謝 檬,令 灝,王鑫朋
(西安交通大學(xué)城市學(xué)院,西安 710018)
隨著全球人口急速的遞增,能源的消耗是非常巨大的,社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的使用需求日益增多,而能源的增長(zhǎng)量是有限的,能源消耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于能源增長(zhǎng)速度。利用無限再生的能源來代替其它再生速度慢及不可再生能源是至關(guān)重要的,太陽能是無限再生的能源之一[1-5]。國(guó)外的大多數(shù)研究都是以將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能的形式進(jìn)行制冷為研究的主要方向,眾多的吸附式太陽能系統(tǒng)中采用太陽能集熱器來吸收太陽能并轉(zhuǎn)換為熱能[6-8]。目前可實(shí)現(xiàn)用小面積的集熱器產(chǎn)生比較大的制冷量,以及使得真空管集熱器來制冷,以降低產(chǎn)品成本,為未來的太陽能制冷系統(tǒng)的普及建立良好的技術(shù)支持[9-13]。國(guó)內(nèi)太陽能制冷系統(tǒng)大多數(shù)采用將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,為傳統(tǒng)空調(diào)供電的形式來進(jìn)行制冷。由于太陽能轉(zhuǎn)化為電能過程所轉(zhuǎn)化的電能是非常有限的,經(jīng)常出現(xiàn)供電不足,乃至實(shí)時(shí)供電的電量無法帶動(dòng)功率較大制冷空調(diào)的情況。假若需要產(chǎn)生足夠的電量,則需要有巨大面積的場(chǎng)地來安裝太陽能集熱器為空調(diào)供電[14-16]。
目前市面上太陽能制冷的設(shè)備特別少見,有的利用傳統(tǒng)的發(fā)電方式來使用普通用電空調(diào),主要原因是太陽能制冷技術(shù)的不成熟[17]。最直接原因是效率低和經(jīng)濟(jì)性較差兩大原因[18-19]。本文設(shè)計(jì)的太陽能制冷監(jiān)控系統(tǒng)可以直觀地監(jiān)測(cè)工作環(huán)境的溫度和濕度的實(shí)時(shí)變化,同時(shí)控制制冷設(shè)備開啟或關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[20]。本文所設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的太陽能制冷監(jiān)控系統(tǒng),選用STM32F105單片機(jī)作為主控芯片完成數(shù)據(jù)的采集功能。上位機(jī)設(shè)計(jì)是基于LabVIEW搭建的虛擬太陽能制冷監(jiān)控系統(tǒng),通過串口通信的方式與下位機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境中溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)控制和報(bào)警等功能。
制冷監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成,下位機(jī)即硬件部分,完成采集處理數(shù)據(jù)和控制的功能。上位機(jī)則接收下位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)和控制下位機(jī)對(duì)受控裝置的開關(guān)。
監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,硬件電路主要由溫濕度傳感器、單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口電路和受控裝置電路四大部分組成。
圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
溫濕度傳感器用來檢測(cè)環(huán)境中的溫度和濕度,并產(chǎn)生電信號(hào),單片機(jī)用于對(duì)溫濕度的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和分析。通過串口將所處理數(shù)據(jù)以串口通信的方式送給LabVIEW上位機(jī),通過上位機(jī)對(duì)所進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示,閾值的設(shè)置,并將接收的溫濕度數(shù)據(jù)與所設(shè)閾值進(jìn)行比較判斷后,將所判斷后的結(jié)果發(fā)送給單片機(jī),單片機(jī)處理后對(duì)受控裝置進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作指示,同時(shí)上位機(jī)自動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警。硬件設(shè)計(jì)中受控裝置為制冷壓縮機(jī)、干燥機(jī)和加濕機(jī),在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用LED發(fā)光二極管來代替。
