平(Vil)： 0.55Vmax 输出高电平(Voh)： 3.75Vmin 输出低电平(Vol)： l.OVmax 工作电流：2.0mAmax325元件连接电路图戶1r- 9什 Li ri ei 戶戶 i328-OVTki rlDOV-.dd EDOV-.Td toovd lrlDav?lrld 93ov-yld LDOVE-d 口h醫073 173U3A曽IrlmQ3 s a占应PZd OLPEd -INDbsd OLNK,&d mix ITVIX OZI/IEd axsusd 一醫 sM 口 V 二 m-UyHHKEPH”,OST00TUOTyT3-4电路连接图3.3功能模块设计3.3.1超声波加湿模块图3-5超声波雾化器超声波加湿模块由加湿水泵、雾化水箱、中空纤维超滤膜、超声波雾化器、 雾化水箱及水位监测器组成。水位低于预定值A时，相应水位监测器被触发， 信号输入到控制器，加湿水泵开始抽水，超声波雾化器开启，对室内湿度进行控 制，让室内湿度符合人的健康需求。；当水位到预定值B时，加湿水泵停止供水， 超声波雾化器停止工作。（B水位高于A水位）3.3.2过滤网清洗模块过滤网清洗模块由清洗水泵、喷淋管、水箱A、水位监测器组成，用户可以 根据需要选择自动或手动启动该功能。当水位高于预定值C时，相应水位监测 器被触发，若选择启动功能，则信号输入到控制器，清洗水泵抽水至喷淋管，并 对过滤网进行喷淋清洗。直到水箱A水位到达D点则停止清洗；清洗后的水经 集水槽流入水箱B。（C水位高于D水位）图3-6喷淋管3.3.3室外机冷却模块室内机产生的冷凝水经空调冷凝管导入水箱A,水逐渐达到D水位；当水 位达到D水位，相应水位监测器被触发，信号输入到控制器，冷却水泵开始工 作，流经室外机的外加冷却管，进而顺着水管流回水箱A。其中冷凝管采用“D” 型冷却管，增大了冷却管与冷凝管接触面积，提高了散热速率。图3-7室外机图3-8 “D”型冷却管四、技术关键和技术指标4.1技术关键采用单片机控制，使室内达到湿度平衡，空气相对湿度满足人体健康要求。 要求水箱中水位监测的控制性能良好，能灵敏触发传感器，保证对系统各 对应功能模块的及时有效控制，提高控制性能。采用过滤网清洗模块，通过对该模块的优化，进而保证了对空调过滤网的 有效清洁，达到净化空气的要求。利用冷凝水的冷热交换，有效地对空调室外机的热交换器进行冷却，减少 能耗。4.2主要技术指标根据冷凝水产生的速率及适合人体湿度值来调节超声波雾化模块的雾化速 率。技术内容理论值实测值适合人体的空气相对湿度值45%RH-65%RH53%RH一匹空调冷凝水产生的平均速率400ml/h380ml/h超声波雾化模块(20W )的雾化平均速率600ml/h560 ml/h4.3能耗指标根据改进前后的空调使用功率对比，实验数据如下:空调额定 功率(w)改进前空调 使用功率(w)水泵消耗 功率(w)超声波加湿器+蒸发器(w)改进后空调 使用功率(w)1000105020308702000197030501740由以上实验可得，冷凝水给室外机热交换器降温，可节省空调耗能的15%-25%。五、功能特点5.1功能介绍本作品功能主要通过以下三大模块实现：超声波雾化模块、过滤网清洁模块 及室外机冷却模块。本作品运用超声波雾化模块，解决了制冷后室内空气干燥问 题，实现室内湿度平衡；运用过滤网清洁模块，解决了过滤网难拆装难清洗问题； 运用室外机冷却模块提高散热效率，节能减耗。5.2特点空调清洁及加湿节能装置通过对空调排出冷凝水的创新性利用，实现了冷凝 水利用程度最大化。同时本作品生产成本低，市场效益好，能循环利用空调排放 的冷凝水，为空调用户节能减耗。六、创新点本作品是立足于国内普通空调功能的局限性，综合运用了机械、电子、控制 等专业知识,基本上完成了预先设定的多项功能，即实现室内湿度平衡、易清洗 过滤网、节能减耗等功能。本作品的创新点如下：采用超声波雾化模块对空调中的冷凝水进行雾化，达到加湿效果，通过单 片机控制使室内空气湿度达到相对平衡，有益健康。利用空调冷凝水，通过过滤网清洗模块，对空调过滤网进行清洗，免去人 工清洗的麻烦，也使得过滤后的空气更加清新。利用空调冷凝水，通过室外及冷却模块中的冷却管，对室外机冷凝管进行 冷却，提高散热效率。