新风机智能控制器的设计

王冀龙 蔡满军

(燕山大学河北计算机工业控制重点实验室,河北 秦皇岛 066004)

新风机智能控制器的设计

王冀龙 蔡满军

(燕山大学河北计算机工业控制重点实验室,河北 秦皇岛 066004)

针对当前空气污染形势严峻、室内空气品质低下的问题,设计了适用于新风机的嵌入式控制系统。系统应用传感器技术、信号采集技术、液晶显示技术和电机模糊控制技术等,实现了对室内空气质量的高精度自动控制。经实验室测试和实际运行证明,该控制器具有操作方便、性能稳定、节能效果明显等优点。

新风机 室内空气质量 模糊控制 智能控制器 嵌入式控制系统

0 引言

当前,世界空气污染问题形势严峻,室内挥发性有机物污染(volatile organic compounds,VOCs)造成室内空气品质低下,严重危害人类健康[1-3]。随着人们对室内空气品质的关注,国内外学者对新风系统进行了大量研究[4-6]。为了提高新风系统的工作效率,实现节能减排,新风机控制器成为必不可少的器件[7]。本文所介绍的是一款以ATmega3290单片机为控制芯片的新风机控制器,可应用于办公室、实验室,尤其适用于民众居室的空气品质检测及调节。

1 系统功能分析

本控制系统为用户提供自动和手动两种工作模式。当系统运行在手动模式下时,可以通过按键设置系统工作状态,得到相应的通风强度、热交换方式和除尘模式。当系统运行在自动模式下时,系统根据VOCs浓度与用户预设值偏差,调节风机的转速,达到对室内新风量控制的目的;通过对室内外微尘浓度的比较,自动选择除尘模式;通过对室内外温度的比较,自动选择热交换方式;根据室内人员活动情况,自动执行新风机的关机操作。系统设有日期和时间显示功能,并具有空气质量严重超标自动报警功能。

2 系统硬件总体设计

根据系统功能分析,控制系统硬件由核心处理器、TGS2600空气质量传感器、NTC热敏电阻、GP2Y1010AU0F微尘传感器、RE200B热释红外传感器、放大与整形电路、AT24C02外部存储芯片、DS1302专用时钟芯片、段式液晶屏、按键、蜂鸣器、通风电机驱动电路、风门电机驱动电路以及静电除尘器驱动电路构成,并以模块化方式设计。主要电路设计将在相应的功能模块设计中给出。系统硬件设计示意图如图1所示。

图1 系统硬件设计示意图Fig.1 Schematic diagram of system hardware design

3 基本程序流程

新风机上电后,等待按键电源开关被按下。电源打开后,对单片机各端口和外围功能芯片进行初始化设置,并读取EEPROM中存储的上次关机前各参数数值。当用户选择自动工作模式时,系统对VOCs浓度、室内外温度、微尘浓度信号进行采集,经运算得到通风风机运行状态、热交换方式和除尘模式,并在段式液晶屏中显示。当用户选择手动工作模式时,由按键操作程序决定执行机构工作方式。最后通过红外人体检测程序对室内人员活动进行判断。当一段时间内无人活动时,自动关闭新风机,此时间可由用户自主设定。

控制系统软件流程图如图2所示。

图2 系统主程序流程图Fig.2 Flowchart of system main program

4 功能模块设计

根据软硬件总体设计,控制系统可分为多个功能模块。本文将对段式液晶屏模块、空气污浊度采集模块、微尘浓度采集模块、温度采集模块、红外人体检测模块、驱动电路模块分别进行介绍。

4.1 段式液晶屏模块

控制器通过段式液晶屏向用户显示室内外温湿度、室内空气污浊度、室内外微尘浓度、通风强度、热交换方式、除尘模式、日期/时间、蜂鸣器状态等。

4.2 空气污浊度采集模块

FIGARO公司生产的TGS2600空气质量传感器,能够准确检测室内VOCs浓度。该传感器的敏感元件由集成了加热器以及在氧化铝基板上形成的金属氧化物半导体构成。当吸附还原性气体时,传感器导电率上升、电阻Rs下降。将洁净空气中传感器电阻设为Rs0,VOCs浓度计算公式为:

4.3 微尘浓度采集模块

控制器选用夏普灰尘传感器GP2Y1010AU0F构成空气微尘传感模块。该传感器采用一个红外发光二极管和一个光敏晶体三极管探测空气中灰尘反射的光线,能够对空气中的微小颗粒做出有效反应。传感器输出信号为不规则电压信号,电压峰值Vp出现在输入信号上升沿后0.28 ms。空气中微尘浓度Cd可通过下式计算:

式中:Cd为微尘浓度,mg/m3;Up为输出电压峰值,V。

4.4 温度采集模块

控制器选用具有负温度系数的NTC热敏电阻构成空气温度传感模块。NTC热能电阻具有灵敏度高、稳定性好、体积小、电阻值大等特点。温度传感模块输出端与单片机PF1端口相连,采用滤波算法对所采集数据进行滤波降噪处理。室内温度T可通过下式计算:

式中:T为室内温度,℃;URt为输出电压,V。

4.5 驱动电路模块

在具体实现中,本设计采用电磁继电器驱动电路控制各执行机构。继电器Relay1～Relay3控制通风电机进行高、中、低三档调速;继电器Relay4控制风门电机,对热交换方式进行选择;继电器Relay5控制静电除尘器的开启与关闭。以继电器Relay1为例,介绍其电路连接,如图3所示。

