基于Proteus的防凝露控制器仿真设计

2014-09-21国立华侨大学信息学院黄文权吴燕峰

智能建筑与智慧城市 2014年1期

关键词：环境参数开关柜湿度

文│ 国立华侨大学信息学院黄文权吴燕峰

文│ 国立华侨大学信息学院黄文权吴燕峰

此文基于Proteus软件技术进行防凝露控制的仿真设计，通过控制器实时监测电气柜内及柜外的温/湿度，并根据防凝露控制策略对加热设备和通风散热设备进行控制，防止电气柜内部凝露的产生，增加电气设备的有效工作时间。

防凝露；仿真；Proteus

1 引言

传统防凝露控制器多数采用温度传感器配合电加热器来防止凝露的产生，虽然起到积极的作用，但在实际应用中仍存在问题，如南方梅雨季节或室外条件恶劣的地区，传统控制器并不能完全杜绝凝露发生。

因此，本文根据凝露发生和预防机理，设计一款具有多路传感器的防凝露控制器，该设备具有新型的防凝露控制策略，取代了传统控制器长期加热驱潮方式，并在此基础上进行编程实现软件仿真，初步验证其应用的可行性。

2 防凝露仿真硬件

本课题设计的防凝露控制器是以AT89C51单片机为核心，通过DS18B20来采集开关柜内及柜外的温度值，通过SHT11来采集开关柜内的湿度值。同时，防凝露控制系统可以通过采集到的温度和湿度值来控制散热电路和加热电路的通断，从而防止开关柜内的环境出现凝露状态。

其中，DS18B20是Dallas公司推出的一种改进型智能数字温度传感器，只需一根线就能直接读出被测温度，并能够根据实际需求进行编程，实现9～12位数字值的读数方式，与单片机的连接电路如图1所示，注意信号线DQ需要加10k的上拉电阻。温/湿度传感器SHT11集成一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大，然后进入一个14位的A/D转换器，最后经过二线串行数字接口I2C输出数字信号，SCK和DATA线也需加10k上拉电阻。

防凝露控制输出为电加热器和散热风扇，在仿真中分别采用LED和电机来模拟，以获得直观的仿真效果。其中三极管和继电器构成电机的驱动部分，整个防凝露控制系统的硬件电路如图2所示。

DS18B20、SHT11都是常用的传感器，具体应注意两点：①该传感器对读/写的数据位有着严格的时序要求，需按照通讯协议来保证各位数据传输的正确性和完整性；②读取的数据还需要在单片机软件上进行线性修正，才可获得较精确的实时数据。

3 防凝露控制策略及软件实现

温度和湿度是凝露发生的两个重要因素，上述防凝露控制器通过采集电气柜的环境参数，包括柜外温度、柜内温度和柜内湿度，再经过防凝露控制策略进而控制电加热设备或风机排风散热设备的运行，抑制凝露现象的产生条件，达到防凝露的效果。

温度是电气设备正常运行的必要参数，同时温度突变也是导致凝露现象的一个重要原因。研究表明，电气设备运行时周围环境温度的上限值不应超过40℃，否则容易导致设备局部高温，影响设备的稳定性、动作的可靠性以及计量的准确性，甚至直接损坏设备。在一般情况下，当温度低于15℃时，开关柜内设备散热损失大，露点温度低，凝露的可能性较高。所以，文中的防凝露控制策略选择40℃作为开关柜内适宜工作温度的上限值，15℃作为开关柜内设备适应工作温度的下限值。

同时研究还发现，电气设备长期处于高湿度环境，不但凝露风险大大提高，而且金属/电气材料的腐蚀速度也会加快，加之电气柜内的环境参数并不均匀，常出现局部环境温度偏低或湿度高造成的局部凝露等问题，因此湿度参数的选取需保留一定裕量，本文拟选取70%相对湿度作为临界湿度值。

综上所述，根据所测量的环境参数制定如下控制思路：当柜内温度低于15℃时启用电加热器；柜内温度高于40℃则开启风机散热；介于两温度之间时需结合柜外温度、柜内温度、柜内湿度，并查询凝露曲线数据，进行防凝露控制。

图3是防凝露控制软件的程序流程图。在柜内温度t1为15℃ ～40℃时，综合考虑柜外温度t2、柜内相对湿度RH等参数。若柜内温度t1高于柜外温度t2，则进一步判断柜内相对湿度RH是否低于70%。若两者都满足可打开风机散热，则单纯的通风降温有可能导致凝露发生，此时不应动作；若柜内温度t1低于柜外温度t2，则一般情况下无需通风散热也无需加热；但当柜内相对湿度RH高于70%时，应启动电加热，预防局部凝露。

当柜内温度低于15℃时，仿真结果如图4所示。其柜内温度为14℃，仅LED灯常亮，表示加热设备开始运行，同时，与柜外温度和柜内湿度的数值大小无关。综合其他几种情况的运行验证说明，该控制器已实现预定的防凝露策略。