商用新风机组控制系统设计
2019-01-02李彬彬王志刚
郭 幸, 李彬彬, 王志刚, 胥 飞, 纪 璇
(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)
城市有害颗粒物的排放是形成雾霾的人为因素，而水汽是形成雾霾的重要因素[1]。室内装修使用的化学用品已成为危害人类身体健康的“隐形杀手”[2]。随着健康意识的增强，人们对室内空气质量问题日益重视。发展具有实时监测功能的多参数室内空气质量检测设备已成为行业发展的迫切需求[3]。针对空气质量和阴雨天气室内空气潮湿问题，设计了新风机组控制系统。本控制系统适应范围广、稳定性强，符合现代人们追求高生活质量的需求。
1 系统整体设计方案
系统硬件主要由RS-485通信模块、光电隔离模块、电源模块、传感器接口模块、制冷系统组成。该系统既可根据当前空气状况自动切换新风模式、除湿模式、除霜模式，也可由用户根据自身需要手动开启新风模式、除湿模式、除霜模式。其主要技术参数如表1所示。
表1 技术参数
1.1 系统的控制过程
单片机和空气质量传感器之间通过RS-485进行通信，单片机将接收到的温度、湿度和CO2，CH2O，总挥发性有机物(Total Volatile Organic Compounds,TVOC)，PM2.5的数据通过加权平均处理后与逻辑动作值比较，如果满足动作条件，则通过光电隔离控制相应的继电器通断，实现对电动风阀、风机、压缩机的控制。单片机和触控屏之间也通过RS-485进行通信，单片机将机组当前的工作状态和空气质量参数发送到触控屏，触控屏经过数据处理后显示在用户界面上。
1.2 机组运行原理
新风机组结构如图1所示，进风口A和出风口A位于室内，进风口B和出风口B位于室外。图中六边形部件为特殊的单向导风装置，空气流动的方向只有1→2和3→4，即风向2和风向1。机组主要部件还包括1个电动风阀、2个离心式风机、静电除尘装置、双层高效活性炭滤芯、压缩机、热交换器和隔热棉等。
(1) 新风模式。打开风阀和2个风机，室外空气由进风口B进入，经过静电除尘装置吸附空气中的尘埃、微粒等物质，再经过双层高效活性炭滤芯去除空气中的PM2.5,CH2O,TVOC。最后由出风口A进入到室内。同时室内的空气由进风口A被吸入，经过出风口B被排出室外。
(2) 除湿模式。在新风模式的基础上关闭风阀，开启压缩机。室内空气中的水汽经过压缩机的热交换凝结成水珠，由管道排出室外，从而降低室内空气的湿度。
(3) 除霜模式。开启出风口B的风机，只保持风向2流通。
图1 新风机组结构图
2 系统硬件设计
系统硬件分为3大部分，控制部分包括：触控屏与单片机及其外围电路；传感器部分包括：空气质量传感器、高低气压报警模块、温度传感器模块；机械部分包括：静电除尘装置、压缩机、离心式风机、电动风阀。
系统整体硬件如图2所示。
图2 系统整体硬件框图
2.1 传感器接口模块
本系统外接了3个传感器，分别为1个空气质量传感器和2个温度传感器DS18B20。
空气质量传感器是广州市龙戈电子科技有限公司的一款集CO2，PM2.5，温湿度，TVOC及CH2O于一体的综合型空气质量传感器，可对所处环境进行实时侦测并通过一定的协议格式输出数据，使用方便，具有良好的稳定性。它的检测参数及分辨率如表2所示[4]。
表2 空气质量传感器检测参数及分辨率
波特率为9 600，无校验位，1位停止位，返回数据时间小于300 ms，读取速度不可超过350 ms。
数据程序公式如下：
程序中：CO2H为CO2数据的高8位，CO2L为CO2数据的低8位；TVOCH为TVOC数据的高8位，TVOCL为TVOC数据的低8位；CH2OH为CH2O数据的高8位，CH2OL为CH2O数据的低8位；PM2.5-H为PM2.5数据的高8位，PM2.5-L为PM2.5数据的低8位；HH为湿度数据的高8位，HL为湿度数据的低8位；TH为温度数据的高8位，TL为温度数据的低8位。
温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一款支持“单总线”接口的温度传感器[5]。考虑到维修和更换的方便性，本系统采用一根信号线接一个传感器的方案。2个温度传感器分别测量热交换器的蒸发器和冷凝器的温度。
2.2 制冷系统
制冷系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器3个部分组成。湿空气被风机吸到蒸发器附近，温度降低，空气中的水汽凝结成水，这样就可以有效地去除空气中的水汽[6]。制冷系统结构如图3所示。
图3 制冷系统结构图
若压缩机的吸气温度较高，则压缩机的排气温度也会升高，这会使得压缩机的工作环境恶化，严重的会使空压机内部出现积碳现象[7]。降低压缩机吸气温度可以有效降低压缩机的能耗。在压比一定的情况下，单位质量气体压缩所消耗的功随吸气温度的升高而增加[8]。因此，在硬件和软件中给压缩机设计了三重保护措施。
