曾建榮 王首智 曹玲玲 李 燕

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（清華大學(xué) 工程物理系 北京 100084）

3（成都工業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院 成都 611730）

小型數(shù)控式相對(duì)濕度控制裝置研制

曾建榮1王首智2曹玲玲3李 燕1

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（清華大學(xué) 工程物理系 北京 100084）

3（成都工業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院 成都 611730）

相對(duì)濕度(Relative humidity, RH)是很多實(shí)驗(yàn)過程的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)之一，RH控制對(duì)同步輻射在線實(shí)驗(yàn)尤為重要?；趩纹瑱C(jī)的動(dòng)態(tài)控制，研制了一套便于加載至同步輻射實(shí)驗(yàn)線站在線使用的小型數(shù)控式RH控制裝置。該裝置使用微型氣泵抽取潮濕空氣和干燥空氣分別構(gòu)建了加濕和除濕兩個(gè)通道對(duì)控濕腔體內(nèi)RH進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡。采用模糊控制算法通過單片機(jī)實(shí)時(shí)控制RH的變化。該裝置能將RH控制在20%-94%，誤差為±1.0%；能以固定速度控制RH穩(wěn)定上升(20%-90%)或穩(wěn)定下降(90%-20%)，誤差為±1.5%；能在濕度上升、穩(wěn)定和下降三個(gè)工作模式之間快速切換，可滿足同步輻射在線實(shí)驗(yàn)對(duì)濕度控制的多種需求。

同步輻射，相對(duì)濕度，數(shù)控

利用XS128單片機(jī)進(jìn)行濕度精確檢測(cè)及其控制的智能化方法研究，制作了一套便于加載到同步輻射實(shí)驗(yàn)線站使用的小型數(shù)控式濕度控制裝置。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

裝置由控濕腔、傳感器、加/除濕通道、單片機(jī)、計(jì)算機(jī)和線纜組成，通過干、濕空氣流動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡來控制RH的變化（圖1）。傳感器監(jiān)控腔體內(nèi)RH并通過單片機(jī)與目標(biāo)RH值進(jìn)行比較，采用模糊控制算法得到控制信息。脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)控制信息調(diào)控加濕氣泵A或除濕氣泵B的轉(zhuǎn)速，從而改變腔體內(nèi)RH平衡值。調(diào)控周期與傳感器采樣周期同步，可實(shí)現(xiàn)對(duì)RH的實(shí)時(shí)控制。計(jì)算機(jī)通過MATLAB程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行讀取、動(dòng)態(tài)顯示及儲(chǔ)存等。

圖1 裝置系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design schema of the device system.

1.2 單片機(jī)

系統(tǒng)核心板選用美國(guó)Freescale公司MC9S12XS128型單片機(jī)。S12XS系列單片機(jī)具有雙路串行通訊接口(Serial Communication Interface, SCI)、8通道24位周期中斷計(jì)時(shí)器、8通道16位計(jì)時(shí)器、8通道PWM輸出和多達(dá)16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)等多種外圍設(shè)備。其中，兩路SCI（分別記為端口0和1）和兩路PWM是本系統(tǒng)需要使用的核心功能。使用80引腳QFP (Quad Flat Package)封裝的MC9S12XS128型單片機(jī)，具有128 KB FLASH空間，8 KB RAM (Random Access Memory)空間和8KB 數(shù)據(jù)FLASH空間。開發(fā)板采用清華大學(xué)Freescale單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)研究中心的應(yīng)用開發(fā)板。

1.3 溫濕度傳感器

隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)，洞內(nèi)分別在K103+311和K103+441處設(shè)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道。聯(lián)絡(luò)風(fēng)道內(nèi)設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，通過互補(bǔ)通風(fēng)滿足運(yùn)營(yíng)要求。

溫濕度傳感器采用瑞士ROTRONIC公司的HygroClip 2 (HC2)探頭，其RH測(cè)量范圍是0%-100% RH，精度±0.8% RH，采樣周期為1 s，3.3V電壓供電。該探頭提供一個(gè)數(shù)字串口，可以向外自動(dòng)發(fā)送測(cè)量信號(hào)，最短發(fā)送周期為1 s。將該數(shù)字串口與單片機(jī)SCI端口1相連，使用RS232轉(zhuǎn)UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)模塊進(jìn)行邏輯電平轉(zhuǎn)換。單片機(jī)采用中斷接收，1 s接收一次信號(hào)并將此作為系統(tǒng)的控制周期。

