成 波，王昌龍，李倩雯，邊義祥

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

半導體制冷式除濕干燥裝置的控制系統(tǒng)研制

成 波，王昌龍，李倩雯，邊義祥＊

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

在分析除濕原理的基礎上，設計了半導體制冷式除濕干燥裝置.介紹該裝置的工作原理，并開發(fā)出基于STC12C5204AD單片機及其他附加電路組成的控制系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實現(xiàn)對濕度的自動控制，另應用Lab VIEW開發(fā)的上位機應用程序實現(xiàn)對溫度、濕度的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理功能.實驗測試結果表明：系統(tǒng)響應速度快，效果良好；穩(wěn)態(tài)時相對濕度變化范圍為±3%，溫度變化范圍為±0.5℃.

半導體制冷器；除濕機；自動控制

空氣除濕技術是一門涉及多個學科的綜合性技術，目前已被廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)、國防、農(nóng)業(yè)、商業(yè)以及日常生活中.全球除濕機的主要產(chǎn)地集中在意大利、日本和中國臺灣等地，中國在全球除濕機市場中的地位并不顯著.特別是家用除濕機，一直以出口為主，只是剛剛被中國的消費者所認知［1］.常用的空氣除濕技術主要有冷凝除濕、固體吸附式除濕、熱泵和氫泵除濕（電除濕）、液體除濕、膜除濕、HVAC除濕等［2－4］.半導體制冷的理論基礎是固體的熱電效應，包括5個效應：塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應和傅里葉效應［5－8］.福州大學洪水力等人［9］早在1991年就申請了專利，但由于半導體能量轉換效率較低，只能應用于小環(huán)境的控溫除濕.隨著半導體材料的發(fā)展，目前利用半導體制冷技術研制的除濕機已走向市場.而市場上的除濕機大多數(shù)是從啟動開始就一直工作，而本文設計的除濕機是在此基礎上，將單片機技術應用于除濕機設計，增加了檢測環(huán)節(jié)以及設定功能，從而節(jié)約了能源消耗.

圖1 除濕干燥裝置的原理結構圖Fig.1 The principle structure of drying device

1 除濕工作原理

半導體制冷除濕裝置體積小、壽命長、無機械噪聲，只要通電便可在單片機系統(tǒng)控制下實現(xiàn)除濕干燥.其除濕原理是利用冷端與換熱器緊密接觸而使換熱器整體降溫，熱空氣流經(jīng)除濕換熱器內(nèi)部時發(fā)生熱傳遞溫度下降，其中的水蒸氣凝結成霜，在除霜過程中又吸熱融化成水，流入底部集水罐中定期排放，達到對空氣除濕干燥的目的.半導體制冷式除濕干燥裝置的原理結構圖如圖1所示.

裝置采用兩片制冷片鉛垂方向布置，使用多片制冷片可以增大制冷片與空氣的接觸面積，提高除濕的效果，散熱片貫通布置，制冷側的散熱片下端斜切，以引導水滴至集水槽中.濕空氣從上部和側面進入裝置中并在制冷側形成下降氣流，流經(jīng)制冷片時，溫度下降，下降至露點溫度以下時，水蒸氣凝結為水析出，經(jīng)過處理后的空氣從下部出氣口排出，與周圍空氣混合，加熱與制冷側氣流被隔離，如此循環(huán)，直至達到溫度、濕度的設定值.除濕裝置采用自動控制電路確保制冷端穩(wěn)定工作在露點（密閉空間中制冷片發(fā)熱較嚴重，環(huán)境溫度急劇升高，實際已不能凝露，制冷片如果繼續(xù)工作可能燒毀芯片，因此在程序中增加溫度檢測，當箱體內(nèi)部溫度升高時，濕度設定值應該提高），借助制冷片的工作電流調(diào)節(jié)可實現(xiàn)對制冷速度和溫度的控制.