图3 继电器驱动电路Fig.3 Driver circuit of relay

ATmega3290的PE3端口通过输出高电平控制三极管Q1导通,使电磁继电器线圈得电,从而使High端口输出220 V交流电,进而使通风电机工作在高速模式。当继电器Relay4线圈得电时,风门电机控制风门挡板开启,进入旁通模式;反之风门挡板关闭,进入直通模式。当继电器Relay5线圈得电时,静电除尘器开启;反之关闭。

4.6 红外人体检测模块

红外人体检测模块主要由菲涅尔透镜、RE200B热释红外传感器和放大整形电路组成。该模块能够捕捉工作环境内人员移动所产生的红外信号,并对信号进行放大与整形处理[9]。信号放大与整形电路如图4所示。

图4 信号放大与整形电路Fig.4 Signal amplification and rectification circuit

程序开始后,首先对红外检测元件以及相关端口进行初始化。若检测到脉冲信号,则计数器加1。当定时器到达预定时间后,判断计数器数值。若不为0,则代表在预定时间内房间中曾有人活动,系统将定时器与计数器清零,准备捕获下一次脉冲信号;反之代表无人活动,控制器自动关闭新风机。

5 智能控制方案

在软件编制中,若选择自动模式,单片机根据室内VOCs浓度变化、室内外微尘浓度差值、室内温度的差值以及室内是否有人活动,自动控制新风机的运行状态。具体过程如下。

①当室内有人活动时,新风机保持在正常工作状态。采用查表法模糊控制策略,单片机根据当前时刻室内VOCs检测浓度Cv与预设浓度C0,计算偏差e和偏差变化率de,并分别进行量化处理;然后根据预先离线计算的模糊控制表查找当前时刻的输出量化值U;最后经反模糊化得到最终的输出控制量u并作用于通风风机。

②当室内微尘浓度小于室外微尘浓度时,静电除尘器自动开启;反之静电除尘器关闭。

③当处于春秋季节时,室内外温差较小,则选择旁通模式;当处于夏冬季节时,室内外温差较大,选择交换模式,新风与排风进行热量交换。

④室内处于无人活动状态的时间超过用户所设置的阈值后,控制器自动关闭新风机。

6 通风试验过程及结果

为了验证通风模糊控制方式的效果,利用自制的新风机控制系统,在秦皇岛市燕山大学某实验室中进行模拟试验。试验通过XSR70 06/T2USBLJN无纸记录仪检测VOCs浓度变化,并对空气质量控制效果进行了评价。

选择自动模式,ATmega3290根据TGS2600空气质量传感器检测到VOCs偏差和偏差变化率。按模糊控制规则输出风机控制电压,实现风机转速的实时控制。在同样条件下选用手动模式,并采用恒定风速进行对照试验。两种情况下VOCs浓度对比如图5所示。

图5 试验结果Fig.5 Experimental results

通过试验数据可知,相比采用恒定风速的情况,模糊控制方式对VOCs浓度变化响应速度更快,超调量明显降低,调节精度更高,能够更好更快地满足对室内通风控制的要求。

当VOCs浓度发生变化时,通过模糊控制器推理运算得到的控制电压可以实时控制风机转速的变化,试时调节风机运行时的功率,达到使新风机节能的目的。在试验过程中,应用模糊控制算法的风机实际消耗电量为0.012 37 kW·h,而在额定转速工作下的风机实际消耗电量为0.017 33 kW·h,节约电能高达28.6%。当一段时间内无人活动时,自动关闭新风机,这不仅保证了舒适度,更进一步节约了电力能源。

7 结束语

本文所研制的独立新风系统控制器属于室内空气质量智能控制系统。在功能实现方面,系统应用了先进的模糊控制策略对室内空气质量进行控制,并根据室内外温差选择热交换方式。同时,根据室内外微尘浓度选择除尘模式,并进一步应用红外人体检测技术自动控制系统关机,实现了根据环境变化自动调整系统工作状态的功能。在硬件方面,系统采用ATmega3290单片机,有效地减少了外围设备,节约了成本。试验表明,控制系统具有设计简单、运行稳定、操作方便、节能效果明显等优点,满足预期的各项功能需求。这种硬件设计与软件编程思路具有一定的推广价值。

[1] 朱海欧,汪蓉,卢志刚,等.装饰材料中挥发性有机物检测技术的研究进展[J].环境科学与技术,2011,34(9):73-81.

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[3] 张靖,邵敏,苏芳.北京市大气中挥发性有机物的组成特征[J].环境科学研究,2004,17(5):1-5.

[4] Burbank J J,Marmaras J M,Kosanovic D B.Dedicated outside air system(DOAS)-design vs.actual operation(are aggressive energy targets achievable?)[J].ASHRAE Transactions,2013,119.

[5] 殷平.独立新风系统(DOAS)研究(2):设计方法[J].暖通空调,2004,34(2):37-43.

[6] Mumma S A.Designing dedicated outdoor air systems[J].ASHRAE Journal,2001,43(5):28-32.

[7] 肖学军,王健.专用新风机控制器的设计[J].电子技术,2000, 27(3):32-35.

[8] 梅小雨,许昌,魏艳红.基于对数的NTC热敏电阻测温系统的设计[J].自动化与仪表,2011(5):54-57.

[9] 张佳一.热释电红外传感器放大电路的设计及其应用[J].广西通信技术,2010(3):24-26.

[10] 蔡满军,吴磊.智能温度控制器的设计[J].自动化仪表,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

河北省科技支撑计划基金资助项目(编号:10213944)。

修改稿收到日期:2014-03-13。

王冀龙(1988-),男,现为燕山大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生;主要从事单片机与智能监控的研究。