1.4 加濕通道與除濕通道

加濕通道由加濕氣泵向控濕腔抽入濕潤(rùn)空氣（經(jīng)由水產(chǎn)生）以達(dá)到加濕目的，除濕通道由除濕氣泵向控濕腔抽入干燥空氣（經(jīng)由干燥劑產(chǎn)生）以達(dá)到降濕目的。錐形瓶采用軟木塞封口，便于開啟更換水和干燥劑。裝置采用循環(huán)式充氣抽氣，既提高加濕除濕效率，又避免與周圍環(huán)境的交互影響。

氣泵選用成都?xì)夂C(jī)電制造公司的PK4512微型真空泵，工作電壓為24 V，峰值流量12 L·min-1，平均流量實(shí)測(cè)在8.5-10 L·min-1。因氣泵工作電壓遠(yuǎn)高于單片機(jī)供電電壓，采用24 V電位器正反轉(zhuǎn)大功率調(diào)速板，通過輸入單片機(jī)的PWM信號(hào)對(duì)輸出電壓的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.5 外形設(shè)計(jì)

濕度控濕腔采用聚丙烯塑料制作，體積為29.5cm×23.0 cm×18.5 cm，可通過控制氣泵占空比達(dá)到靈活控濕腔內(nèi)RH的目的。單片機(jī)的數(shù)碼管顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示控濕腔體內(nèi)的RH值，按鍵可以控制單片機(jī)控制系統(tǒng)的啟停以及工作模式，電位器可以設(shè)置RH的目標(biāo)值。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 MATLAB

單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間同樣采用串口通訊，將SCI端口0轉(zhuǎn)USB接口后與計(jì)算機(jī)連接，在計(jì)算機(jī)安裝驅(qū)動(dòng)后即可識(shí)別為RS232串口。使用MATLAB的serial函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)，并使用instrcallback函數(shù)進(jìn)行中斷接收，中斷周期與單片機(jī)中斷周期一致，依此達(dá)到時(shí)鐘信號(hào)的匹配。單片機(jī)向計(jì)算機(jī)發(fā)送接收的當(dāng)前RH信息、RH偏差、RH變化率、加濕氣泵和除濕氣泵的占空比，計(jì)算機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和動(dòng)態(tài)繪圖，以此實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的功能。

2.2 模糊控制算法

模糊控制是工程控制中一種重要的方法[5-7]。 RH的變化具有很強(qiáng)的時(shí)滯性[5]，PID (Proportion Integration Differentiation)算法對(duì)參數(shù)依賴嚴(yán)重，此處采用帶有死區(qū)的模糊控制算法[6,8]。RH與目標(biāo)濕度的偏差分為7類：極低(-∞，-1)、較低(-1，-0.5)、偏低(-0.5，-0.2)、正好(-0.2，0.3)、偏高(0.3，0.5)、較高(0.5，1)、極高(1，∞)；RH變化率分為6類：極小(-∞，-0.15)、較小(-0.15，-0.08)、偏小(-0.08，0)、偏大(0，0.08)、較大(0.08，0.15)、極大(0.15，∞)；加濕控制依據(jù)占空比分為8類：0 (0%)、1 (5%)、 2 (10%)、3 (24%)、4 (50%)、5 (70%)、6 (90%)，7 (100%)；除濕控制依據(jù)占空比分為8類：0 (0%)、1 (3%)、2 (8%)、3 (20%)、4 (50%)、5 (60%)、6 (80%)、7 (100%)；對(duì)每種場(chǎng)景采用不同的控制策略（表1）。為加快RH到達(dá)目標(biāo)值的速度，在RH偏差大于3%時(shí)，設(shè)置加/除濕氣泵滿功率運(yùn)行。

表1 模糊控制策略Table1 Fuzzy control strategy.

3 主要性能測(cè)試與討論

3.1 控濕腔內(nèi)溫度變化對(duì)RH的影響

在裝置控濕過程中隨機(jī)抽取幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)控濕腔內(nèi)的溫、濕度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表2所示。

表2 控濕腔內(nèi)濕度控制過程中的溫度變化Table2 Temperature changes in the chamber during the RH controlling.

