新風(fēng)機(jī)智能控制器的設(shè)計(jì)

王冀龍 蔡滿軍

(燕山大學(xué)河北計(jì)算機(jī)工業(yè)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 秦皇島 066004)

新風(fēng)機(jī)智能控制器的設(shè)計(jì)

王冀龍 蔡滿軍

(燕山大學(xué)河北計(jì)算機(jī)工業(yè)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 秦皇島 066004)

針對當(dāng)前空氣污染形勢嚴(yán)峻、室內(nèi)空氣品質(zhì)低下的問題,設(shè)計(jì)了適用于新風(fēng)機(jī)的嵌入式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用傳感器技術(shù)、信號采集技術(shù)、液晶顯示技術(shù)和電機(jī)模糊控制技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)空氣質(zhì)量的高精度自動(dòng)控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試和實(shí)際運(yùn)行證明,該控制器具有操作方便、性能穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。

新風(fēng)機(jī) 室內(nèi)空氣質(zhì)量 模糊控制 智能控制器 嵌入式控制系統(tǒng)

0 引言

當(dāng)前,世界空氣污染問題形勢嚴(yán)峻,室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物污染(volatile organic compounds,VOCs)造成室內(nèi)空氣品質(zhì)低下,嚴(yán)重危害人類健康[1-3]。隨著人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)的關(guān)注,國內(nèi)外學(xué)者對新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究[4-6]。為了提高新風(fēng)系統(tǒng)的工作效率,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,新風(fēng)機(jī)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(jī)為控制芯片的新風(fēng)機(jī)控制器,可應(yīng)用于辦公室、實(shí)驗(yàn)室,尤其適用于民眾居室的空氣品質(zhì)檢測及調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)功能分析

本控制系統(tǒng)為用戶提供自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在手動(dòng)模式下時(shí),可以通過按鍵設(shè)置系統(tǒng)工作狀態(tài),得到相應(yīng)的通風(fēng)強(qiáng)度、熱交換方式和除塵模式。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在自動(dòng)模式下時(shí),系統(tǒng)根據(jù)VOCs濃度與用戶預(yù)設(shè)值偏差,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到對室內(nèi)新風(fēng)量控制的目的;通過對室內(nèi)外微塵濃度的比較,自動(dòng)選擇除塵模式;通過對室內(nèi)外溫度的比較,自動(dòng)選擇熱交換方式;根據(jù)室內(nèi)人員活動(dòng)情況,自動(dòng)執(zhí)行新風(fēng)機(jī)的關(guān)機(jī)操作。系統(tǒng)設(shè)有日期和時(shí)間顯示功能,并具有空氣質(zhì)量嚴(yán)重超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警功能。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能分析,控制系統(tǒng)硬件由核心處理器、TGS2600空氣質(zhì)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(shí)鐘芯片、段式液晶屏、按鍵、蜂鳴器、通風(fēng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、風(fēng)門電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及靜電除塵器驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成,并以模塊化方式設(shè)計(jì)。主要電路設(shè)計(jì)將在相應(yīng)的功能模塊設(shè)計(jì)中給出。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system hardware design

3 基本程序流程

新風(fēng)機(jī)上電后,等待按鍵電源開關(guān)被按下。電源打開后,對單片機(jī)各端口和外圍功能芯片進(jìn)行初始化設(shè)置,并讀取EEPROM中存儲的上次關(guān)機(jī)前各參數(shù)數(shù)值。當(dāng)用戶選擇自動(dòng)工作模式時(shí),系統(tǒng)對VOCs濃度、室內(nèi)外溫度、微塵濃度信號進(jìn)行采集,經(jīng)運(yùn)算得到通風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、熱交換方式和除塵模式,并在段式液晶屏中顯示。當(dāng)用戶選擇手動(dòng)工作模式時(shí),由按鍵操作程序決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作方式。最后通過紅外人體檢測程序?qū)κ覂?nèi)人員活動(dòng)進(jìn)行判斷。當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)無人活動(dòng)時(shí),自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)機(jī),此時(shí)間可由用戶自主設(shè)定。

