文│ 國(guó)立華僑大學(xué)信息學(xué)院 黃文權(quán) 吳燕峰

基于Proteus的防凝露控制器仿真設(shè)計(jì)

文│ 國(guó)立華僑大學(xué)信息學(xué)院 黃文權(quán) 吳燕峰

此文基于Proteus軟件技術(shù)進(jìn)行防凝露控制的仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電氣柜內(nèi)及柜外的溫/濕度，并根據(jù)防凝露控制策略對(duì)加熱設(shè)備和通風(fēng)散熱設(shè)備進(jìn)行控制，防止電氣柜內(nèi)部凝露的產(chǎn)生，增加電氣設(shè)備的有效工作時(shí)間。

防凝露；仿真；Proteus

1 引言

傳統(tǒng)防凝露控制器多數(shù)采用溫度傳感器配合電加熱器來(lái)防止凝露的產(chǎn)生，雖然起到積極的作用，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在問(wèn)題，如南方梅雨季節(jié)或室外條件惡劣的地區(qū)，傳統(tǒng)控制器并不能完全杜絕凝露發(fā)生。

因此，本文根據(jù)凝露發(fā)生和預(yù)防機(jī)理，設(shè)計(jì)一款具有多路傳感器的防凝露控制器，該設(shè)備具有新型的防凝露控制策略，取代了傳統(tǒng)控制器長(zhǎng)期加熱驅(qū)潮方式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)軟件仿真，初步驗(yàn)證其應(yīng)用的可行性。

2 防凝露仿真硬件

本課題設(shè)計(jì)的防凝露控制器是以AT89C51單片機(jī)為核心，通過(guò)DS18B20來(lái)采集開關(guān)柜內(nèi)及柜外的溫度值，通過(guò)SHT11來(lái)采集開關(guān)柜內(nèi)的濕度值。同時(shí)，防凝露控制系統(tǒng)可以通過(guò)采集到的溫度和濕度值來(lái)控制散熱電路和加熱電路的通斷，從而防止開關(guān)柜內(nèi)的環(huán)境出現(xiàn)凝露狀態(tài)。

其中，DS18B20是Dallas公司推出的一種改進(jìn)型智能數(shù)字溫度傳感器，只需一根線就能直接讀出被測(cè)溫度，并能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)9～12位數(shù)字值的讀數(shù)方式，與單片機(jī)的連接電路如圖1所示，注意信號(hào)線DQ需要加10k的上拉電阻。溫/濕度傳感器SHT11集成一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)首先進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過(guò)二線串行數(shù)字接口I2C輸出數(shù)字信號(hào)，SCK和DATA線也需加10k上拉電阻。

防凝露控制輸出為電加熱器和散熱風(fēng)扇，在仿真中分別采用LED和電機(jī)來(lái)模擬，以獲得直觀的仿真效果。其中三極管和繼電器構(gòu)成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分，整個(gè)防凝露控制系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。

DS18B20、SHT11都是常用的傳感器，具體應(yīng)注意兩點(diǎn)：①該傳感器對(duì)讀/寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求，需按照通訊協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性；②讀取的數(shù)據(jù)還需要在單片機(jī)軟件上進(jìn)行線性修正，才可獲得較精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3 防凝露控制策略及軟件實(shí)現(xiàn)

溫度和濕度是凝露發(fā)生的兩個(gè)重要因素，上述防凝露控制器通過(guò)采集電氣柜的環(huán)境參數(shù)，包括柜外溫度、柜內(nèi)溫度和柜內(nèi)濕度，再經(jīng)過(guò)防凝露控制策略進(jìn)而控制電加熱設(shè)備或風(fēng)機(jī)排風(fēng)散熱設(shè)備的運(yùn)行，抑制凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生條件，達(dá)到防凝露的效果。