(1) 温度保护。2个温度传感器分别检测蒸发器和冷凝器的温度，并设置温度上下限，温度超限时压缩机停止工作。
(2) 高低气压保护。当压缩机内气压过高或过低都会触发保护机制。
(3) 频繁启停保护。压缩机两次开启时间间隔不得低于30 min。
3 系统软件设计
3.1 通信协议
STC12C5A60S2单片机带有两个串行通信接口[9]。使用串口1与空气质量传感器通信，使用串口2与触控屏通信。串口1的配置为：使用定时器1作为波特率发生器，波特率9 600，UART数据8位，停止位1位，无校验位。串口2的配置为：使用独立波特率发生器，波特率9 600，UART数据8位，停止位1位，无校验位。为保证通信的距离和可靠性，本系统采用双RS-485的通信方式，并给它们约定固定的通信协议[10]。约定如下。
(1) MCU发送到空气质量传感器查询指令为：0x01 0x03 0x00 0x01 0x00 0x05 0xD4 0x09。
(2) 空气质量传感器返回数据为：0x01 0x03 0x0A TVOC CH2O PM2.5温度 湿度 CRC校验。
(3) MCU与触控屏通信统一以0xA5 0x5A开头。
(4) MCU发送到屏幕的数据：0xA5 0x5A 0x14 0x80 0x60 PM2.5温度 湿度 CH2O TVOC 温度1 温度2 0x00 0x00 0x0F 和校验。
(5) 调出警告画面：0xA5 0x5A 0x04 0x80 0x03 0x00 0x08。
(6) 调出待机画面：0xA5 0x5A 0x04 0x80 0x03 0x00 0x00。
当单片机、触控屏和空气质量传感器接收到数据后，都会先进行比对，如果和事先约定的通信协议不同则舍弃掉此次接收到的数据。
3.2 软件流程
由于STC12C5A60S2单片机无法实现多线程操作[11]。系统中存在多个对象之间的通信，触控屏作为面向客户的输入端其向单片机发送数据的时刻是随机的。因此，运行过程中会存在单片机通信冲突的问题，甚至会导致程序跑飞[12]。为避免这种情况的出现，程序中使用中断优先级更高的定时器0进行500 ms定时中断[13]。每间隔500 ms单片机向空气质量传感器发送读参数命令，空气质量传感器接收到命令后立即返回当前空气参数。程序流程图如图4所示。
图4 程序流程图
初始化部分包括定时器0初始化、串口1和串口2初始化、开启总中断等。空气质量数据处理部分包括从串口接收的数据提取、加权平均计算、将结果放进准备发送给触控屏的数组中等一系列操作。开关逻辑处理部分包括自动模式和手动模式，自动模式下可以强制进行手动操作。手动模式下，自动模式失效。自动模式的控制流程如图5所示。
4 实验与结果分析
经过实物现场测试，该控制系统能够准确测量并显示实时空气的CO2，CH2O，PM2.5，TVOC的含量、温度和湿度，能够实现自动手动除湿除尘。测试环境：体积约38 m3的密闭空间，室温28 ℃。
图5 自动模式控制流程
测试方法：点燃香烟使室内PM2.5浓度达到800 μg/m3，开启机组，每隔1 min记录室内PM2.5浓度值，降到20 μg/m3以下停止记录。CH2O、湿度测试方法与PM2.5测试方法相同，CH2O起始浓度为0.26 mg/m3，截止浓度为0.08 mg/m3(国家安全标准为0.1 mg/m3)[14]。湿度起始值为80%，截止值为50%。
测试结果如图6所示，开机运行7 min后PM2.5浓度显著下降，8.5 min时PM2.5浓度下降了90%，17 min后PM2.5浓度降到20 μg/m3以下。CH2O的浓度趋于平稳下降，9 min时达到0.08 mg/m3，13 min时CH2O浓度下降了90%。空气湿度在6 min内从80%降到了70%，此后平稳下降，开机26 min后空气湿度降至50%。
洁净空气净化比率CADR是衡量空气净化性能的指标之一，其数值越高则表示净化效能越高。CADR的计算可表示为
式中：V为实验容积，m3；t为记录浓度降低90%时运行的时间，h。
由实验结果得
(a) PM2.5浓度随时间变化图
(b) CH2O浓度随时间变化图
(c) 空气湿度随时间变化图
式中：Ck为颗粒物的CADR值；Cq为气态污染物的CADR值。
经验证，实验结果符合设计要求。主界面显示了实时的空气各项参数，功能界面有模式的切换和风速的设置等功能[15]。
5 结 语
本文介绍了新风机组的应用背景，分析了机组的工作原理，并对如何实现单片机、触控屏、空气质量传感器三者之间无冲突通信进行了讨论。以软硬件设计思想制作了样机，经过实际验证达到了设计要求，实现了实时空气参数显示，并可以根据当前空气质量开启自动除尘、除湿、通风等功能，有效地滤除了空气尘埃，降低了空气湿度。用单片机与触控屏相结合的控制方式，不仅保证了产品的科技感与易操作性，还降低了硬件成本，有一定的商业前景。