控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.2 Flowchart of system main program

4 功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)軟硬件總體設(shè)計(jì),控制系統(tǒng)可分為多個(gè)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(qū)動(dòng)電路模塊分別進(jìn)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(nèi)外溫濕度、室內(nèi)空氣污濁度、室內(nèi)外微塵濃度、通風(fēng)強(qiáng)度、熱交換方式、除塵模式、日期/時(shí)間、蜂鳴器狀態(tài)等。

4.2 空氣污濁度采集模塊

FIGARO公司生產(chǎn)的TGS2600空氣質(zhì)量傳感器,能夠準(zhǔn)確檢測室內(nèi)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(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)吸附還原性氣體時(shí),傳感器導(dǎo)電率上升、電阻Rs下降。將潔凈空氣中傳感器電阻設(shè)為Rs0,VOCs濃度計(jì)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(gòu)成空氣微塵傳感模塊。該傳感器采用一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)光敏晶體三極管探測空氣中灰塵反射的光線,能夠?qū)諝庵械奈⑿☆w粒做出有效反應(yīng)。傳感器輸出信號為不規(guī)則電壓信號,電壓峰值Vp出現(xiàn)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(jì)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(fù)溫度系數(shù)的NTC熱敏電阻構(gòu)成空氣溫度傳感模塊。NTC熱能電阻具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小、電阻值大等特點(diǎn)。溫度傳感模塊輸出端與單片機(jī)PF1端口相連,采用濾波算法對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪處理。室內(nèi)溫度T可通過下式計(jì)算:

式中:T為室內(nèi)溫度,℃;URt為輸出電壓,V。

4.5 驅(qū)動(dòng)電路模塊

在具體實(shí)現(xiàn)中,本設(shè)計(jì)采用電磁繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。繼電器Relay1～Relay3控制通風(fēng)電機(jī)進(jìn)行高、中、低三檔調(diào)速;繼電器Relay4控制風(fēng)門電機(jī),對熱交換方式進(jìn)行選擇;繼電器Relay5控制靜電除塵器的開啟與關(guān)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(qū)動(dòng)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(dǎo)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(jìn)而使通風(fēng)電機(jī)工作在高速模式。當(dāng)繼電器Relay4線圈得電時(shí),風(fēng)門電機(jī)控制風(fēng)門擋板開啟,進(jìn)入旁通模式;反之風(fēng)門擋板關(guān)閉,進(jìn)入直通模式。當(dāng)繼電器Relay5線圈得電時(shí),靜電除塵器開啟;反之關(guān)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(huán)境內(nèi)人員移動(dòng)所產(chǎn)生的紅外信號,并對信號進(jìn)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(guān)端口進(jìn)行初始化。若檢測到脈沖信號,則計(jì)數(shù)器加1。當(dāng)定時(shí)器到達(dá)預(yù)定時(shí)間后,判斷計(jì)數(shù)器數(shù)值。若不為0,則代表在預(yù)定時(shí)間內(nèi)房間中曾有人活動(dòng),系統(tǒng)將定時(shí)器與計(jì)數(shù)器清零,準(zhǔn)備捕獲下一次脈沖信號;反之代表無人活動(dòng),控制器自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)機(jī)。

5 智能控制方案

在軟件編制中,若選擇自動(dòng)模式,單片機(jī)根據(jù)室內(nèi)VOCs濃度變化、室內(nèi)外微塵濃度差值、室內(nèi)溫度的差值以及室內(nèi)是否有人活動(dòng),自動(dòng)控制新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。具體過程如下。