溫度是電氣設(shè)備正常運(yùn)行的必要參數(shù)，同時(shí)溫度突變也是導(dǎo)致凝露現(xiàn)象的一個(gè)重要原因。研究表明，電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)周圍環(huán)境溫度的上限值不應(yīng)超過(guò)40℃，否則容易導(dǎo)致設(shè)備局部高溫，影響設(shè)備的穩(wěn)定性、動(dòng)作的可靠性以及計(jì)量的準(zhǔn)確性，甚至直接損壞設(shè)備。在一般情況下，當(dāng)溫度低于15℃時(shí)，開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備散熱損失大，露點(diǎn)溫度低，凝露的可能性較高。所以，文中的防凝露控制策略選擇40℃作為開關(guān)柜內(nèi)適宜工作溫度的上限值，15℃作為開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備適應(yīng)工作溫度的下限值。

同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，電氣設(shè)備長(zhǎng)期處于高濕度環(huán)境，不但凝露風(fēng)險(xiǎn)大大提高，而且金屬/電氣材料的腐蝕速度也會(huì)加快，加之電氣柜內(nèi)的環(huán)境參數(shù)并不均勻，常出現(xiàn)局部環(huán)境溫度偏低或濕度高造成的局部凝露等問(wèn)題，因此濕度參數(shù)的選取需保留一定裕量，本文擬選取70%相對(duì)濕度作為臨界濕度值。

綜上所述，根據(jù)所測(cè)量的環(huán)境參數(shù)制定如下控制思路：當(dāng)柜內(nèi)溫度低于15℃時(shí)啟用電加熱器；柜內(nèi)溫度高于40℃則開啟風(fēng)機(jī)散熱；介于兩溫度之間時(shí)需結(jié)合柜外溫度、柜內(nèi)溫度、柜內(nèi)濕度，并查詢凝露曲線數(shù)據(jù)，進(jìn)行防凝露控制。

圖3是防凝露控制軟件的程序流程圖。在柜內(nèi)溫度t1為15℃ ～40℃時(shí)，綜合考慮柜外溫度t2、柜內(nèi)相對(duì)濕度RH等參數(shù)。若柜內(nèi)溫度t1高于柜外溫度t2，則進(jìn)一步判斷柜內(nèi)相對(duì)濕度RH是否低于70%。若兩者都滿足可打開風(fēng)機(jī)散熱，則單純的通風(fēng)降溫有可能導(dǎo)致凝露發(fā)生，此時(shí)不應(yīng)動(dòng)作；若柜內(nèi)溫度t1低于柜外溫度t2，則一般情況下無(wú)需通風(fēng)散熱也無(wú)需加熱；但當(dāng)柜內(nèi)相對(duì)濕度RH高于70%時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)電加熱，預(yù)防局部凝露。

當(dāng)柜內(nèi)溫度低于15℃時(shí)，仿真結(jié)果如圖4所示。其柜內(nèi)溫度為14℃，僅LED燈常亮，表示加熱設(shè)備開始運(yùn)行，同時(shí)，與柜外溫度和柜內(nèi)濕度的數(shù)值大小無(wú)關(guān)。綜合其他幾種情況的運(yùn)行驗(yàn)證說(shuō)明，該控制器已實(shí)現(xiàn)預(yù)定的防凝露策略。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了凝露產(chǎn)生的條件，并針對(duì)傳統(tǒng)防凝露控制器的不足進(jìn)行改進(jìn)，制定了新的防凝露控制策略，并通過(guò)Proteus軟件進(jìn)行初步仿真驗(yàn)證，雖然控制精度不高但簡(jiǎn)單有效。后期還需進(jìn)行實(shí)物硬件設(shè)計(jì)和實(shí)際環(huán)境調(diào)試驗(yàn)證，以便進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。

【1】 董紅云，顏志偉，王立鵬等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防凝露技術(shù)研究及應(yīng)用.南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，10（3）.

【2】 周軍、周文越.開關(guān)柜防凝露控制技術(shù)淺談.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（1）.

【3】 張永安．基于SHT11露點(diǎn)測(cè)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（4）.

【4】 陳瑤，陳廉曹，束劍文等.淺談開關(guān)設(shè)備的防凝露措施.福建建設(shè)科技，2013（2）：91.