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 總體方案

除濕機控制系統(tǒng)主要由溫度濕度傳感器、STC12C5204AD單片機、操作鍵盤、液晶顯示、電動執(zhí)行器等組成，硬件結構設計總體框圖見圖2.

圖2 控制系統(tǒng)硬件總體框圖Fig.2 Hardware diagram of the control system

系統(tǒng)所用的STC12C5204AD單片機是由宏晶科技公司生產(chǎn)的一款單時鐘單片機，其優(yōu)點為速度快、功耗低、性能優(yōu)，指令代碼完全兼容8051單片機，但速度卻是8051單片機的8～12倍.其內(nèi)部集成了8路高速8位A／D轉換、2路PWM以及MAX810專用復位電路.主要應用于電機的控制以及強干擾的場合.

為使系統(tǒng)易操作，硬件系統(tǒng)設置3個按鍵：電源鍵、左鍵和右鍵.各鍵功能如下：電源按鍵將啟動系統(tǒng)進入工作狀態(tài)；左鍵和右鍵配合使用，用于設置溫度濕度的設定值.溫度濕度傳感器采用AMT2001，該模塊供給電壓為直流電壓，相對濕度通過電壓輸出進行計算，具有精度高、可靠性高、一致性好、且已附溫度補償、穩(wěn)定性好、使用方便及價格低廉等特點.

2.2 輔助電路設計

1）系統(tǒng)電源.本系統(tǒng)采用的傳感器電源為5 V，須將220 V交流電經(jīng)變壓整流后產(chǎn)生12 V直流電，可用于驅動裝置供電.再經(jīng)過三端穩(wěn)壓管MC7805ACT實現(xiàn)穩(wěn)壓，以＋5 V電源輸出，為加熱裝置、制冷片、風扇供電的控制端以及STC12C5204AD等單電源芯片供電.這種電源的設計提高了抗干擾能力，也提高了電源的可靠性.

2）按鍵電路.設置2個鍵，左鍵接P3.3，右鍵接P3.4.系統(tǒng)進入工作狀態(tài)時，液晶顯示當前環(huán)境的溫度濕度.按下左鍵進入外部中斷，此時液晶顯示當前溫度、濕度、地址和波特率的設定值.再次按下左鍵，表示開始設定濕度，增加設定濕度則按下左鍵，增加結束后按下右鍵或者直接按下右鍵，則會有提示，此時按下左鍵，開始減少設定濕度；減少結束后按右鍵或者直接按下右鍵進入溫度的設定界面，同樣的方法用于設置溫度、地址和波特率.這樣設計減少了按鍵，使整個操作面板更加簡潔、方便.除濕裝置的制冷和加熱可分別采用單片機的P3.7和P3.3來控制，充分利用了單片機的接口資源.

3）顯示電路.本系統(tǒng)的外圍顯示電路采用12864液晶顯示，用于溫度、濕度測量值的顯示以及對濕度的設定.該液晶價格相對較低，適用于各類儀器、小型設備.在設計中用P1.6來控制液晶顯示，為了延長液晶壽命，每次操作后延時點亮背光5 min，再次按鍵操作，再次點亮，利用液晶關閉指令關閉顯示.

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件設計目標

1）主程序采集溫度、濕度信號，并輸出控制加熱或制冷信號，根據(jù)顯示標志決定液晶是否顯示.

2）按鍵液晶顯示部分軟件設計.

3）完成數(shù)據(jù)采集及處理、根據(jù)工作狀態(tài)控制驅動裝置等任務.

4）制定通信規(guī)約，完成串行通信部分軟件設計.

本系統(tǒng)軟件采用Keil C51語言編寫.

3.2 單片機主程序設計

主程序的大循環(huán)主要負責對環(huán)境溫度、濕度的采集，比較環(huán)境溫度與設定溫度、濕度的大小，從而驅動裝置進行相應的操作，主程序的框圖如圖3所示.

