陳路安

（四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院，四川 成都 610225）

隨著野（室）外工程大量實施，臨時性機房不斷增多，企業(yè)針對臨時性機房及數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)的需求不斷增加。模擬、分析簡單的溫度控制技術(shù)，對于組建簡陋的臨時性的能解決實際散熱問題的系統(tǒng)具有更為重要的現(xiàn)實意義。本文針對紹興紡織機械集團有限公司臨時機房進行了散熱場景的簡化和模擬，并設(shè)計了一個由電阻式溫度檢測器、紅外傳感器等部分相結(jié)合的系統(tǒng)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)可以通過實時檢測被測區(qū)域的溫度變化來控制冷卻所用風(fēng)扇的輸出功率，從而達到控制散熱的要求。該系統(tǒng)組成簡易，應(yīng)用性好；又兼具檢測被測區(qū)域人員存在的功能，可以根據(jù)人員的進出調(diào)整散熱功率，進一步提升了系統(tǒng)的智能性。

1 系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)以新建車間臨時機房為現(xiàn)實場景，散熱部分簡化為僅靠一個風(fēng)扇來進行空氣流通交換，控制部分和各個傳感器主要基于LabVIEW 程序和NI ELVIS III 模型板。整個系統(tǒng)通過獲取被測區(qū)域溫度變化數(shù)據(jù)和人員進出數(shù)據(jù)來控制風(fēng)扇功率。實際散熱部分為一個連接電機的風(fēng)扇，被測區(qū)域以及其溫度的變化則通過燒杯和其中盛放的一定溫度的水來模擬。風(fēng)扇需要在被測區(qū)域溫度大于某閾值時被啟動；在溫度持續(xù)上升時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需相應(yīng)增加，直至溫度上升到某設(shè)定溫度時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達到最大；此外，當(dāng)檢測到有人員接近測試區(qū)域時，散熱風(fēng)扇需要全功率工作，以保障該區(qū)域的溫度降至足以供人使用。

搭載面包板插接器的NI ELVIS III 模型板以及其它常用的用戶外圍設(shè)備如圖1 所示。板上后續(xù)搭載電阻溫度檢測器（RTD）、紅外光電傳感器、三極管等部件。

圖1 NI ELVIS III 原型板

首先，溫度檢測功能由電阻式溫度檢測器（RTD）實現(xiàn)。RTD 主要利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化而變化的原理。系統(tǒng)采用PT 100 RTD，其穩(wěn)定性和精確性較好。PT 100 RTD 部件會將阻抗的變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，系統(tǒng)進一步根據(jù)電壓變化來獲得被測區(qū)域溫度變化的數(shù)據(jù)。其次，人員檢測功能由紅外光電傳感器實現(xiàn)。當(dāng)檢測到有物體進入檢測區(qū)域時，傳感器輸出電壓變化，系統(tǒng)進而可以通過測量電壓變化來判斷被測區(qū)域是否有人員進入。最后，三極管則將弱信號放大成振幅較大的電信號來控制電機的轉(zhuǎn)動。相關(guān)部件的線路連接如圖2 所示，其中取值一般為R1=510,R2=25KΩ,R3=1KΩ,R4=510Ω。

圖2 紅外傳感器與三極管

2 軟件部分原理

該系統(tǒng)的主要程序流程如圖3 所示。數(shù)據(jù)處理主要包括對RTD 讀數(shù)的處理和對紅外光電傳感器讀數(shù)的處理。RTD 的電壓讀數(shù)和被測區(qū)域的溫度可看作線性關(guān)系，故電壓讀數(shù)可被簡單地轉(zhuǎn)化為溫度讀數(shù)，而后被進一步轉(zhuǎn)化為PWM 輸入信號。紅外光電傳感器的讀數(shù)在該系統(tǒng)中被轉(zhuǎn)化為0 和1 的信號，這一轉(zhuǎn)化可以簡單地通過設(shè)定邏輯結(jié)構(gòu)的觸發(fā)閾值來實現(xiàn)。兩部分信號疊加后輸入PWM 模塊。PWM 模塊會使用高分辨率計數(shù)器來調(diào)制輸出方波的占空比。當(dāng)輸入PWM 的數(shù)值小于0 時，占空比為0；當(dāng)輸入數(shù)值大于1 時，占空比為1；輸入數(shù)值由0 增加到1的過程中，占空比也對應(yīng)增加。PWM 基于該原理實現(xiàn)對電機功率的控制。上述過程對應(yīng)的LabVIEW 主程序圖及現(xiàn)實界面如圖4 所示（程序中5 個參數(shù)需要經(jīng)過校準）。

