小型数控式相对湿度控制装置研制

曾建荣 王首智 曹玲玲 李 燕

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

2（清华大学 工程物理系 北京 100084）

3（成都工业学院 电子工程学院 成都 611730）

小型数控式相对湿度控制装置研制

曾建荣1王首智2曹玲玲3李 燕1

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

2（清华大学 工程物理系 北京 100084）

3（成都工业学院 电子工程学院 成都 611730）

相对湿度(Relative humidity, RH)是很多实验过程的关键环境参数之一，RH控制对同步辐射在线实验尤为重要。基于单片机的动态控制，研制了一套便于加载至同步辐射实验线站在线使用的小型数控式RH控制装置。该装置使用微型气泵抽取潮湿空气和干燥空气分别构建了加湿和除湿两个通道对控湿腔体内RH进行动态平衡。采用模糊控制算法通过单片机实时控制RH的变化。该装置能将RH控制在20%-94%，误差为±1.0%；能以固定速度控制RH稳定上升(20%-90%)或稳定下降(90%-20%)，误差为±1.5%；能在湿度上升、稳定和下降三个工作模式之间快速切换，可满足同步辐射在线实验对湿度控制的多种需求。

同步辐射，相对湿度，数控

利用XS128单片机进行湿度精确检测及其控制的智能化方法研究，制作了一套便于加载到同步辐射实验线站使用的小型数控式湿度控制装置。

1 系统硬件设计

1.1 整体设计

装置由控湿腔、传感器、加/除湿通道、单片机、计算机和线缆组成，通过干、湿空气流动达到动态平衡来控制RH的变化（图1）。传感器监控腔体内RH并通过单片机与目标RH值进行比较，采用模糊控制算法得到控制信息。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)驱动模块根据控制信息调控加湿气泵A或除湿气泵B的转速，从而改变腔体内RH平衡值。调控周期与传感器采样周期同步，可实现对RH的实时控制。计算机通过MATLAB程序对数据进行读取、动态显示及储存等。

图1 装置系统整体设计图Fig.1 Design schema of the device system.

1.2 单片机

系统核心板选用美国Freescale公司MC9S12XS128型单片机。S12XS系列单片机具有双路串行通讯接口(Serial Communication Interface, SCI)、8通道24位周期中断计时器、8通道16位计时器、8通道PWM输出和多达16通道的12位模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)等多种外围设备。其中，两路SCI（分别记为端口0和1）和两路PWM是本系统需要使用的核心功能。使用80引脚QFP (Quad Flat Package)封装的MC9S12XS128型单片机，具有128 KB FLASH空间，8 KB RAM (Random Access Memory)空间和8KB 数据FLASH空间。开发板采用清华大学Freescale单片机应用开发研究中心的应用开发板。

1.3 温湿度传感器

隧道运营通风设计，洞内分别在K103+311和K103+441处设联络风道。联络风道内设置轴流风机，通过互补通风满足运营要求。

温湿度传感器采用瑞士ROTRONIC公司的HygroClip 2 (HC2)探头，其RH测量范围是0%-100% RH，精度±0.8% RH，采样周期为1 s，3.3V电压供电。该探头提供一个数字串口，可以向外自动发送测量信号，最短发送周期为1 s。将该数字串口与单片机SCI端口1相连，使用RS232转UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)模块进行逻辑电平转换。单片机采用中断接收，1 s接收一次信号并将此作为系统的控制周期。

1.4 加湿通道与除湿通道

加湿通道由加湿气泵向控湿腔抽入湿润空气（经由水产生）以达到加湿目的，除湿通道由除湿气泵向控湿腔抽入干燥空气（经由干燥剂产生）以达到降湿目的。锥形瓶采用软木塞封口，便于开启更换水和干燥剂。装置采用循环式充气抽气，既提高加湿除湿效率，又避免与周围环境的交互影响。

气泵选用成都气海机电制造公司的PK4512微型真空泵，工作电压为24 V，峰值流量12 L·min-1，平均流量实测在8.5-10 L·min-1。因气泵工作电压远高于单片机供电电压，采用24 V电位器正反转大功率调速板，通过输入单片机的PWM信号对输出电压的占空比进行调节。

1.5 外形设计

湿度控湿腔采用聚丙烯塑料制作，体积为29.5cm×23.0 cm×18.5 cm，可通过控制气泵占空比达到灵活控湿腔内RH的目的。单片机的数码管显示模块可以实时显示控湿腔体内的RH值，按键可以控制单片机控制系统的启停以及工作模式，电位器可以设置RH的目标值。

