王冀龍 蔡滿軍

(燕山大學河北計算機工業(yè)控制重點實驗室,河北 秦皇島 066004)

新風機智能控制器的設計

王冀龍 蔡滿軍

(燕山大學河北計算機工業(yè)控制重點實驗室,河北 秦皇島 066004)

針對當前空氣污染形勢嚴峻、室內(nèi)空氣品質(zhì)低下的問題,設計了適用于新風機的嵌入式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)應用傳感器技術(shù)、信號采集技術(shù)、液晶顯示技術(shù)和電機模糊控制技術(shù)等,實現(xiàn)了對室內(nèi)空氣質(zhì)量的高精度自動控制。經(jīng)實驗室測試和實際運行證明,該控制器具有操作方便、性能穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點。

新風機 室內(nèi)空氣質(zhì)量 模糊控制 智能控制器 嵌入式控制系統(tǒng)

0 引言

當前,世界空氣污染問題形勢嚴峻,室內(nèi)揮發(fā)性有機物污染(volatile organic compounds,VOCs)造成室內(nèi)空氣品質(zhì)低下,嚴重危害人類健康[1-3]。隨著人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)的關(guān)注,國內(nèi)外學者對新風系統(tǒng)進行了大量研究[4-6]。為了提高新風系統(tǒng)的工作效率,實現(xiàn)節(jié)能減排,新風機控制器成為必不可少的器件[7]。本文所介紹的是一款以ATmega3290單片機為控制芯片的新風機控制器,可應用于辦公室、實驗室,尤其適用于民眾居室的空氣品質(zhì)檢測及調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)功能分析

本控制系統(tǒng)為用戶提供自動和手動兩種工作模式。當系統(tǒng)運行在手動模式下時,可以通過按鍵設置系統(tǒng)工作狀態(tài),得到相應的通風強度、熱交換方式和除塵模式。當系統(tǒng)運行在自動模式下時,系統(tǒng)根據(jù)VOCs濃度與用戶預設值偏差,調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速,達到對室內(nèi)新風量控制的目的;通過對室內(nèi)外微塵濃度的比較,自動選擇除塵模式;通過對室內(nèi)外溫度的比較,自動選擇熱交換方式;根據(jù)室內(nèi)人員活動情況,自動執(zhí)行新風機的關(guān)機操作。系統(tǒng)設有日期和時間顯示功能,并具有空氣質(zhì)量嚴重超標自動報警功能。

2 系統(tǒng)硬件總體設計

根據(jù)系統(tǒng)功能分析,控制系統(tǒng)硬件由核心處理器、TGS2600空氣質(zhì)量傳感器、NTC熱敏電阻、GP2Y1010AU0F微塵傳感器、RE200B熱釋紅外傳感器、放大與整形電路、AT24C02外部存儲芯片、DS1302專用時鐘芯片、段式液晶屏、按鍵、蜂鳴器、通風電機驅(qū)動電路、風門電機驅(qū)動電路以及靜電除塵器驅(qū)動電路構(gòu)成,并以模塊化方式設計。主要電路設計將在相應的功能模塊設計中給出。系統(tǒng)硬件設計示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of system hardware design

3 基本程序流程

新風機上電后,等待按鍵電源開關(guān)被按下。電源打開后,對單片機各端口和外圍功能芯片進行初始化設置,并讀取EEPROM中存儲的上次關(guān)機前各參數(shù)數(shù)值。當用戶選擇自動工作模式時,系統(tǒng)對VOCs濃度、室內(nèi)外溫度、微塵濃度信號進行采集,經(jīng)運算得到通風風機運行狀態(tài)、熱交換方式和除塵模式,并在段式液晶屏中顯示。當用戶選擇手動工作模式時,由按鍵操作程序決定執(zhí)行機構(gòu)工作方式。最后通過紅外人體檢測程序?qū)κ覂?nèi)人員活動進行判斷。當一段時間內(nèi)無人活動時,自動關(guān)閉新風機,此時間可由用戶自主設定。

控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.2 Flowchart of system main program

4 功能模塊設計

根據(jù)軟硬件總體設計,控制系統(tǒng)可分為多個功能模塊。本文將對段式液晶屏模塊、空氣污濁度采集模塊、微塵濃度采集模塊、溫度采集模塊、紅外人體檢測模塊、驅(qū)動電路模塊分別進行介紹。

4.1 段式液晶屏模塊

控制器通過段式液晶屏向用戶顯示室內(nèi)外溫濕度、室內(nèi)空氣污濁度、室內(nèi)外微塵濃度、通風強度、熱交換方式、除塵模式、日期/時間、蜂鳴器狀態(tài)等。

