商用新風機組控制系統設計

郭 幸, 李彬彬, 王志剛, 胥 飛, 紀 璇

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

城市有害顆粒物的排放是形成霧霾的人為因素，而水汽是形成霧霾的重要因素[1]。室內裝修使用的化學用品已成為危害人類身體健康的“隱形殺手”[2]。隨著健康意識的增強，人們對室內空氣質量問題日益重視。發展具有實時監測功能的多參數室內空氣質量檢測設備已成為行業發展的迫切需求[3]。針對空氣質量和陰雨天氣室內空氣潮濕問題，設計了新風機組控制系統。本控制系統適應范圍廣、穩定性強，符合現代人們追求高生活質量的需求。

1 系統整體設計方案

系統硬件主要由RS-485通信模塊、光電隔離模塊、電源模塊、傳感器接口模塊、制冷系統組成。該系統既可根據當前空氣狀況自動切換新風模式、除濕模式、除霜模式，也可由用戶根據自身需要手動開啟新風模式、除濕模式、除霜模式。其主要技術參數如表1所示。

表1 技術參數

1.1 系統的控制過程

單片機和空氣質量傳感器之間通過RS-485進行通信，單片機將接收到的溫度、濕度和CO2，CH2O，總揮發性有機物(Total Volatile Organic Compounds,TVOC)，PM2.5的數據通過加權平均處理后與邏輯動作值比較，如果滿足動作條件，則通過光電隔離控制相應的繼電器通斷，實現對電動風閥、風機、壓縮機的控制。單片機和觸控屏之間也通過RS-485進行通信，單片機將機組當前的工作狀態和空氣質量參數發送到觸控屏，觸控屏經過數據處理后顯示在用戶界面上。

1.2 機組運行原理

新風機組結構如圖1所示，進風口A和出風口A位于室內，進風口B和出風口B位于室外。圖中六邊形部件為特殊的單向導風裝置，空氣流動的方向只有1→2和3→4，即風向2和風向1。機組主要部件還包括1個電動風閥、2個離心式風機、靜電除塵裝置、雙層高效活性炭濾芯、壓縮機、熱交換器和隔熱棉等。

(1) 新風模式。打開風閥和2個風機，室外空氣由進風口B進入，經過靜電除塵裝置吸附空氣中的塵埃、微粒等物質，再經過雙層高效活性炭濾芯去除空氣中的PM2.5,CH2O,TVOC。最后由出風口A進入到室內。同時室內的空氣由進風口A被吸入，經過出風口B被排出室外。

(2) 除濕模式。在新風模式的基礎上關閉風閥，開啟壓縮機。室內空氣中的水汽經過壓縮機的熱交換凝結成水珠，由管道排出室外，從而降低室內空氣的濕度。

(3) 除霜模式。開啟出風口B的風機，只保持風向2流通。

圖1 新風機組結構圖

2 系統硬件設計

系統硬件分為3大部分，控制部分包括：觸控屏與單片機及其外圍電路；傳感器部分包括：空氣質量傳感器、高低氣壓報警模塊、溫度傳感器模塊；機械部分包括：靜電除塵裝置、壓縮機、離心式風機、電動風閥。

系統整體硬件如圖2所示。

圖2 系統整體硬件框圖

2.1 傳感器接口模塊

本系統外接了3個傳感器，分別為1個空氣質量傳感器和2個溫度傳感器DS18B20。

空氣質量傳感器是廣州市龍戈電子科技有限公司的一款集CO2，PM2.5，溫濕度，TVOC及CH2O于一體的綜合型空氣質量傳感器，可對所處環境進行實時偵測并通過一定的協議格式輸出數據，使用方便，具有良好的穩定性。它的檢測參數及分辨率如表2所示[4]。

表2 空氣質量傳感器檢測參數及分辨率

波特率為9 600，無校驗位，1位停止位，返回數據時間小于300 ms，讀取速度不可超過350 ms。

數據程序公式如下：

程序中：CO2H為CO2數據的高8位，CO2L為CO2數據的低8位；TVOCH為TVOC數據的高8位，TVOCL為TVOC數據的低8位；CH2OH為CH2O數據的高8位，CH2OL為CH2O數據的低8位；PM2.5-H為PM2.5數據的高8位，PM2.5-L為PM2.5數據的低8位；HH為濕度數據的高8位，HL為濕度數據的低8位；TH為溫度數據的高8位，TL為溫度數據的低8位。

溫度傳感器DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的第一款支持“單總線”接口的溫度傳感器[5]。考慮到維修和更換的方便性，本系統采用一根信號線接一個傳感器的方案。2個溫度傳感器分別測量熱交換器的蒸發器和冷凝器的溫度。

2.2 制冷系統

制冷系統主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器3個部分組成。濕空氣被風機吸到蒸發器附近，溫度降低，空氣中的水汽凝結成水，這樣就可以有效地去除空氣中的水汽[6]。制冷系統結構如圖3所示。

圖3 制冷系統結構圖

若壓縮機的吸氣溫度較高，則壓縮機的排氣溫度也會升高，這會使得壓縮機的工作環境惡化，嚴重的會使空壓機內部出現積碳現象[7]。降低壓縮機吸氣溫度可以有效降低壓縮機的能耗。在壓比一定的情況下，單位質量氣體壓縮所消耗的功隨吸氣溫度的升高而增加[8]。因此，在硬件和軟件中給壓縮機設計了三重保護措施。