從表2可知，在263 min內(nèi)，RH發(fā)生大跨度的變化，而溫度變化的最大值僅為0.5 °C。由不同溫度下純水的飽和蒸汽壓計(jì)算公式：PW=610.7× 107.5T/(T+237.3)可知[9-10]，由于溫度變化，RH會(huì)產(chǎn)生的相對(duì)誤差最大為2.3%?？紤]到控濕腔內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化比較緩慢，可以忽略溫度對(duì)RH控制的影響。

3.2 RH恒值穩(wěn)定控制

RH穩(wěn)定控制目標(biāo)為：RH可以穩(wěn)定在20%-100%之間任意值，波動(dòng)在±1.0% RH。將除濕氣泵關(guān)閉，加濕氣泵滿功率運(yùn)行，實(shí)測(cè)RH最大可達(dá)到94%（圖2）。RH未能達(dá)到100%的主要原因有：測(cè)試用水里面含有微量無機(jī)鹽，從理論上限制了RH達(dá)到100%；裝置主要用于提供在線實(shí)驗(yàn)樣品濕度環(huán)境，為方便更換樣品，其氣密性要求較低，干、濕空氣通道存在微量氣漏；此外濕度過高，傳感器的測(cè)量精度會(huì)進(jìn)一步下降，也會(huì)影響控制效果。

圖2 最大加濕功率下RH的變化Fig.2 RH change using maximum humidification power.

隨機(jī)選取RH為21%、33%、44%、53%、64%、76%和88%共7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行控制測(cè)試（圖3）。

圖3 RH穩(wěn)定在不同值時(shí)隨時(shí)間變化曲線Fig.3 RH change with time when it is held on different values.

圖4 均勻加濕時(shí)RH變化情況(a)和與目標(biāo)值的偏差(b)Fig.4 RH change (a) and deviation from RH control (b) when it is increased at a constant speed.

可以看出，RH在80%以下時(shí)，系統(tǒng)可以在60 s內(nèi)達(dá)到目標(biāo)穩(wěn)定值；濕度較高時(shí)（例如88%），達(dá)到目標(biāo)穩(wěn)定值的時(shí)間加長(zhǎng)至180 s。除了RH值為21%和53%時(shí)波動(dòng)較大(＞1%)之外，在其余RH值時(shí)波動(dòng)在±1.0%之間。結(jié)果表明，裝置系統(tǒng)對(duì)固定RH的恒值控制較為穩(wěn)定，并且達(dá)到目標(biāo)控制值所需時(shí)間較短（3 min以內(nèi)）。

3.3 RH均勻上升控制

RH均勻上升控制測(cè)試從20%開始，以0.5%·min-1的速度上升至90%（圖4）。從圖4(a)可知，RH整體變化趨勢(shì)與目標(biāo)曲線一致，但從圖4(b)的細(xì)節(jié)上可以看出，實(shí)際濕度圍繞著目標(biāo)曲線發(fā)生劇烈的震蕩，在RH為中等大小時(shí)這種現(xiàn)象尤為明顯。從偏差的數(shù)值上看，0-2000 s (21.0%-36.3% RH)，偏差穩(wěn)定在-1.8%-0.5%，2000-5000 s (36.3%-61.1% RH)期間，偏差達(dá)到-2.5%-0.5%，5000-8000 s (61.1%-86.5% RH)，偏差達(dá)到-2%-0%，8000 s (RH＞86.5%)以后，偏差達(dá)到-1.5%-0.5%。

從圖4(b)還可以看出，RH動(dòng)態(tài)值與目標(biāo)值相比有相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)性差值，約為-1%，此時(shí)，RH總體在±1.5%范圍內(nèi)波動(dòng)。從RH均勻下降的控制測(cè)試中也可以看到類似的現(xiàn)象，與目標(biāo)值相比，實(shí)際值系統(tǒng)性的偏小，這表明在RH控制時(shí)，同樣轉(zhuǎn)速的加濕氣泵和除濕氣泵，除濕氣泵的作用更大。