4.2 空氣污濁度采集模塊

FIGARO公司生產(chǎn)的TGS2600空氣質(zhì)量傳感器,能夠準確檢測室內(nèi)VOCs濃度。該傳感器的敏感元件由集成了加熱器以及在氧化鋁基板上形成的金屬氧化物半導體構(gòu)成。當吸附還原性氣體時,傳感器導電率上升、電阻Rs下降。將潔凈空氣中傳感器電阻設為Rs0,VOCs濃度計算公式為:

4.3 微塵濃度采集模塊

控制器選用夏普灰塵傳感器GP2Y1010AU0F構(gòu)成空氣微塵傳感模塊。該傳感器采用一個紅外發(fā)光二極管和一個光敏晶體三極管探測空氣中灰塵反射的光線,能夠?qū)諝庵械奈⑿☆w粒做出有效反應。傳感器輸出信號為不規(guī)則電壓信號,電壓峰值Vp出現(xiàn)在輸入信號上升沿后0.28 ms。空氣中微塵濃度Cd可通過下式計算:

式中:Cd為微塵濃度,mg/m3;Up為輸出電壓峰值,V。

4.4 溫度采集模塊

控制器選用具有負溫度系數(shù)的NTC熱敏電阻構(gòu)成空氣溫度傳感模塊。NTC熱能電阻具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小、電阻值大等特點。溫度傳感模塊輸出端與單片機PF1端口相連,采用濾波算法對所采集數(shù)據(jù)進行濾波降噪處理。室內(nèi)溫度T可通過下式計算:

式中:T為室內(nèi)溫度,℃;URt為輸出電壓,V。

4.5 驅(qū)動電路模塊

在具體實現(xiàn)中,本設計采用電磁繼電器驅(qū)動電路控制各執(zhí)行機構(gòu)。繼電器Relay1～Relay3控制通風電機進行高、中、低三檔調(diào)速;繼電器Relay4控制風門電機,對熱交換方式進行選擇;繼電器Relay5控制靜電除塵器的開啟與關(guān)閉。以繼電器Relay1為例,介紹其電路連接,如圖3所示。

圖3 繼電器驅(qū)動電路Fig.3 Driver circuit of relay

ATmega3290的PE3端口通過輸出高電平控制三極管Q1導通,使電磁繼電器線圈得電,從而使High端口輸出220 V交流電,進而使通風電機工作在高速模式。當繼電器Relay4線圈得電時,風門電機控制風門擋板開啟,進入旁通模式;反之風門擋板關(guān)閉,進入直通模式。當繼電器Relay5線圈得電時,靜電除塵器開啟;反之關(guān)閉。

4.6 紅外人體檢測模塊

紅外人體檢測模塊主要由菲涅爾透鏡、RE200B熱釋紅外傳感器和放大整形電路組成。該模塊能夠捕捉工作環(huán)境內(nèi)人員移動所產(chǎn)生的紅外信號,并對信號進行放大與整形處理[9]。信號放大與整形電路如圖4所示。

圖4 信號放大與整形電路Fig.4 Signal amplification and rectification circuit

程序開始后,首先對紅外檢測元件以及相關(guān)端口進行初始化。若檢測到脈沖信號,則計數(shù)器加1。當定時器到達預定時間后,判斷計數(shù)器數(shù)值。若不為0,則代表在預定時間內(nèi)房間中曾有人活動,系統(tǒng)將定時器與計數(shù)器清零,準備捕獲下一次脈沖信號;反之代表無人活動,控制器自動關(guān)閉新風機。

5 智能控制方案

在軟件編制中,若選擇自動模式,單片機根據(jù)室內(nèi)VOCs濃度變化、室內(nèi)外微塵濃度差值、室內(nèi)溫度的差值以及室內(nèi)是否有人活動,自動控制新風機的運行狀態(tài)。具體過程如下。

①當室內(nèi)有人活動時,新風機保持在正常工作狀態(tài)。采用查表法模糊控制策略,單片機根據(jù)當前時刻室內(nèi)VOCs檢測濃度Cv與預設濃度C0,計算偏差e和偏差變化率de,并分別進行量化處理;然后根據(jù)預先離線計算的模糊控制表查找當前時刻的輸出量化值U;最后經(jīng)反模糊化得到最終的輸出控制量u并作用于通風風機。

②當室內(nèi)微塵濃度小于室外微塵濃度時,靜電除塵器自動開啟;反之靜電除塵器關(guān)閉。

③當處于春秋季節(jié)時,室內(nèi)外溫差較小,則選擇旁通模式;當處于夏冬季節(jié)時,室內(nèi)外溫差較大,選擇交換模式,新風與排風進行熱量交換。

④室內(nèi)處于無人活動狀態(tài)的時間超過用戶所設置的閾值后,控制器自動關(guān)閉新風機。

6 通風試驗過程及結(jié)果

為了驗證通風模糊控制方式的效果,利用自制的新風機控制系統(tǒng),在秦皇島市燕山大學某實驗室中進行模擬試驗。試驗通過XSR70 06/T2USBLJN無紙記錄儀檢測VOCs濃度變化,并對空氣質(zhì)量控制效果進行了評價。

