郭 幸, 李彬彬, 王志剛, 胥 飛, 紀(jì) 璇

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)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(nèi)裝修使用的化學(xué)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(qiáng)，人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量問題日益重視。發(fā)展具有實時監(jiān)測功能的多參數(shù)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測設(shè)備已成為行業(yè)發(fā)展的迫切需求[3]。針對空氣質(zhì)量和陰雨天氣室內(nèi)空氣潮濕問題，設(shè)計了新風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)適應(yīng)范圍廣、穩(wěn)定性強(qiáng)，符合現(xiàn)代人們追求高生活質(zhì)量的需求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)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(tǒng)組成。該系統(tǒng)既可根據(jù)當(dāng)前空氣狀況自動切換新風(fēng)模式、除濕模式、除霜模式，也可由用戶根據(jù)自身需要手動開啟新風(fēng)模式、除濕模式、除霜模式。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

1.1 系統(tǒng)的控制過程

單片機(jī)和空氣質(zhì)量傳感器之間通過RS-485進(jìn)行通信，單片機(jī)將接收到的溫度、濕度和CO2，CH2O，總揮發(fā)性有機(jī)物(Total Volatile Organic Compounds,TVOC)，PM2.5的數(shù)據(jù)通過加權(quán)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(yīng)的繼電器通斷，實現(xiàn)對電動風(fēng)閥、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的控制。單片機(jī)和觸控屏之間也通過RS-485進(jìn)行通信，單片機(jī)將機(jī)組當(dāng)前的工作狀態(tài)和空氣質(zhì)量參數(shù)發(fā)送到觸控屏，觸控屏經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示在用戶界面上。

1.2 機(jī)組運行原理

新風(fēng)機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示，進(jìn)風(fēng)口A和出風(fēng)口A位于室內(nèi)，進(jìn)風(fēng)口B和出風(fēng)口B位于室外。圖中六邊形部件為特殊的單向?qū)эL(fēng)裝置，空氣流動的方向只有1→2和3→4，即風(fēng)向2和風(fēng)向1。機(jī)組主要部件還包括1個電動風(fēng)閥、2個離心式風(fēng)機(jī)、靜電除塵裝置、雙層高效活性炭濾芯、壓縮機(jī)、熱交換器和隔熱棉等。

(1) 新風(fēng)模式。打開風(fēng)閥和2個風(fēng)機(jī)，室外空氣由進(jìn)風(fēng)口B進(jìn)入，經(jīng)過靜電除塵裝置吸附空氣中的塵埃、微粒等物質(zhì)，再經(jīng)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(fēng)口A進(jìn)入到室內(nèi)。同時室內(nèi)的空氣由進(jìn)風(fēng)口A被吸入，經(jīng)過出風(fēng)口B被排出室外。

(2) 除濕模式。在新風(fēng)模式的基礎(chǔ)上關(guān)閉風(fēng)閥，開啟壓縮機(jī)。室內(nèi)空氣中的水汽經(jīng)過壓縮機(jī)的熱交換凝結(jié)成水珠，由管道排出室外，從而降低室內(nèi)空氣的濕度。

(3) 除霜模式。開啟出風(fēng)口B的風(fēng)機(jī)，只保持風(fēng)向2流通。

圖1 新風(fēng)機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

系統(tǒng)整體硬件如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體硬件框圖

2.1 傳感器接口模塊

本系統(tǒng)外接了3個傳感器，分別為1個空氣質(zhì)量傳感器和2個溫度傳感器DS18B20。

空氣質(zhì)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(zhì)量傳感器，可對所處環(huán)境進(jìn)行實時偵測并通過一定的協(xié)議格式輸出數(shù)據(jù)，使用方便，具有良好的穩(wěn)定性。它的檢測參數(shù)及分辨率如表2所示[4]。

表2 空氣質(zhì)量傳感器檢測參數(shù)及分辨率

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

數(shù)據(jù)程序公式如下：

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

溫度傳感器DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的第一款支持“單總線”接口的溫度傳感器[5]?？紤]到維修和更換的方便性，本系統(tǒng)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(fā)器和冷凝器的溫度。

2.2 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器3個部分組成。濕空氣被風(fēng)機(jī)吸到蒸發(fā)器附近，溫度降低，空氣中的水汽凝結(jié)成水，這樣就可以有效地去除空氣中的水汽[6]。制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

若壓縮機(jī)的吸氣溫度較高，則壓縮機(jī)的排氣溫度也會升高，這會使得壓縮機(jī)的工作環(huán)境惡化，嚴(yán)重的會使空壓機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)積碳現(xiàn)象[7]。降低壓縮機(jī)吸氣溫度可以有效降低壓縮機(jī)的能耗。在壓比一定的情況下，單位質(zhì)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(jī)設(shè)計了三重保護(hù)措施。