圖3 程序流程

圖4 LabVIEW 主程序與顯示界面

3 系統(tǒng)測試

第一，對RTD 讀數(shù)進行校準，其目的為得到RTD 電壓和被測區(qū)溫度的線性轉(zhuǎn)化函數(shù)。校準具體過程為將RTD 探頭浸沒在熱水中，在冷卻過程中記錄下若干個離散的電壓-溫度點，而后將得到的數(shù)據(jù)進行擬合，并將擬合參數(shù)輸入程序。例如，某次校準所得的若干離散電壓-溫度數(shù)據(jù)點以及擬合的線性方程如圖5 所示，擬合曲線方程為T=67.85V-52.41。其中，T 為實際測得溫度，V 為RTD 的電壓讀數(shù)。故將擬合參數(shù)67.85 和-52.41輸入程序，完成RTD 讀數(shù)的校準。

圖5 測得的RTD 電壓與溫度數(shù)據(jù)及擬合曲線

第二，設(shè)定紅外傳感器對應(yīng)程序部分的觸發(fā)閾值。例如，某次實驗觀察到無人阻擋時的紅外傳感器讀數(shù)在4.6 左右；有人員在檢測區(qū)域阻擋紅外傳感器時，讀數(shù)為1.8 左右，故選定觸發(fā)閾值為3.0，將其輸入程序，完成對紅外傳感器對應(yīng)程序觸發(fā)閾值的設(shè)定。

第三，設(shè)置PWM 模塊的輸入。在本次測試中假定在被測區(qū)域溫度高于33℃時啟動風(fēng)扇；溫度持續(xù)上升，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，直至溫度上升到45℃時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達到最大。故將溫度數(shù)據(jù)再做一次線性轉(zhuǎn)化，使33℃到45℃對應(yīng)成0 到1。該步驟的轉(zhuǎn)化參數(shù)需經(jīng)過不斷微調(diào)后輸入程序，使風(fēng)扇得以在33℃時恰好啟動。

第四，綜合測試該系統(tǒng)，接通NI ELVIS III 模型板電源，運行LabVIEW 程序。初始化完成后，RTD 指示燈亮起，同時LabVIEW 顯示界面出現(xiàn)被測區(qū)域溫度讀數(shù)。提高被測區(qū)域溫度，當(dāng)溫度讀數(shù)達到33℃時，風(fēng)扇恰好開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速隨溫度上升而逐漸提高，溫度高于45℃后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速保持最大。當(dāng)風(fēng)扇處于非最大輸出狀態(tài)時，人員靠近被測區(qū)域并用身體遮擋紅外光電傳感器，風(fēng)扇立即響應(yīng)，轉(zhuǎn)速提升至最高，同時LabVIEW 顯示界面的提示燈亮起。

4 測試分析

經(jīng)多次測試表明系統(tǒng)正常運行，并滿足所有的測試要求。系統(tǒng)溫度檢測讀數(shù)誤差經(jīng)過驗證小于±4%；風(fēng)扇的響應(yīng)較為精確，在規(guī)定溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速控制良好，變化平緩，系統(tǒng)的人員檢測功能響應(yīng)也較快?？傮w而言，該系統(tǒng)組成原理簡易，可以被廣泛地應(yīng)用于其它臨時性、濕度要求不高的散熱場景，通過改變電機輸出倍率或是根據(jù)實際需求加裝RTD 與紅外傳感器部件從而滿足基本的散熱需求。

但在檢測時觀察到，RTD 部分對于PWM 模塊可能存在一定程度的干擾，即會影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速平緩變化的功能。該問題可以通過把RTD 部分搭載在和其余模塊不同的區(qū)域解決，比如，測試中將RTD 部分搭載于NI ELVIS III 模型板的B 區(qū)，而將其余部件搭載于NI ELVIS III 模型板的A 區(qū)。另外，經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)，紅外傳感器的讀數(shù)在不同測試中存在差異，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保證系統(tǒng)有效運行，需在每次運行前對紅外傳感器部分的觸發(fā)閾值進行校準。初步猜測該問題的存在可能與測試環(huán)境的濕度、溫度等條件變化有關(guān)，后續(xù)的改進實驗可以進一步研究分析該問題產(chǎn)生原因，以優(yōu)化系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。