3.4 RH均勻下降控制

RH均勻下降控制從90%開始，以-0.5%·min-1的速度下降至20%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)可知，RH整體變化趨勢(shì)與目標(biāo)曲線一致。但從圖5(b)的細(xì)節(jié)上可以看出，實(shí)際RH圍繞著目標(biāo)曲線發(fā)生劇烈的震蕩，在RH較低時(shí)這種現(xiàn)象尤為明顯。從偏差的數(shù)值上看，0-3000 s (86.1%-63.5% RH)，偏差穩(wěn)定在-1%-0.5%，3000-5000 s (63.5%-47.5% RH)期間，偏差達(dá)到-1.5%-1.5%，5000-7500 s (47.5%-26.1% RH)，偏差達(dá)到-1%-1.5%，7500 s (RH＜26.1%)以后，偏差達(dá)到-1.5%-1%。整體來看，偏差在-1%-1%之間，某些時(shí)刻可以達(dá)到-1.5%-1.5%。從圖5(b)可知，在某些RH范圍段，偏差較小。這表明不同RH的情況下控制策略可以做出一些局部微調(diào)以達(dá)到最佳控制效果。例如，RH偏高(＞80%)或偏低(＜30%)時(shí)，可將“偏高”、“較高”、“極高”的分類標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間進(jìn)一步擴(kuò)大以減小震蕩。

圖5 均勻除濕時(shí)RH隨時(shí)間變化情況(a)和與目標(biāo)值的偏差(b)Fig.5 RH change (a) and deviation from RH control (b) when it is decreased at a constant speed.

3.5 RH控制工作模式切換

RH控制有三種工作模式：穩(wěn)定速度上升、固定在設(shè)定值和穩(wěn)定速度下降。裝置系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過單片機(jī)的復(fù)位進(jìn)行重新設(shè)置，從而選取RH控制的工作模式，具有很大的靈活性。上升和下降速度也可以根據(jù)需要通過改變?cè)O(shè)定值而靈活選用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研制了一套可以加載到同步輻射線站上的小型數(shù)控式RH控制裝置。該裝置能將RH控制在20%-94%，誤差在±1.0%；能以穩(wěn)定速率（實(shí)測(cè)時(shí)選取為0.5%·min-1）控制RH從20%穩(wěn)定上升至90%，或從90%穩(wěn)定下降至20%，誤差為±1.5%。裝置工作時(shí)溫度變化小于0.5 °C，對(duì)RH的影響可以忽略。該裝置可以在RH上升、固定和下降模式之間靈活切換；連續(xù)工作時(shí)間可維持在3 h以上，控制數(shù)據(jù)可以動(dòng)態(tài)顯示和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；具有較好的準(zhǔn)確性、靈活性和可靠性。本裝置可滿足同步輻射在線實(shí)驗(yàn)對(duì)濕度進(jìn)行精確控制的多種需求。

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An NC-type relative humidity control device for in-situ experiments

ZENG Jianrong1WANG Shouzhi2CAO Lingling3LI Yan1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
3(School of Electronic Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China)

Background:Relative humidity (RH) is one of the key environmental parameters in many experimental processes, and RH control is particularly important for in-situ synchrotron radiation experiments. However, there is no suitable commercial RH control equipment available for such experiments. Purpose: Based on the dynamic control of microcontroller, this study aims to develop an integrated set of numerically controlled (NC) RH control device, which can be conveniently loaded on the synchrotron radiation end-stations. Methods: A moisture channel and another dry air channel are connected to the sample chamber for humidification and dehumidification respectively. The dynamic equilibrium of RH at various values is controlled by the microcontroller using a fuzzy algorithm. Results: This device can hold the RH with an error of ±1.0% at any set value from 20% to 94%. It also can increase the RH from 20% to 90% and decrease the RH from 90% to 20% with an error of ±1.5% at a constant speed. Conclusion: This device can provide RH controlling environment with three switchable operation modes including RH holding, increasing and decreasing. It can meet various requirements of humidity control in kinds of synchrotron radiation in-situ experiments.

Synchrotron radiation, Relative humidity, Numerical control

ZENG Jianrong, male, born in 1985, graduated from University of Chinese Academy of Sciences with a doctoral degree in 2013, focusing on

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.010103

No.11305242)資助

曾建榮，男，1985年出生，2013年于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)獲博士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)橥捷椛浼夹g(shù)及其應(yīng)用

2016-11-07，

2016-12-21

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11305242)

synchrotron radiation and its application, E-mail: zengjianrong@sinap.ac.cn

Received date: 2016-11-07, accepted date: 2016-12-21