受控裝置電路是硬件電路中進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)控制功能重要電路,設(shè)計(jì)采用并聯(lián)的四路電路,前兩路連接的是制冷壓縮機(jī)的增壓與減壓功能,太陽能利用熱轉(zhuǎn)換的方式將熱能儲(chǔ)存于壓縮機(jī)之中,當(dāng)制冷壓縮機(jī)增壓時(shí)將熱能從低壓環(huán)境排放于高溫環(huán)境之中時(shí)實(shí)現(xiàn)了制冷的功能;若制冷壓縮機(jī)減壓則停止對(duì)熱能的能量轉(zhuǎn)換同時(shí)將熱能排放于外界環(huán)境中釋放了暖風(fēng),實(shí)現(xiàn)了加熱的功能。另外兩路分別連接干燥機(jī)和加濕機(jī)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出制冷/加熱/干燥/加濕的信號(hào)時(shí)將會(huì)對(duì)相應(yīng)的功能器件啟動(dòng)工作,實(shí)現(xiàn)環(huán)境中溫濕度的控制功能。
在實(shí)際硬件設(shè)計(jì)中采用高亮10 mm的發(fā)光二極管代替溫度控制中的制冷壓縮機(jī)的制冷、加熱功能和濕度控制中的干燥機(jī)及加濕機(jī)的干燥、加濕功能。當(dāng)二極管燈亮?xí)r代表對(duì)應(yīng)的功能器件啟動(dòng)工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)中為了保護(hù)二極管被擊穿在每個(gè)二極管正極前串聯(lián)了保護(hù)電阻。
制冷監(jiān)控系統(tǒng)中上位機(jī)完成接收下位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)和控制下位機(jī)對(duì)受控裝置的開關(guān)。本設(shè)計(jì)選用LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)的設(shè)計(jì),所設(shè)計(jì)上位機(jī)具有數(shù)據(jù)保護(hù)、檢測(cè)、控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能,方便了用戶的使用。
太陽能制冷監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是由LabVIEW上位機(jī)及計(jì)算機(jī)針對(duì)下位機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序來完成的。太陽能制冷監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)程序流程圖如圖2所示,下位機(jī)的程序流程自上而下依次為系統(tǒng)初始化、傳感器響應(yīng)、采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī),受控裝置響應(yīng)。
圖2 下位機(jī)程序流程圖 圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程圖
由于所使用的DHT11傳感器已經(jīng)集成了A/D轉(zhuǎn)換,所以在下位機(jī)的流程中傳感器響應(yīng)之后直接將溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并送入單片機(jī)。初始化是對(duì)傳感器及各個(gè)電子元器件的預(yù)熱,在上電之后,傳感器不斷響應(yīng),響應(yīng)預(yù)熱之后才可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。傳感器工作后直接將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,單片機(jī)采集傳感器輸出的數(shù)字信號(hào),單片機(jī)把接收到的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化向上位機(jī)發(fā)送處理過后的數(shù)字量,上位機(jī)將判斷后的指令發(fā)送給單片機(jī),由單片機(jī)對(duì)該指令進(jìn)行處理后對(duì)受控裝置進(jìn)行控制,受控裝置受到單片機(jī)的控制進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng),如制冷壓縮機(jī)、干燥機(jī)及加濕機(jī)工作的啟停。
監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)的主程序流程圖如圖3所示,程序流程主要由讀取數(shù)據(jù)、處理溫濕度數(shù)據(jù)、結(jié)果顯示、判斷溫濕度范圍、發(fā)送控制指令等流程組成。
