新風機智能控制器的設計

王冀龍 蔡滿軍

(燕山大學河北計算機工業控制重點實驗室,河北 秦皇島 066004)

新風機智能控制器的設計

王冀龍 蔡滿軍

(燕山大學河北計算機工業控制重點實驗室,河北 秦皇島 066004)

針對當前空氣污染形勢嚴峻、室內空氣品質低下的問題,設計了適用于新風機的嵌入式控制系統。系統應用傳感器技術、信號采集技術、液晶顯示技術和電機模糊控制技術等,實現了對室內空氣質量的高精度自動控制。經實驗室測試和實際運行證明,該控制器具有操作方便、性能穩定、節能效果明顯等優點。

新風機 室內空氣質量 模糊控制 智能控制器 嵌入式控制系統

0 引言

當前,世界空氣污染問題形勢嚴峻,室內揮發性有機物污染(volatile organic compounds,VOCs)造成室內空氣品質低下,嚴重危害人類健康[1-3]。隨著人們對室內空氣品質的關注,國內外學者對新風系統進行了大量研究[4-6]。為了提高新風系統的工作效率,實現節能減排,新風機控制器成為必不可少的器件[7]。本文所介紹的是一款以ATmega3290單片機為控制芯片的新風機控制器,可應用于辦公室、實驗室,尤其適用于民眾居室的空氣品質檢測及調節。

1 系統功能分析

本控制系統為用戶提供自動和手動兩種工作模式。當系統運行在手動模式下時,可以通過按鍵設置系統工作狀態,得到相應的通風強度、熱交換方式和除塵模式。當系統運行在自動模式下時,系統根據VOCs濃度與用戶預設值偏差,調節風機的轉速,達到對室內新風量控制的目的;通過對室內外微塵濃度的比較,自動選擇除塵模式;通過對室內外溫度的比較,自動選擇熱交換方式;根據室內人員活動情況,自動執行新風機的關機操作。系統設有日期和時間顯示功能,并具有空氣質量嚴重超標自動報警功能。

2 系統硬件總體設計

根據系統功能分析,控制系統硬件由核心處理器、TGS2600空氣質量傳感器、NTC熱敏電阻、GP2Y1010AU0F微塵傳感器、RE200B熱釋紅外傳感器、放大與整形電路、AT24C02外部存儲芯片、DS1302專用時鐘芯片、段式液晶屏、按鍵、蜂鳴器、通風電機驅動電路、風門電機驅動電路以及靜電除塵器驅動電路構成,并以模塊化方式設計。主要電路設計將在相應的功能模塊設計中給出。系統硬件設計示意圖如圖1所示。

圖1 系統硬件設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of system hardware design

3 基本程序流程

新風機上電后,等待按鍵電源開關被按下。電源打開后,對單片機各端口和外圍功能芯片進行初始化設置,并讀取EEPROM中存儲的上次關機前各參數數值。當用戶選擇自動工作模式時,系統對VOCs濃度、室內外溫度、微塵濃度信號進行采集,經運算得到通風風機運行狀態、熱交換方式和除塵模式,并在段式液晶屏中顯示。當用戶選擇手動工作模式時,由按鍵操作程序決定執行機構工作方式。最后通過紅外人體檢測程序對室內人員活動進行判斷。當一段時間內無人活動時,自動關閉新風機,此時間可由用戶自主設定。

控制系統軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統主程序流程圖Fig.2 Flowchart of system main program

4 功能模塊設計

根據軟硬件總體設計,控制系統可分為多個功能模塊。本文將對段式液晶屏模塊、空氣污濁度采集模塊、微塵濃度采集模塊、溫度采集模塊、紅外人體檢測模塊、驅動電路模塊分別進行介紹。

4.1 段式液晶屏模塊

控制器通過段式液晶屏向用戶顯示室內外溫濕度、室內空氣污濁度、室內外微塵濃度、通風強度、熱交換方式、除塵模式、日期/時間、蜂鳴器狀態等。

4.2 空氣污濁度采集模塊

FIGARO公司生產的TGS2600空氣質量傳感器,能夠準確檢測室內VOCs濃度。該傳感器的敏感元件由集成了加熱器以及在氧化鋁基板上形成的金屬氧化物半導體構成。當吸附還原性氣體時,傳感器導電率上升、電阻Rs下降。將潔凈空氣中傳感器電阻設為Rs0,VOCs濃度計算公式為:

4.3 微塵濃度采集模塊

控制器選用夏普灰塵傳感器GP2Y1010AU0F構成空氣微塵傳感模塊。該傳感器采用一個紅外發光二極管和一個光敏晶體三極管探測空氣中灰塵反射的光線,能夠對空氣中的微小顆粒做出有效反應。傳感器輸出信號為不規則電壓信號,電壓峰值Vp出現在輸入信號上升沿后0.28 ms。空氣中微塵濃度Cd可通過下式計算:

式中:Cd為微塵濃度,mg/m3;Up為輸出電壓峰值,V。

4.4 溫度采集模塊

控制器選用具有負溫度系數的NTC熱敏電阻構成空氣溫度傳感模塊。NTC熱能電阻具有靈敏度高、穩定性好、體積小、電阻值大等特點。溫度傳感模塊輸出端與單片機PF1端口相連,采用濾波算法對所采集數據進行濾波降噪處理。室內溫度T可通過下式計算:

式中:T為室內溫度,℃;URt為輸出電壓,V。

4.5 驅動電路模塊

在具體實現中,本設計采用電磁繼電器驅動電路控制各執行機構。繼電器Relay1～Relay3控制通風電機進行高、中、低三檔調速;繼電器Relay4控制風門電機,對熱交換方式進行選擇;繼電器Relay5控制靜電除塵器的開啟與關閉。以繼電器Relay1為例,介紹其電路連接,如圖3所示。