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

(2) 高低氣壓保護(hù)。當(dāng)壓縮機(jī)內(nèi)氣壓過高或過低都會觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。

(3) 頻繁啟停保護(hù)。壓縮機(jī)兩次開啟時間間隔不得低于30 min。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 通信協(xié)議

STC12C5A60S2單片機(jī)帶有兩個串行通信接口[9]。使用串口1與空氣質(zhì)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(fā)生器，波特率9 600，UART數(shù)據(jù)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(fā)生器，波特率9 600，UART數(shù)據(jù)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(tǒng)采用雙RS-485的通信方式，并給它們約定固定的通信協(xié)議[10]。約定如下。

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

(2) 空氣質(zhì)量傳感器返回數(shù)據(jù)為：0x01 0x03 0x0A TVOC CH2O PM2.5溫度 濕度 CRC校驗。

(3) MCU與觸控屏通信統(tǒng)一以0xA5 0x5A開頭。

(4) MCU發(fā)送到屏幕的數(shù)據(jù)：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(diào)出警告畫面：0xA5 0x5A 0x04 0x80 0x03 0x00 0x08。

(6) 調(diào)出待機(jī)畫面：0xA5 0x5A 0x04 0x80 0x03 0x00 0x00。

當(dāng)單片機(jī)、觸控屏和空氣質(zhì)量傳感器接收到數(shù)據(jù)后，都會先進(jìn)行比對，如果和事先約定的通信協(xié)議不同則舍棄掉此次接收到的數(shù)據(jù)。

3.2 軟件流程

由于STC12C5A60S2單片機(jī)無法實現(xiàn)多線程操作[11]。系統(tǒng)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(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻是隨機(jī)的。因此，運行過程中會存在單片機(jī)通信沖突的問題，甚至?xí)?dǎo)致程序跑飛[12]。為避免這種情況的出現(xiàn)，程序中使用中斷優(yōu)先級更高的定時器0進(jìn)行500 ms定時中斷[13]。每間隔500 ms單片機(jī)向空氣質(zhì)量傳感器發(fā)送讀參數(shù)命令，空氣質(zhì)量傳感器接收到命令后立即返回當(dāng)前空氣參數(shù)。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?？諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)處理部分包括從串口接收的數(shù)據(jù)提取、加權(quán)平均計算、將結(jié)果放進(jìn)準(zhǔn)備發(fā)送給觸控屏的數(shù)組中等一系列操作。開關(guān)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(qiáng)制進(jìn)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(jié)果分析

經(jīng)過實物現(xiàn)場測試，該控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)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?qū)崿F(xiàn)自動手動除濕除塵。測試環(huán)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(nèi)PM2.5濃度達(dá)到800 μg/m3，開啟機(jī)組，每隔1 min記錄室內(nèi)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?jié)舛葹?.08 mg/m3(國家安全標(biāo)準(zhǔn)為0.1 mg/m3)[14]。濕度起始值為80%，截止值為50%。

測試結(jié)果如圖6所示，開機(jī)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(wěn)下降，9 min時達(dá)到0.08 mg/m3，13 min時CH2O濃度下降了90%。空氣濕度在6 min內(nèi)從80%降到了70%，此后平穩(wěn)下降，開機(jī)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(biāo)之一，其數(shù)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(jié)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(tài)污染物的CADR值。

經(jīng)驗證，實驗結(jié)果符合設(shè)計要求。主界面顯示了實時的空氣各項參數(shù)，功能界面有模式的切換和風(fēng)速的設(shè)置等功能[15]。

5 結(jié) 語

本文介紹了新風(fēng)機(jī)組的應(yīng)用背景，分析了機(jī)組的工作原理，并對如何實現(xiàn)單片機(jī)、觸控屏、空氣質(zhì)量傳感器三者之間無沖突通信進(jìn)行了討論。以軟硬件設(shè)計思想制作了樣機(jī)，經(jīng)過實際驗證達(dá)到了設(shè)計要求，實現(xiàn)了實時空氣參數(shù)顯示，并可以根據(jù)當(dāng)前空氣質(zhì)量開啟自動除塵、除濕、通風(fēng)等功能，有效地濾除了空氣塵埃，降低了空氣濕度。用單片機(jī)與觸控屏相結(jié)合的控制方式，不僅保證了產(chǎn)品的科技感與易操作性，還降低了硬件成本，有一定的商業(yè)前景。