2 系统软件设计

2.1 MATLAB

单片机与计算机之间同样采用串口通讯，将SCI端口0转USB接口后与计算机连接，在计算机安装驱动后即可识别为RS232串口。使用MATLAB的serial函数读取串口数据，并使用instrcallback函数进行中断接收，中断周期与单片机中断周期一致，依此达到时钟信号的匹配。单片机向计算机发送接收的当前RH信息、RH偏差、RH变化率、加湿气泵和除湿气泵的占空比，计算机将接收到的数据进行储存和动态绘图，以此实现动态监测的功能。

2.2 模糊控制算法

模糊控制是工程控制中一种重要的方法[5-7]。 RH的变化具有很强的时滞性[5]，PID (Proportion Integration Differentiation)算法对参数依赖严重，此处采用带有死区的模糊控制算法[6,8]。RH与目标湿度的偏差分为7类：极低(-∞，-1)、较低(-1，-0.5)、偏低(-0.5，-0.2)、正好(-0.2，0.3)、偏高(0.3，0.5)、较高(0.5，1)、极高(1，∞)；RH变化率分为6类：极小(-∞，-0.15)、较小(-0.15，-0.08)、偏小(-0.08，0)、偏大(0，0.08)、较大(0.08，0.15)、极大(0.15，∞)；加湿控制依据占空比分为8类：0 (0%)、1 (5%)、 2 (10%)、3 (24%)、4 (50%)、5 (70%)、6 (90%)，7 (100%)；除湿控制依据占空比分为8类：0 (0%)、1 (3%)、2 (8%)、3 (20%)、4 (50%)、5 (60%)、6 (80%)、7 (100%)；对每种场景采用不同的控制策略（表1）。为加快RH到达目标值的速度，在RH偏差大于3%时，设置加/除湿气泵满功率运行。

表1 模糊控制策略Table1 Fuzzy control strategy.

3 主要性能测试与讨论

3.1 控湿腔内温度变化对RH的影响

在装置控湿过程中随机抽取几个时间点对控湿腔内的温、湿度进行测量，结果如表2所示。

表2 控湿腔内湿度控制过程中的温度变化Table2 Temperature changes in the chamber during the RH controlling.

从表2可知，在263 min内，RH发生大跨度的变化，而温度变化的最大值仅为0.5 °C。由不同温度下纯水的饱和蒸汽压计算公式：PW=610.7× 107.5T/(T+237.3)可知[9-10]，由于温度变化，RH会产生的相对误差最大为2.3%。考虑到控湿腔内温度随时间的变化比较缓慢，可以忽略温度对RH控制的影响。

3.2 RH恒值稳定控制

RH稳定控制目标为：RH可以稳定在20%-100%之间任意值，波动在±1.0% RH。将除湿气泵关闭，加湿气泵满功率运行，实测RH最大可达到94%（图2）。RH未能达到100%的主要原因有：测试用水里面含有微量无机盐，从理论上限制了RH达到100%；装置主要用于提供在线实验样品湿度环境，为方便更换样品，其气密性要求较低，干、湿空气通道存在微量气漏；此外湿度过高，传感器的测量精度会进一步下降，也会影响控制效果。

图2 最大加湿功率下RH的变化Fig.2 RH change using maximum humidification power.

随机选取RH为21%、33%、44%、53%、64%、76%和88%共7个点进行控制测试（图3）。

图3 RH稳定在不同值时随时间变化曲线Fig.3 RH change with time when it is held on different values.

图4 均匀加湿时RH变化情况(a)和与目标值的偏差(b)Fig.4 RH change (a) and deviation from RH control (b) when it is increased at a constant speed.

可以看出，RH在80%以下时，系统可以在60 s内达到目标稳定值；湿度较高时（例如88%），达到目标稳定值的时间加长至180 s。除了RH值为21%和53%时波动较大(＞1%)之外，在其余RH值时波动在±1.0%之间。结果表明，装置系统对固定RH的恒值控制较为稳定，并且达到目标控制值所需时间较短（3 min以内）。

3.3 RH均匀上升控制

RH均匀上升控制测试从20%开始，以0.5%·min-1的速度上升至90%（图4）。从图4(a)可知，RH整体变化趋势与目标曲线一致，但从图4(b)的细节上可以看出，实际湿度围绕着目标曲线发生剧烈的震荡，在RH为中等大小时这种现象尤为明显。从偏差的数值上看，0-2000 s (21.0%-36.3% RH)，偏差稳定在-1.8%-0.5%，2000-5000 s (36.3%-61.1% RH)期间，偏差达到-2.5%-0.5%，5000-8000 s (61.1%-86.5% RH)，偏差达到-2%-0%，8000 s (RH＞86.5%)以后，偏差达到-1.5%-0.5%。