讀取數(shù)據(jù)所讀取的是所采集到的溫濕度數(shù)據(jù),將其與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所定義的預(yù)期值進(jìn)行比對(duì),顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。對(duì)下位機(jī)發(fā)送控制指令信號(hào),若受控裝置的控制器件工作,則上位機(jī)所對(duì)應(yīng)的指示燈亮,制冷壓縮機(jī)增壓、制冷壓縮機(jī)減壓、干燥機(jī)和加濕機(jī)分別對(duì)應(yīng)綠燈、紅燈、黃燈和藍(lán)燈。通過設(shè)定被測(cè)量的上限線就可以控制環(huán)境中的溫濕度。
溫濕度控制及報(bào)警子程序流程圖如圖4所示。
圖4 溫濕度控制及報(bào)警子程序流程圖
溫濕度控制及報(bào)警子程序設(shè)計(jì)是在主程序運(yùn)行后開始進(jìn)行的,首先將所接收的溫濕度值在上位機(jī)前面板進(jìn)行波形及數(shù)據(jù)的顯示,顯示之后根據(jù)用戶的需求設(shè)定所需的溫濕度上限和下限,緊接著對(duì)所接收的溫濕度數(shù)據(jù)與設(shè)定溫濕度上限進(jìn)行比較,若溫濕度數(shù)據(jù)大于等于設(shè)定上限時(shí),布爾指示燈顯示溫濕度過高報(bào)警報(bào)警,發(fā)送制冷指令給下位機(jī);反之溫度小于設(shè)定上限時(shí)再對(duì)接收的數(shù)據(jù)判斷是否在設(shè)定的溫濕度上下限范圍之內(nèi),若在范圍內(nèi)時(shí)不發(fā)送任何指令,不在范圍內(nèi)時(shí),溫濕度過低報(bào)警,發(fā)送加熱指令給下位機(jī),給下位機(jī)發(fā)送完指令及不發(fā)送指令結(jié)束后均返回到波形、數(shù)據(jù)顯示繼續(xù)運(yùn)行程序流程。
監(jiān)控系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)為3個(gè)子面板:登錄界面子面板、觀測(cè)界面子面板和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子面板。
登錄界面子面板如圖5所示,主要是為了保護(hù)用戶的數(shù)據(jù)及防止他人的不規(guī)范操作導(dǎo)致意外發(fā)生。
圖5 登錄界面子面板
觀測(cè)界面子面板如圖6所示,包括串口配置模塊、系統(tǒng)控制模塊、報(bào)警及自動(dòng)控制模塊和波形顯示模塊。
圖6 觀測(cè)界面子面板
1)串口配置模塊:
串口配置模塊用來與下位機(jī)通信時(shí)端口選擇及各參數(shù)的設(shè)置,在串口選擇中設(shè)置了兩個(gè)端口COM2、COM3以供選擇,啟動(dòng)上位機(jī)后將會(huì)對(duì)這些端口默認(rèn)選擇為COM2端口,接受數(shù)據(jù)由于還沒開始接受不進(jìn)行顯示,停止位默認(rèn)為1,波特率按照波特率所能設(shè)定的最小值2 400,停止位默認(rèn)為10,超時(shí)默認(rèn)為10 000。
2)系統(tǒng)控制模塊:
該模塊使用字符串輸出控件作為當(dāng)前時(shí)間的顯示,布爾按鈕控制系統(tǒng)執(zhí)行開啟監(jiān)控、停止監(jiān)控和退出系統(tǒng)的功能,并顯示工作時(shí)所發(fā)送的各個(gè)指令。
3)報(bào)警及自動(dòng)控制模塊:
報(bào)警及自動(dòng)控制模塊完成對(duì)環(huán)境溫濕度的控制。布爾報(bào)警燈用來顯示報(bào)警,設(shè)置綠色報(bào)警燈為制冷指示、紅色報(bào)警燈為加熱指示、紫色報(bào)警燈為加濕指示、黃色報(bào)警燈為干燥指示。
溫度過高時(shí)布爾燈顯示為綠色,此時(shí)開始制冷工作;溫度過低時(shí)布爾指示燈顯示為紅色,此時(shí)開始加熱工作。用以設(shè)定溫度上下限的滑動(dòng)桿及溫度計(jì)的控制和顯示范圍均為0~50 ℃,溫度計(jì)和滑動(dòng)桿均設(shè)計(jì)為5個(gè)刻度,每個(gè)刻度為10 ℃。溫度在設(shè)定上限及下限時(shí)在滑動(dòng)桿的旁邊會(huì)顯示其設(shè)定的值,所設(shè)定的值可精確到小數(shù)點(diǎn)后1位。
濕度過低時(shí)布爾指示燈顯示為黃色,此時(shí)開始加濕工作。當(dāng)濕度過高時(shí)布爾燈顯示為紫色,此時(shí)開始干燥工作。濕度上下限的滑動(dòng)桿及濕度計(jì)的控制和顯示范圍均為0~100%RH,濕度計(jì)和滑動(dòng)桿均設(shè)計(jì)為5個(gè)刻度,每個(gè)刻度為10%RH。濕度在設(shè)定上限及下限時(shí)在滑動(dòng)桿的旁邊會(huì)顯示其設(shè)定的值,所設(shè)定的值可精確到小數(shù)點(diǎn)后1位。
4)波形顯示模塊:
波形顯示模塊采用兩個(gè)波形圖分別顯示溫度和濕度的變化曲線,同時(shí),在波形圖右上角數(shù)字顯示實(shí)時(shí)溫度和實(shí)時(shí)濕度。