在按鍵顯示模塊中設計程序時，將每一次設置好的溫度、濕度都寫入單片機內(nèi)部自帶的EEPROM的固定扇區(qū)，這樣每次讀取設定溫度濕度值時，只須讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)，這樣就具備了記憶功能，客戶設定好后，若不需更改，下次啟動就直接開始除濕干燥，無需再次設定.設計程序時，考慮系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，防止程序進入死循環(huán)，專門設置了軟件陷阱，使用軟件看門狗程序解決程序死循環(huán)問題，并采用指令冗余技術來優(yōu)化軟件設計.

圖3 主程序框圖Fig.3 The block diagram of the main program

3.3 單片機與上位機通訊

上位機和單片機利用串口來實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換，本文采用Lab VIEW設計對應的串口通信程序，在Lab VIEW中，VISA是可以連接不同標準的輸入輸出設備，是一個用來在串口通信設備及其他基于計算機設備之間通信的函數(shù)庫.客戶可以在Lab VIEW中找到VISA Configure Serial Port，VISA Write，VISA Read，VISA Close等模塊，依次實現(xiàn)串口配置、串口寫、串口讀、串口關閉等功能［10］.利用這些模塊便可設計出正確的Lab VIEW串口通信軟件.在編程時最重要的是通信子VI的屬性設置以及通信流程圖的鏈接.

程序框圖中通信程序的設計完成了對出口初始化參數(shù)的設置，波特率為9 600 b·s－1，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，沒有奇偶校驗位，無流程控制位；然后依次設置VISA Write，VISA Read等相應的功能模塊.

4 實驗測試結果

為測定半導體制冷器的除濕效果，并對系統(tǒng)的各個模塊做進一步的優(yōu)化，在整個系統(tǒng)設計完成之后筆者進行了相關的實驗，在封閉的小空間中（體積1.2 m3），放置了溫度濕度傳感器，并放置了100 m L的水來加強實驗.實驗環(huán)境的相關參數(shù)為：裝置外溫度22℃，濕度43%；裝置內(nèi)溫度30℃，濕度77%；設定溫度20℃，濕度30%.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，得到去濕干燥裝置的除濕控溫效果圖（見圖4～5）.

通過多次實驗，證明本文基于半導體制冷式除濕系統(tǒng)的設計是合理的，除濕器功率為72 W，能夠在封閉的小空間中起到良好的除濕控溫效果.系統(tǒng)采用PID控制算法，響應速度約為10 min，穩(wěn)態(tài)時相對濕度變化范圍為±3%，溫度變化范圍為±0.5℃.

圖4 去濕效果圖Fig.4 Diagram of the dehumidification effect

圖5 控溫效果圖Fig.5 Diagram of the temperature control effect

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The development of the control system of semiconductor refrigeration dehumidification drying device

CHENG Bo，WANG Changlong，LI Qianwen，BIAN Yixiang＊

（Sch of Mech Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

On the analysis of the theory of dehumidifying，the semiconductor refrigeration and dehumidification drying device is studied and designed.The working principle is introduced and the control system for dehumidifier based on chip microcontroller STC12C5204AD and other additional circuits is designed.The humidity is automatically controlled by this system and the real－time monitoring and data processing function of temperature and humidity are realized by the PC Lab VIEW development application.The system responses quickly and the effect is satisfactory.The humidity variation is in the range of±3%and the temperature changes in±0.5℃when the system is at steady state.

semiconductor refrigeration；dehumidifier；auto control

TU 834.9；TP 368.2

A

1007－824X（2014）01－0067－04

2013－07－20.＊ 聯(lián)系人，E－mail：357339880＠qq.com.

國家自然科學基金資助項目（51275447）.

成波，王昌龍，李倩雯，等.半導體制冷式除濕干燥裝置的控制系統(tǒng)研制 ［J］.揚州大學學報：自然科學版，2014，17（1）：67－70.

（責任編輯 賈慧鳴）