通風控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

申紅明　徐晨　沈曉燕　董蓉

摘 要： 針對傳統(tǒng)通風控制系統(tǒng)能耗高自動化程度低等缺點，設計一套自動化、智能化的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC12C5620AD為控制核心，集成了風速調(diào)節(jié)、環(huán)境溫度測量、電機驅(qū)動與控制等電路，并設計了專用段式液晶和鍵盤。系統(tǒng)具有手動和自動兩種工作模式，每種模式下均可自由設定待機風速、工作風速和靠近風速的大小，操作方便、使用靈活。軟硬件抗干擾設計與優(yōu)化保證了系統(tǒng)在強電磁環(huán)境下的可靠運行。經(jīng)測試，系統(tǒng)控制精度較高，運行穩(wěn)定。

關鍵詞： 通風控制； 風速設定； 抗干擾設計； STC12C5620AD

中圖分類號： TN911?34； TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0105?04

Abstract： In order to eliminate the defects of high energy consumption and low automation level of the traditional ventilation control system， an automatic and intelligent control system was designed. The STC12C5620AD is taken as the core controller of the system. The circuits of wind speed adjustment， environmental temperature measurement， motor drive and control are integrated in the system. The dedicated segment liquid crystal display and keyboard were designed. The system has the manual and automatic operating modes. The standby wind speed， operating wind speed and nearby wind speed can be set freely in both operating modes. The system has the characteristics of flexible operation and use. The anti?interference design and optimization of hardware and software can ensure the reliable operation in the strong electromagnetic environment. The test results indicate the system has high control precision and stable operation.

Keywords： ventilation control； wind speed setting； anti?interference design； STC12C5620AD

0 引 言

醫(yī)院、實驗室、礦洞等場所對排風控制的要求很高，有毒有害氣體需要及時排出，以保證操作人員的安全，同時又要節(jié)約能源降低生產(chǎn)成本。早期的通風控制系統(tǒng)多是定速設計，即只能以固定風速運行，能改變的僅僅是系統(tǒng)的開啟和關閉，這樣的系統(tǒng)存在著能耗高、安全性差等缺點。隨著電子技術的發(fā)展以及微控制器的普及，體積小、功耗低、反應靈敏、成本低廉的通風控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，不僅融合了多種傳感器技術，功能也越來越豐富，能檢測和控制的量越來越多。

本文設計的通風控制系統(tǒng)采用STC12C5620AD作為控制核心[1]，矩陣鍵盤和一塊定制的段式液晶作為人機交互接口，用于系統(tǒng)工作模式的設置和運行狀態(tài)的顯示，且集成了電機驅(qū)動、風速檢測與控制、溫度采集等單元電路。系統(tǒng)具有手動和自動兩種工作模式，可根據(jù)選配的模塊不同實現(xiàn)豐富的功能。

1 總體方案設計

圖1為硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)主要由7個模塊組成，分別是主控制器、溫度傳感器、風速傳感器、段式LCD液晶屏、鍵盤、電機和電源模塊[2]。STC12C5620AD作為主控制器，采集環(huán)境溫度和風速，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)調(diào)整閥門開度大小，鍵盤和液晶作為人機交互接口，可進行參數(shù)設置與工作狀態(tài)顯示。

2 硬件設計

2.1 鍵盤電路

根據(jù)需要設計了一個9按鍵矩陣式鍵盤，包括4個方向選擇按鍵，設置結(jié)果的“確定”鍵，“照明”和“風機”的開關鍵，蜂鳴器的“消聲”鍵，以及液晶 “背光”鍵，如圖2所示，其中X2，X1，X0分別接P02，P12，P11口，Y2，Y1，Y0分別接單片機的P03，P14，P13口。

2.2 液晶驅(qū)動電路

系統(tǒng)顯示屏為一塊定制的段式液晶，需要顯示的信息包括環(huán)境溫度、工作模式、設備狀態(tài)、運行狀態(tài)等信息，共有28個引腳，包括8個公共端口和20個段選端口。全部信息顯示效果如圖3所示。由于控制端口較多，因此選擇HT1622作為這塊液晶的驅(qū)動芯片。