波形圖的橫軸為實(shí)時(shí)時(shí)間,分為5個(gè)時(shí)間間隔,在波形顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)過程中橫軸的時(shí)間將會(huì)隨著時(shí)間的改變而更新,圖中由于未啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)未更新,所以顯示的時(shí)間為默認(rèn)的時(shí)間,顯示的時(shí)間可具體到年、月、日、時(shí)、分、秒,甚至精確到毫秒為時(shí)間單位,可顯示5秒的實(shí)時(shí)波形曲線。所顯示的實(shí)時(shí)溫度的數(shù)值為小數(shù)點(diǎn)后1位,濕度的數(shù)值為整數(shù)位,溫度波形曲線為黃色曲線,濕度波形曲線為藍(lán)色曲線。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子面板如圖7所示,包括溫濕度實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)記錄表和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表。
圖7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子面板
1)溫濕度實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)記錄表:
數(shù)據(jù)記錄波形圖表主要完成對(duì)溫濕度的波形圖進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示溫濕度的實(shí)時(shí)波形、觀測(cè)面板設(shè)置的上下限波形以及導(dǎo)出歷史波形曲線圖。溫濕度記錄波形圖表的溫度和濕度縱軸設(shè)定范圍分別為0~50 ℃、0~100%RH,橫軸均設(shè)定為12個(gè)時(shí)間間隔,可顯示兩分鐘的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定上下限的對(duì)比波形圖。
2)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表:
歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表將采集到的數(shù)據(jù)記錄在Express表中,Express表設(shè)置了三列,分別為序號(hào)、溫度值和濕度值,可在記錄過程中顯示29列的溫度和濕度的值。設(shè)計(jì)中利用兩個(gè)布爾控件作為開始記錄和結(jié)束記錄的按鈕,利用方形布爾燈來顯示記錄是否開啟,若開啟記錄則燈亮,反之燈滅。右上角顯示記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件名為“數(shù)據(jù).xls”,使得初次操作的用戶可以找到儲(chǔ)存的文件。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能測(cè)試選擇西安市五月某天早晨9點(diǎn),下午2點(diǎn),晚上10點(diǎn)這3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)來采集室內(nèi)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。串口配置為COM2、停止位為1、波特率為2 400、終止位為10、超時(shí)為10 000。
早晨9的觀測(cè)界面如圖8所示,此時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間為20年5月15日09時(shí)02分18秒;設(shè)置的溫度范圍為20.0~30.0 ℃,濕度范圍為25.0%~60.0%RH;采集的溫度數(shù)據(jù)為28.5 ℃,濕度數(shù)據(jù)為69%RH。在波形圖中顯示的5s時(shí)間間隔中溫度實(shí)時(shí)波形保持在28.0 ℃左右的范圍內(nèi),濕度實(shí)時(shí)波形在65%~70%RH的范圍內(nèi)。
圖8 早晨6點(diǎn)觀測(cè)界面
此時(shí)濕度高于設(shè)定范圍,黃燈開始報(bào)警,上位機(jī)發(fā)送干燥指令FF,干燥機(jī)處于工作狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果與早晨室內(nèi)環(huán)境溫度相對(duì)較低、空氣濕度較高的情況相一致。
下午2點(diǎn)的觀測(cè)界面如圖9所示,此時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間為20年5月15日02時(shí)04分24秒;設(shè)置的溫度范圍為20.0~30.0 ℃,濕度范圍為25.0%~60.0%RH;采集的溫度數(shù)據(jù)為37.0 ℃,濕度數(shù)據(jù)為24%RH。在波形圖中顯示的5 s時(shí)間間隔中溫度實(shí)時(shí)波形保持在37.0 ℃左右的范圍內(nèi),濕度實(shí)時(shí)波形在24%RH左右的范圍內(nèi)。
圖9 下午2點(diǎn)觀測(cè)界面
此時(shí)溫度高于設(shè)定范圍,綠燈開始報(bào)警,上位機(jī)發(fā)送制冷指令FD,制冷壓縮機(jī)處于工作增壓工作狀態(tài);濕度低于設(shè)定范圍,紫燈開始報(bào)警,上位機(jī)發(fā)送加濕指令F9,加濕機(jī)處于工作狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果與下午室內(nèi)環(huán)境溫度高,濕度較低的情況相一致。