(1) 溫度保護。2個溫度傳感器分別檢測蒸發器和冷凝器的溫度，并設置溫度上下限，溫度超限時壓縮機停止工作。

(2) 高低氣壓保護。當壓縮機內氣壓過高或過低都會觸發保護機制。

(3) 頻繁啟停保護。壓縮機兩次開啟時間間隔不得低于30 min。

3 系統軟件設計

3.1 通信協議

STC12C5A60S2單片機帶有兩個串行通信接口[9]。使用串口1與空氣質量傳感器通信，使用串口2與觸控屏通信。串口1的配置為：使用定時器1作為波特率發生器，波特率9 600，UART數據8位，停止位1位，無校驗位。串口2的配置為：使用獨立波特率發生器，波特率9 600，UART數據8位，停止位1位，無校驗位。為保證通信的距離和可靠性，本系統采用雙RS-485的通信方式，并給它們約定固定的通信協議[10]。約定如下。

(1) MCU發送到空氣質量傳感器查詢指令為：0x01 0x03 0x00 0x01 0x00 0x05 0xD4 0x09。

(2) 空氣質量傳感器返回數據為：0x01 0x03 0x0A TVOC CH2O PM2.5溫度 濕度 CRC校驗。

(3) MCU與觸控屏通信統一以0xA5 0x5A開頭。

(4) MCU發送到屏幕的數據：0xA5 0x5A 0x14 0x80 0x60 PM2.5溫度 濕度 CH2O TVOC 溫度1 溫度2 0x00 0x00 0x0F 和校驗。

(5) 調出警告畫面：0xA5 0x5A 0x04 0x80 0x03 0x00 0x08。

(6) 調出待機畫面：0xA5 0x5A 0x04 0x80 0x03 0x00 0x00。

當單片機、觸控屏和空氣質量傳感器接收到數據后，都會先進行比對，如果和事先約定的通信協議不同則舍棄掉此次接收到的數據。

3.2 軟件流程

由于STC12C5A60S2單片機無法實現多線程操作[11]。系統中存在多個對象之間的通信，觸控屏作為面向客戶的輸入端其向單片機發送數據的時刻是隨機的。因此，運行過程中會存在單片機通信沖突的問題，甚至會導致程序跑飛[12]。為避免這種情況的出現，程序中使用中斷優先級更高的定時器0進行500 ms定時中斷[13]。每間隔500 ms單片機向空氣質量傳感器發送讀參數命令，空氣質量傳感器接收到命令后立即返回當前空氣參數。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

初始化部分包括定時器0初始化、串口1和串口2初始化、開啟總中斷等。空氣質量數據處理部分包括從串口接收的數據提取、加權平均計算、將結果放進準備發送給觸控屏的數組中等一系列操作。開關邏輯處理部分包括自動模式和手動模式，自動模式下可以強制進行手動操作。手動模式下，自動模式失效。自動模式的控制流程如圖5所示。

4 實驗與結果分析

經過實物現場測試，該控制系統能夠準確測量并顯示實時空氣的CO2，CH2O，PM2.5，TVOC的含量、溫度和濕度，能夠實現自動手動除濕除塵。測試環境：體積約38 m3的密閉空間，室溫28 ℃。

圖5 自動模式控制流程

測試方法：點燃香煙使室內PM2.5濃度達到800 μg/m3，開啟機組，每隔1 min記錄室內PM2.5濃度值，降到20 μg/m3以下停止記錄。CH2O、濕度測試方法與PM2.5測試方法相同，CH2O起始濃度為0.26 mg/m3，截止濃度為0.08 mg/m3(國家安全標準為0.1 mg/m3)[14]。濕度起始值為80%，截止值為50%。

測試結果如圖6所示，開機運行7 min后PM2.5濃度顯著下降，8.5 min時PM2.5濃度下降了90%，17 min后PM2.5濃度降到20 μg/m3以下。CH2O的濃度趨于平穩下降，9 min時達到0.08 mg/m3，13 min時CH2O濃度下降了90%。空氣濕度在6 min內從80%降到了70%，此后平穩下降，開機26 min后空氣濕度降至50%。

潔凈空氣凈化比率CADR是衡量空氣凈化性能的指標之一，其數值越高則表示凈化效能越高。CADR的計算可表示為

式中：V為實驗容積，m3；t為記錄濃度降低90%時運行的時間，h。

由實驗結果得

(a) PM2.5濃度隨時間變化圖

(b) CH2O濃度隨時間變化圖

(c) 空氣濕度隨時間變化圖

式中：Ck為顆粒物的CADR值；Cq為氣態污染物的CADR值。

經驗證，實驗結果符合設計要求。主界面顯示了實時的空氣各項參數，功能界面有模式的切換和風速的設置等功能[15]。

5 結 語

本文介紹了新風機組的應用背景，分析了機組的工作原理，并對如何實現單片機、觸控屏、空氣質量傳感器三者之間無沖突通信進行了討論。以軟硬件設計思想制作了樣機，經過實際驗證達到了設計要求，實現了實時空氣參數顯示，并可以根據當前空氣質量開啟自動除塵、除濕、通風等功能，有效地濾除了空氣塵埃，降低了空氣濕度。用單片機與觸控屏相結合的控制方式，不僅保證了產品的科技感與易操作性，還降低了硬件成本，有一定的商業前景。