選擇自動模式,ATmega3290根據(jù)TGS2600空氣質(zhì)量傳感器檢測到VOCs偏差和偏差變化率。按模糊控制規(guī)則輸出風機控制電壓,實現(xiàn)風機轉(zhuǎn)速的實時控制。在同樣條件下選用手動模式,并采用恒定風速進行對照試驗。兩種情況下VOCs濃度對比如圖5所示。

圖5 試驗結(jié)果Fig.5 Experimental results

通過試驗數(shù)據(jù)可知,相比采用恒定風速的情況,模糊控制方式對VOCs濃度變化響應速度更快,超調(diào)量明顯降低,調(diào)節(jié)精度更高,能夠更好更快地滿足對室內(nèi)通風控制的要求。

當VOCs濃度發(fā)生變化時,通過模糊控制器推理運算得到的控制電壓可以實時控制風機轉(zhuǎn)速的變化,試時調(diào)節(jié)風機運行時的功率,達到使新風機節(jié)能的目的。在試驗過程中,應用模糊控制算法的風機實際消耗電量為0.012 37 kW·h,而在額定轉(zhuǎn)速工作下的風機實際消耗電量為0.017 33 kW·h,節(jié)約電能高達28.6%。當一段時間內(nèi)無人活動時,自動關(guān)閉新風機,這不僅保證了舒適度,更進一步節(jié)約了電力能源。

7 結(jié)束語

本文所研制的獨立新風系統(tǒng)控制器屬于室內(nèi)空氣質(zhì)量智能控制系統(tǒng)。在功能實現(xiàn)方面,系統(tǒng)應用了先進的模糊控制策略對室內(nèi)空氣質(zhì)量進行控制,并根據(jù)室內(nèi)外溫差選擇熱交換方式。同時,根據(jù)室內(nèi)外微塵濃度選擇除塵模式,并進一步應用紅外人體檢測技術(shù)自動控制系統(tǒng)關(guān)機,實現(xiàn)了根據(jù)環(huán)境變化自動調(diào)整系統(tǒng)工作狀態(tài)的功能。在硬件方面,系統(tǒng)采用ATmega3290單片機,有效地減少了外圍設備,節(jié)約了成本。試驗表明,控制系統(tǒng)具有設計簡單、運行穩(wěn)定、操作方便、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點,滿足預期的各項功能需求。這種硬件設計與軟件編程思路具有一定的推廣價值。

[1] 朱海歐,汪蓉,盧志剛,等.裝飾材料中揮發(fā)性有機物檢測技術(shù)的研究進展[J].環(huán)境科學與技術(shù),2011,34(9):73-81.

[2] 彭燕,沈照理,曹小安.室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有機物污染研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學與技術(shù),2008,31(6):51-57.

[3] 張靖,邵敏,蘇芳.北京市大氣中揮發(fā)性有機物的組成特征[J].環(huán)境科學研究,2004,17(5):1-5.

[4] Burbank J J,Marmaras J M,Kosanovic D B.Dedicated outside air system(DOAS)-design vs.actual operation(are aggressive energy targets achievable?)[J].ASHRAE Transactions,2013,119.

[5] 殷平.獨立新風系統(tǒng)(DOAS)研究(2):設計方法[J].暖通空調(diào),2004,34(2):37-43.

[6] Mumma S A.Designing dedicated outdoor air systems[J].ASHRAE Journal,2001,43(5):28-32.

[7] 肖學軍,王健.專用新風機控制器的設計[J].電子技術(shù),2000, 27(3):32-35.

[8] 梅小雨,許昌,魏艷紅.基于對數(shù)的NTC熱敏電阻測溫系統(tǒng)的設計[J].自動化與儀表,2011(5):54-57.

[9] 張佳一.熱釋電紅外傳感器放大電路的設計及其應用[J].廣西通信技術(shù),2010(3):24-26.

[10] 蔡滿軍,吳磊.智能溫度控制器的設計[J].自動化儀表,2010(10): 68-71.

Design of the Intelligent Controller for Fresh Air System

Aiming at the grim situation of air pollution and poor quality of the indoor air,the embedded control system suitable for fresh air system has been designed.The high precision automatic control of indoor air quality is implemented by adopting the technologies of sensing, signal acquisition,liquid crystal display and motor fuzzy control,etc.The tests in laboratory and the practical operation verify that this controller possesses advantages of easy operation,stable performance,and obvious energy saving effects,etc.

Fresh air system Indoor air quality Fuzzy control Intelligent controller Embeded control system

TP368+.1

A

河北省科技支撐計劃基金資助項目(編號:10213944)。

修改稿收到日期:2014-03-13。

王冀龍(1988-),男,現(xiàn)為燕山大學控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事單片機與智能監(jiān)控的研究。