从图4(b)还可以看出，RH动态值与目标值相比有相对稳定的系统性差值，约为-1%，此时，RH总体在±1.5%范围内波动。从RH均匀下降的控制测试中也可以看到类似的现象，与目标值相比，实际值系统性的偏小，这表明在RH控制时，同样转速的加湿气泵和除湿气泵，除湿气泵的作用更大。

3.4 RH均匀下降控制

RH均匀下降控制从90%开始，以-0.5%·min-1的速度下降至20%，实验结果如图5所示。从图5(a)可知，RH整体变化趋势与目标曲线一致。但从图5(b)的细节上可以看出，实际RH围绕着目标曲线发生剧烈的震荡，在RH较低时这种现象尤为明显。从偏差的数值上看，0-3000 s (86.1%-63.5% RH)，偏差稳定在-1%-0.5%，3000-5000 s (63.5%-47.5% RH)期间，偏差达到-1.5%-1.5%，5000-7500 s (47.5%-26.1% RH)，偏差达到-1%-1.5%，7500 s (RH＜26.1%)以后，偏差达到-1.5%-1%。整体来看，偏差在-1%-1%之间，某些时刻可以达到-1.5%-1.5%。从图5(b)可知，在某些RH范围段，偏差较小。这表明不同RH的情况下控制策略可以做出一些局部微调以达到最佳控制效果。例如，RH偏高(＞80%)或偏低(＜30%)时，可将“偏高”、“较高”、“极高”的分类标准区间进一步扩大以减小震荡。

图5 均匀除湿时RH随时间变化情况(a)和与目标值的偏差(b)Fig.5 RH change (a) and deviation from RH control (b) when it is decreased at a constant speed.

3.5 RH控制工作模式切换

RH控制有三种工作模式：稳定速度上升、固定在设定值和稳定速度下降。装置系统在实验过程中，可以通过单片机的复位进行重新设置，从而选取RH控制的工作模式，具有很大的灵活性。上升和下降速度也可以根据需要通过改变设定值而灵活选用。

4 结语

本文研制了一套可以加载到同步辐射线站上的小型数控式RH控制装置。该装置能将RH控制在20%-94%，误差在±1.0%；能以稳定速率（实测时选取为0.5%·min-1）控制RH从20%稳定上升至90%，或从90%稳定下降至20%，误差为±1.5%。装置工作时温度变化小于0.5 °C，对RH的影响可以忽略。该装置可以在RH上升、固定和下降模式之间灵活切换；连续工作时间可维持在3 h以上，控制数据可以动态显示和实时存储；具有较好的准确性、灵活性和可靠性。本装置可满足同步辐射在线实验对湿度进行精确控制的多种需求。

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An NC-type relative humidity control device for in-situ experiments

ZENG Jianrong1WANG Shouzhi2CAO Lingling3LI Yan1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
3(School of Electronic Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China)

Background:Relative humidity (RH) is one of the key environmental parameters in many experimental processes, and RH control is particularly important for in-situ synchrotron radiation experiments. However, there is no suitable commercial RH control equipment available for such experiments. Purpose: Based on the dynamic control of microcontroller, this study aims to develop an integrated set of numerically controlled (NC) RH control device, which can be conveniently loaded on the synchrotron radiation end-stations. Methods: A moisture channel and another dry air channel are connected to the sample chamber for humidification and dehumidification respectively. The dynamic equilibrium of RH at various values is controlled by the microcontroller using a fuzzy algorithm. Results: This device can hold the RH with an error of ±1.0% at any set value from 20% to 94%. It also can increase the RH from 20% to 90% and decrease the RH from 90% to 20% with an error of ±1.5% at a constant speed. Conclusion: This device can provide RH controlling environment with three switchable operation modes including RH holding, increasing and decreasing. It can meet various requirements of humidity control in kinds of synchrotron radiation in-situ experiments.

Synchrotron radiation, Relative humidity, Numerical control

ZENG Jianrong, male, born in 1985, graduated from University of Chinese Academy of Sciences with a doctoral degree in 2013, focusing on

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.010103

No.11305242)资助

曾建荣，男，1985年出生，2013年于中国科学院大学获博士学位，研究领域为同步辐射技术及其应用

2016-11-07，

2016-12-21

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11305242)

synchrotron radiation and its application, E-mail: zengjianrong@sinap.ac.cn

Received date: 2016-11-07, accepted date: 2016-12-21