HT1622是一款LCD專用驅(qū)動芯片，最多可以驅(qū)動256個顯示單元（32×8）。內(nèi)部包含控制電路、顯示RAM、頻率發(fā)生器等模塊，外部引腳主要包括片選端[（CS）]，讀寫控制端[（RD，WR），]數(shù)據(jù)端（DATA）、32個段選端和8個公共端等[3]。圖4為液晶驅(qū)動電路，將段式液晶LCD1的COM口和SEG口分別與HT1622的對應端口相連接，再將HT1622的[CS]，[RD]，WR，DATA腳對應連接至STC12C5620的P24，P25，P26及P27端口。

2.3 電機電路endprint

控制閘門開合的電機為一單向可控爪極式永磁同步電機，電路主要包括驅(qū)動電路、正反轉(zhuǎn)控制電路和限位控制等電路。

電機驅(qū)動電路如圖5所示。JDQ4C，JDQ5C為常閉觸點，JDQ6B，JDQ7B為常開觸點。圖6為正反轉(zhuǎn)控制電路，當kaiA為低guanB為高時，線圈JDQ6A得電，圖5中JDQ6B吸合，電機正轉(zhuǎn)；當kaiA為高guanB為低時，線圈JDQ7A得電，圖5中JDQ7B吸合，電機反轉(zhuǎn)。

圖7為限位控制電路。行程開關XCKG1，XCKG2處于常開狀態(tài)。電機正轉(zhuǎn)至閥門完全敞開時，XCKG1被按下，線圈JDQ4A得電，圖5中JDQ4C斷開，正轉(zhuǎn)停止；電機反轉(zhuǎn)至閥門完全關閉時，XCKG2被按下，線圈JDQ5A得電，圖5中JDQ5C斷開，反轉(zhuǎn)停止。

2.4 風速調(diào)節(jié)電路

系統(tǒng)具有手動和自動兩種工作模式。自動模式是將風速傳感器的測量值反饋給控制器，通過PID控制閥門開度的變化，手動模式則是通過鍵盤直接控制閥門的開合程度。

（1） 自動模式。系統(tǒng)工作于自動模式下的風速調(diào)節(jié)電路如圖8所示。JP6為外接風速傳感器接口，提供0～10 V的電壓信號，只需將該電壓信號經(jīng)過調(diào)理后送至單片機ADC端口采集，即可獲取當前的風速值[4]。

Analog0接STC12C5620AD的ADC輸入端P10口。因單片機內(nèi)部ADC的基準電壓為5 V。因此風速傳感器的輸出電壓需經(jīng)分壓后送到運放TLC2272的同相端[5]，經(jīng)過電壓跟隨電路后濾波輸出至單片機ADC端口。

（2） 手動模式。閥門的開合是通過電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，當電機轉(zhuǎn)動時，帶動同軸電位器W1的滑片一起運動，如圖9所示，因此滑片上的電壓變化可反映出閥門開度的變化。

圖9中W1和R10串聯(lián)，REF3012為電壓基準芯片，2腳輸出1.25 V基準電壓，將滑片上的電壓送到AD654的4腳，AD654為V/F轉(zhuǎn)換芯片，Vin引腳上的電壓變化會轉(zhuǎn)換為Fout引腳上輸出方波信號的頻率變化，計算公式如下：

本系統(tǒng)中，取R3=1 kΩ，[C9]=1 nF，因此式（1）可簡化為Fout = 105Vin，因此Vin腳10 mV的電壓變化會引起Fout引腳1 kHz的頻率變化，靈敏度非常高。為了避免方波信號在傳輸過程中受到干擾，經(jīng)過6N137光耦隔離，并經(jīng)MC4584BLC整形后送到單片機P32口（定時器0）采集，進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證較高的采集精度。