①當(dāng)室內(nèi)有人活動(dòng)時(shí),新風(fēng)機(jī)保持在正常工作狀態(tài)。采用查表法模糊控制策略,單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻室內(nèi)VOCs檢測濃度Cv與預(yù)設(shè)濃度C0,計(jì)算偏差e和偏差變化率de,并分別進(jìn)行量化處理;然后根據(jù)預(yù)先離線計(jì)算的模糊控制表查找當(dāng)前時(shí)刻的輸出量化值U;最后經(jīng)反模糊化得到最終的輸出控制量u并作用于通風(fēng)風(fēng)機(jī)。

②當(dāng)室內(nèi)微塵濃度小于室外微塵濃度時(shí),靜電除塵器自動(dòng)開啟;反之靜電除塵器關(guān)閉。

③當(dāng)處于春秋季節(jié)時(shí),室內(nèi)外溫差較小,則選擇旁通模式;當(dāng)處于夏冬季節(jié)時(shí),室內(nèi)外溫差較大,選擇交換模式,新風(fēng)與排風(fēng)進(jìn)行熱量交換。

④室內(nèi)處于無人活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間超過用戶所設(shè)置的閾值后,控制器自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)機(jī)。

6 通風(fēng)試驗(yàn)過程及結(jié)果

為了驗(yàn)證通風(fēng)模糊控制方式的效果,利用自制的新風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng),在秦皇島市燕山大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)通過XSR70 06/T2USBLJN無紙記錄儀檢測VOCs濃度變化,并對空氣質(zhì)量控制效果進(jìn)行了評價(jià)。

選擇自動(dòng)模式,ATmega3290根據(jù)TGS2600空氣質(zhì)量傳感器檢測到VOCs偏差和偏差變化率。按模糊控制規(guī)則輸出風(fēng)機(jī)控制電壓,實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。在同樣條件下選用手動(dòng)模式,并采用恒定風(fēng)速進(jìn)行對照試驗(yàn)。兩種情況下VOCs濃度對比如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,相比采用恒定風(fēng)速的情況,模糊控制方式對VOCs濃度變化響應(yīng)速度更快,超調(diào)量明顯降低,調(diào)節(jié)精度更高,能夠更好更快地滿足對室內(nèi)通風(fēng)控制的要求。

當(dāng)VOCs濃度發(fā)生變化時(shí),通過模糊控制器推理運(yùn)算得到的控制電壓可以實(shí)時(shí)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化,試時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率,達(dá)到使新風(fēng)機(jī)節(jié)能的目的。在試驗(yàn)過程中,應(yīng)用模糊控制算法的風(fēng)機(jī)實(shí)際消耗電量為0.012 37 kW·h,而在額定轉(zhuǎn)速工作下的風(fēng)機(jī)實(shí)際消耗電量為0.017 33 kW·h,節(jié)約電能高達(dá)28.6%。當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)無人活動(dòng)時(shí),自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)機(jī),這不僅保證了舒適度,更進(jìn)一步節(jié)約了電力能源。

7 結(jié)束語

本文所研制的獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)控制器屬于室內(nèi)空氣質(zhì)量智能控制系統(tǒng)。在功能實(shí)現(xiàn)方面,系統(tǒng)應(yīng)用了先進(jìn)的模糊控制策略對室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行控制,并根據(jù)室內(nèi)外溫差選擇熱交換方式。同時(shí),根據(jù)室內(nèi)外微塵濃度選擇除塵模式,并進(jìn)一步應(yīng)用紅外人體檢測技術(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)機(jī),實(shí)現(xiàn)了根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)工作狀態(tài)的功能。在硬件方面,系統(tǒng)采用ATmega3290單片機(jī),有效地減少了外圍設(shè)備,節(jié)約了成本。試驗(yàn)表明,控制系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn),滿足預(yù)期的各項(xiàng)功能需求。這種硬件設(shè)計(jì)與軟件編程思路具有一定的推廣價(jià)值。

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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(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號:10213944)。

修改稿收到日期:2014-03-13。

王冀龍(1988-),男,現(xiàn)為燕山大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事單片機(jī)與智能監(jiān)控的研究。