圖3 繼電器驅動電路Fig.3 Driver circuit of relay

ATmega3290的PE3端口通過輸出高電平控制三極管Q1導通,使電磁繼電器線圈得電,從而使High端口輸出220 V交流電,進而使通風電機工作在高速模式。當繼電器Relay4線圈得電時,風門電機控制風門擋板開啟,進入旁通模式;反之風門擋板關閉,進入直通模式。當繼電器Relay5線圈得電時,靜電除塵器開啟;反之關閉。

4.6 紅外人體檢測模塊

紅外人體檢測模塊主要由菲涅爾透鏡、RE200B熱釋紅外傳感器和放大整形電路組成。該模塊能夠捕捉工作環境內人員移動所產生的紅外信號,并對信號進行放大與整形處理[9]。信號放大與整形電路如圖4所示。

圖4 信號放大與整形電路Fig.4 Signal amplification and rectification circuit

程序開始后,首先對紅外檢測元件以及相關端口進行初始化。若檢測到脈沖信號,則計數器加1。當定時器到達預定時間后,判斷計數器數值。若不為0,則代表在預定時間內房間中曾有人活動,系統將定時器與計數器清零,準備捕獲下一次脈沖信號;反之代表無人活動,控制器自動關閉新風機。

5 智能控制方案

在軟件編制中,若選擇自動模式,單片機根據室內VOCs濃度變化、室內外微塵濃度差值、室內溫度的差值以及室內是否有人活動,自動控制新風機的運行狀態。具體過程如下。

①當室內有人活動時,新風機保持在正常工作狀態。采用查表法模糊控制策略,單片機根據當前時刻室內VOCs檢測濃度Cv與預設濃度C0,計算偏差e和偏差變化率de,并分別進行量化處理;然后根據預先離線計算的模糊控制表查找當前時刻的輸出量化值U;最后經反模糊化得到最終的輸出控制量u并作用于通風風機。

②當室內微塵濃度小于室外微塵濃度時,靜電除塵器自動開啟;反之靜電除塵器關閉。

③當處于春秋季節時,室內外溫差較小,則選擇旁通模式;當處于夏冬季節時,室內外溫差較大,選擇交換模式,新風與排風進行熱量交換。

④室內處于無人活動狀態的時間超過用戶所設置的閾值后,控制器自動關閉新風機。

6 通風試驗過程及結果

為了驗證通風模糊控制方式的效果,利用自制的新風機控制系統,在秦皇島市燕山大學某實驗室中進行模擬試驗。試驗通過XSR70 06/T2USBLJN無紙記錄儀檢測VOCs濃度變化,并對空氣質量控制效果進行了評價。

選擇自動模式,ATmega3290根據TGS2600空氣質量傳感器檢測到VOCs偏差和偏差變化率。按模糊控制規則輸出風機控制電壓,實現風機轉速的實時控制。在同樣條件下選用手動模式,并采用恒定風速進行對照試驗。兩種情況下VOCs濃度對比如圖5所示。

圖5 試驗結果Fig.5 Experimental results

通過試驗數據可知,相比采用恒定風速的情況,模糊控制方式對VOCs濃度變化響應速度更快,超調量明顯降低,調節精度更高,能夠更好更快地滿足對室內通風控制的要求。

當VOCs濃度發生變化時,通過模糊控制器推理運算得到的控制電壓可以實時控制風機轉速的變化,試時調節風機運行時的功率,達到使新風機節能的目的。在試驗過程中,應用模糊控制算法的風機實際消耗電量為0.012 37 kW·h,而在額定轉速工作下的風機實際消耗電量為0.017 33 kW·h,節約電能高達28.6%。當一段時間內無人活動時,自動關閉新風機,這不僅保證了舒適度,更進一步節約了電力能源。

7 結束語

本文所研制的獨立新風系統控制器屬于室內空氣質量智能控制系統。在功能實現方面,系統應用了先進的模糊控制策略對室內空氣質量進行控制,并根據室內外溫差選擇熱交換方式。同時,根據室內外微塵濃度選擇除塵模式,并進一步應用紅外人體檢測技術自動控制系統關機,實現了根據環境變化自動調整系統工作狀態的功能。在硬件方面,系統采用ATmega3290單片機,有效地減少了外圍設備,節約了成本。試驗表明,控制系統具有設計簡單、運行穩定、操作方便、節能效果明顯等優點,滿足預期的各項功能需求。這種硬件設計與軟件編程思路具有一定的推廣價值。

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[10] 蔡滿軍,吳磊.智能溫度控制器的設計[J].自動化儀表,2010(10): 68-71.

Design of the Intelligent Controller for Fresh Air System

Aiming at the grim situation of air pollution and poor quality of the indoor air,the embedded control system suitable for fresh air system has been designed.The high precision automatic control of indoor air quality is implemented by adopting the technologies of sensing, signal acquisition,liquid crystal display and motor fuzzy control,etc.The tests in laboratory and the practical operation verify that this controller possesses advantages of easy operation,stable performance,and obvious energy saving effects,etc.

Fresh air system Indoor air quality Fuzzy control Intelligent controller Embeded control system

TP368+.1

A

河北省科技支撐計劃基金資助項目(編號:10213944)。

修改稿收到日期:2014-03-13。

王冀龍(1988-),男,現為燕山大學控制理論與控制工程專業在讀碩士研究生;主要從事單片機與智能監控的研究。