晚上10點(diǎn)的觀測(cè)界面如圖10所示,此時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間為20年5月15日10時(shí)00分28秒;設(shè)置的溫度范圍為20.0~30.0 ℃,濕度范圍為25.0~60.0%RH;采集的溫度數(shù)據(jù)為27.8 ℃,濕度數(shù)據(jù)為41%RH。在波形圖中顯示的5s時(shí)間間隔中溫度實(shí)時(shí)波形保持在28.0 ℃左右的范圍內(nèi),濕度實(shí)時(shí)波形在41%RH左右的范圍內(nèi)。
圖10 晚上10點(diǎn)觀測(cè)界面
此時(shí)溫度和濕度均處于所設(shè)定范圍內(nèi),所有報(bào)警燈都未報(bào)警,所有控制器件均處于關(guān)閉狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果與晚上室內(nèi)環(huán)境溫濕度度適宜的情況相一致。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試界面如圖11所示,點(diǎn)擊開始記錄后正常記錄數(shù)據(jù),綠色工作狀態(tài)燈點(diǎn)亮。設(shè)定溫度范圍:20.0~30.0 ℃;濕度范圍:25%~60%RH。歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表顯示采集的29組數(shù)據(jù),最后1組數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面各項(xiàng)功能工作正常。
圖11 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試界面
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)型溫濕度計(jì)所測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)為標(biāo)稱值,采集溫度為0.0 ℃、10.0 ℃、20.0 ℃、30.0 ℃、40.0 ℃、50.0 ℃;濕度為20%RH、40%RH、60%RH、80%RH、90%RH、95%RH。
根據(jù)相對(duì)誤差公式:
(1)
式中,δ為相對(duì)誤差,ΔA為絕對(duì)誤差,L為真值,計(jì)算出系統(tǒng)的誤差,見表1。
表1 數(shù)據(jù)記錄及相對(duì)誤差表
1)溫度相對(duì)誤差:
由表1所得的溫度相對(duì)誤差擬合曲線如圖12所示,溫度相對(duì)誤差曲線較為平緩,誤差保持在0.25%左右,說明數(shù)據(jù)的可信程度相對(duì)較高。
圖12 溫度相對(duì)誤差擬合曲線
2)濕度相對(duì)誤差:
濕度相對(duì)誤差擬合曲線如圖13所示,濕度相對(duì)誤差曲線波動(dòng)大,相對(duì)誤差最低為0.00%,最高可達(dá)0.35%,濕度數(shù)據(jù)可信程度不一致,有些測(cè)量數(shù)據(jù)可信度高,有些測(cè)量數(shù)據(jù)可信度較低。
圖13 濕度相對(duì)誤差擬合曲線
3)儀表精度及等級(jí)分析:
由所測(cè)數(shù)據(jù)可得,溫度的最大絕對(duì)誤差為0.13 ℃,濕度的最大絕對(duì)誤差為0.3%RH,計(jì)算精度等級(jí)公式見式(2)。
ΔA=±α*Am%
(2)
式中,ΔA為絕對(duì)誤差,Am為儀表量程,a為精度。
溫度測(cè)量?jī)x精度為0.26%,準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5,分辨力為0.1 ℃;濕度測(cè)量?jī)x精度為0.4%,精確度等級(jí)為0.5,分辨力為1%RH。
本文所設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的太陽能制冷監(jiān)控系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能制冷過程中環(huán)境的溫度和濕度變化,上位機(jī)采用LabVIEW搭建監(jiān)控平臺(tái),包括登錄界面、監(jiān)測(cè)界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面,可以完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)控制和報(bào)警等功能。系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試,溫度測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5,分辨力為0.1 ℃;濕度測(cè)量的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5,分辨力為1%RH,初步具備太陽能制冷監(jiān)控的實(shí)用功能,方便了人們的生活。