变废为宝，绿色环保。防止空调冷凝水随意排放而损害楼下住户、行人的 权益。七、可行性分析7.1安全性(1) 过滤网清洗模块采用整体化设计，可防止清洁水四处飞溅，保证电路安 全；(2) 本装置提高了过滤网清洁频率，有效减少了空气中的灰尘及细菌等有害 微生物；(3) 超声波雾化模块使用了中空纤维超滤膜，过滤了冷凝水中的灰尘细菌等 微小物质，保证空气的无害、清新；(4) 冷凝水的最后处理，将灰尘杂物沉淀再蒸发处理，不会对外界环境造成 污染，做到了绿色处理。7.2先进性(1) 本装置采用超声波雾化模块，使冷凝水雾化，加湿室内空气，省去了人 工加湿带来的不便和能量消耗，更加有效地利用了水资源；(2) 首次采用回收的冷凝水对空调过滤网进行清洗，解决了人工清洗过滤网 的麻烦，并持续有效的保证过滤网及蒸发器散热器清洁；(3) 采用水路循环对室外机散热片进行冷却，更好地提高了冷凝管的散热效 果及减少能耗；(4) 在冷凝水的处理最后采用蒸发模块，解决了因冷凝水的随意排放而产生 的一系列问题。7.3作品优势空调清洁加湿节能装置的技术特点是运用超声波雾化模块，解决了制冷后室 内空气干燥问题；运用过滤网清洁模块，解决了过滤网难拆装难清洗问题；运用 室外机冷却模块提高散热效率、减少能耗。本作品的优势在于结构简单，性能可靠，具有可调性、适用性以及实用性等 特点，适应南北气候差异。不仅绿色环保而且通过室内湿度平衡功能迎合了人们 的健康需求。7.4适用范围本作品适用于各类家庭、企业以及医疗单位的空调。能够为各个使用装置的 人们营造一个清洁、健康、绿色的室内环境。7.5推广前景本作品在空调制冷领域具有非常广阔的应用前景，通过在各方面技术的控制 实现了绿色环保、节能减耗等特点。符合我国可持续发展、绿色环保的理念，应 用范围广、实用性强，满足市场需求。随着人们生活水平的提高和绿色健康理念的追求，人们对空气质量要求越来 越高。市场分析如下：现有空调需要定期自行拆装清洗过滤网，这样不仅拆装困难而且由于没有 经常清洗会带来清洗的困难。本作品通过过滤网清洁模块实现空调过滤网的清 洗，避免人工清洗的麻烦，保证了人们的健康。现有空调由于长期工作而导致室内湿度失调将会对人体健康产生一系列 影响，实现了健康环保的消费理念。现有空调由于冷凝管的散热不良或不及时，往往会导致能量的额外损耗， 本装置利用冷凝水的循环实现了散热效率的提高，不但降低了能耗，而且提高了 空调的使用寿命。7.6经济效益预测空调清洁及加湿节能装置生产成本低，安装方便，市场效益好，能循环利用 空调排放的冷凝水，为空调用户节能减耗。通过本装置对冷凝水的循环利用，实 现了过滤网清洗、空气加湿、降低能耗等功能。八、成本预算下表为作品费用明细：材料数量单价(元)总价(元)4L水箱2个102020W超声波雾化模块1个111112W水泵3个721清洁模块1个4343软管4米14电子元件1批222220W蒸发器1个1111总价132九、参考文献周本省循环冷却水系统中的水垢及其控制J.腐蚀与防护,2006,01:26-31.2 姜德星超声波雾化换能器的研究J.江苏陶瓷,1998,01:13-14.3 重视空调过滤网的作用J.电信技术,1995,11:10.4 刘道清.空气过滤技术研究综述J.环境科学与管理.2007(05)周蔚.空调冷凝水回收利用技术及实践分析J.实验室科学,2011,(05):66-68.胡响响.空调过滤网除臭效果实验研究J.洁净与空调技术,2009,(03):10-11.7施之.怎样清洁空调过滤网N.国际商报,2003/06/18(007).陈晓阳，江亿，李震.湿度独立控制空调系统的工程实践J.暖通空调,2004,11:103-109.9 隽海昌，李延强，杜建，王泰宇.家用空调热交换器的发展J.制冷与空调,2000,02:11-17.10 章毅，彭关中.空调系统节能技术措施探讨J.洁净与空调技术.2009(02)11 乐照林，王耀春，高永平.沈阳奥体中心网球游泳馆空调节能创新设计J.暖通空调.2009(08)12 赵岐华.对房间空调器冷凝水的利用和节能的一点看法J.暖通空调.2005(05)13 戎卫国，李永安，张建明.空调系统热力学分析与节能J.暖通空调.2006(11)