硬件系統(tǒng)還包括了溫度測量與電源電路。溫度測量使用單線式溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)，接上5 V電源和地線后，將2腳接單片機P21端口即可。系統(tǒng)工作需要220 V交流電源及5 V，12 V兩組直流電源，通過簡單的整流穩(wěn)壓電路即可實現(xiàn)，不再贅述。

3 軟件設計

軟件流程圖如圖10所示[6]，上電初始化完成后，通過識別硬件電路跳線，執(zhí)行手動或自動工作模式，接著從FLASH中讀取系統(tǒng)上次關機時保存的設置值和狀態(tài)值，包括設定風速（靠近風速、工作風速、待機風速三檔）、設定時間，以及狀態(tài)初值，包括風機狀態(tài)、照明狀態(tài)等信息并顯示。進而進入主循環(huán)，若鍵盤“確認”鍵按下，則進入?yún)?shù)設置流程，設置完成后再次按下“確認”鍵，將當前設置值存入FLASH；如有人靠近，則調(diào)整至高風速（靠近風速）運行直至工作人員離開，否則打開閥門并調(diào)整至正常風速（工作風速），一旦系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)至設定運行時間，則調(diào)整至低風速（待機風速）運行以節(jié)能；檢測到關機鍵按下后，系統(tǒng)保存好當前的設置參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)至FLASH存儲器后，關閉閥門并斷電。

3.1 開度控制

表1和表2分別是自動模式和手動模式下的開度測量數(shù)據(jù)。表1中的傳感器輸出電壓取自風速傳感器的輸出端電壓，經(jīng)單片機A/D采集后通過PID調(diào)節(jié)閥門開度，中高低三檔測試均正常。表2中的Vin 和Fout分別取自AD654的4腳和1腳，測試結(jié)果表明輸入1 mV的電壓變化大致對應于1 kHz的頻率變化，和理論計算結(jié)果完全吻合，且線性表現(xiàn)非常出色。由于頻率過高或過低的脈沖信號，單片機直接測量都不方便，因此圖9所示電路中，通過電位器W1搭配電阻R10的方法避開高低頻區(qū)，頻率測量精度非常高，閥門開度控制效果較好。

3.2 可靠性測試

系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，需要在極限工作狀態(tài)下長時間連續(xù)進行。硬件設計時，通過大規(guī)模鋪地、光耦隔離、交流電源線與信號線分離、采用屏蔽電纜等手段，軟件程序中適時保存系統(tǒng)的工作狀態(tài)參數(shù)、使用軟件看門狗、軟件陷阱等手段，特別是主動復位技術的使用，有效地解決了外部干擾對電路工作的影響。測試結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，即使極端的強電磁干擾，系統(tǒng)也能迅速復位并恢復之前的工作狀態(tài)。

4 結(jié) 語

本文針對傳統(tǒng)通風裝置效率低、成本高的問題，設計了一套智能化的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以手動調(diào)節(jié)又可以在設定好工作參數(shù)后自動調(diào)節(jié)，人機界面友好，操作方便。經(jīng)測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，即使在強電磁環(huán)境下也能可靠工作，達到了預期的設計目標。

注：本文通訊作者為徐晨。

參考文獻

[1] 南通國芯微電子有限公司.STC12C5620AD系列單片機器件手冊[EB/OL]. [2014?03?25]. http：//www.stcmcu.com，2011.

[2] 甕嘉民.單片機典型系統(tǒng)設計與制作實例解析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3] HOLTEK. HT1622： RAM mapping 32×8 LCD controller for I/OC [EB/OL]. [2009?06?12]. http：//www.holtek.com，2009.

[4] 唐朝仁.模擬電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2014.

[5] Texas Instruments. TLC227x， TLC22xA： advanced LinCMOS rail?to?rail operational amplifiers datasheet [EB/OL]. [2010?11?03]. http：//www.ti.com，2010.

[6] 周淇，周旭欣，吳國輝.單片機原理及應用：基于Keil及Proteus[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[7] 黃衛(wèi)華.模糊控制系統(tǒng)及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.endprint