列車車廂空氣質(zhì)量檢測與自動控制系統(tǒng)的研究

朱菊香，張趙良，王玉芳，陳逸菲

（1.南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，江蘇 無錫214105；2.南京信息工程大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京210044）

0 引 言

列車是我國現(xiàn)今中長途客運(yùn)的關(guān)鍵交通工具之一，具備靈活、安全、便捷、舒適、成本低等特征[1]。列車行駛速度較快并且密封性強(qiáng)，因此列車車廂的空氣質(zhì)量問題日益顯現(xiàn)，已經(jīng)成為國內(nèi)外的重點(diǎn)研究課題之一。對列車來說，舒適化、高速化是其未來發(fā)展的主流趨勢[2]。

列車車廂空氣質(zhì)量會影響乘客的舒適性，特別是列車臥鋪車廂，其空調(diào)送風(fēng)口較為分散，車廂內(nèi)空氣流動空間較小，若是車廂設(shè)計不好，容易導(dǎo)致車廂內(nèi)局部空氣質(zhì)量較差[3]。列車正常運(yùn)行時，車廂內(nèi)部可以看作為一個密閉環(huán)境，空氣在車廂內(nèi)正常流通較為困難，從而降低了乘客乘車的舒適性[4]。為了增加列車的普適性，如何檢測與控制列車車廂內(nèi)空氣質(zhì)量是目前列車領(lǐng)域重點(diǎn)研究的課題之一。

現(xiàn)有列車車廂空氣質(zhì)量檢測與控制系統(tǒng)由于自動化程度較低，無法對車廂空氣質(zhì)量變化做出及時的響應(yīng)，存在著空氣質(zhì)量自動控制效果差的缺陷，故本文進(jìn)行列車車廂空氣質(zhì)量檢測與自動控制系統(tǒng)的研究。

1 空氣質(zhì)量檢測與自動控制系統(tǒng)硬件單元設(shè)計

硬件單元性能的好壞是決定設(shè)計系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)作的前提。設(shè)計系統(tǒng)硬件單元包括主控單元、檢測單元、顯示單元與排風(fēng)控制單元，具體硬件單元設(shè)計過程如下所示：

1.1 主控單元

主控單元是設(shè)計系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、計算、存儲與定時。設(shè)計單片機(jī)作為系統(tǒng)主控單元，其具備重量輕、成本低、能耗低等多種優(yōu)勢，為設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障[5]。選取STC12C5A60S2單片機(jī)作為設(shè)計系統(tǒng)的主控單元，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 STC12C5A60S2單片機(jī)性能參數(shù)表

STC12C5A60S2單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 STC12C5A60S2單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

主控單元中的A/D轉(zhuǎn)換器控制主要分為以下階段：由單片機(jī)發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換信號，利用控制口來啟動A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)；讀取A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，以此來判斷A/D轉(zhuǎn)換器是否實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換；若上一個階段判斷結(jié)果為轉(zhuǎn)換結(jié)束，則PCU發(fā)出數(shù)據(jù)輸出允許信號，讀入轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)[6]。

1.2 檢測單元

檢測單元功能是對車廂空氣中的二氧化碳濃度與溫濕度進(jìn)行檢測，由二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器與相應(yīng)檢測電路構(gòu)成[7]。由于篇幅的限制，該節(jié)只針對選取傳感器技術(shù)參數(shù)進(jìn)行展示，對二氧化碳與溫濕度的檢測電路不進(jìn)行詳細(xì)顯示[8]。依據(jù)列車車廂空氣質(zhì)量檢測需求，二氧化碳傳感器選取T6615型號，溫濕度傳感器選取DHT90型號，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 檢測傳感器技術(shù)參數(shù)表

1.3 顯示單元

顯示單元由顯示器件與顯示驅(qū)動電路組成，選取晶體管為顯示器件，其具備成本低廉、使用靈活、顯示清晰等特征[9]。

依據(jù)段數(shù)可以將晶體管劃分為7段晶體管與8段晶體管；依據(jù)發(fā)光二極管單元連接方式可以將晶體管劃分為共陰極晶體管與共陽極晶體管[10]。其中，共陽極晶體管指的是將全部發(fā)光二極管的陽極連接到一起，構(gòu)成公共陽極的晶體管類別[11]。依據(jù)設(shè)計系統(tǒng)需求，選取共陽極晶體管作為該硬件單元的顯示器件，其動態(tài)顯示驅(qū)動電路中包含多個引腳，具體定義如表3所示。

表3 動態(tài)顯示驅(qū)動電路引腳定義表

1.4 排風(fēng)控制單元

排風(fēng)控制單元旨在空氣質(zhì)量惡劣到一定級別時，控制排風(fēng)裝置開啟，更新車廂內(nèi)部新風(fēng)量，降低二氧化碳濃度。當(dāng)車廂空氣質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)后，控制排風(fēng)裝置關(guān)閉[12]。排風(fēng)裝置的繼電器控制電路如圖2所示。

圖2 排風(fēng)裝置的繼電器控制電路圖

通過上述過程完成了硬件單元的設(shè)計，但是依然無法實(shí)現(xiàn)列車車廂空氣質(zhì)量的檢測與自動控制，故以設(shè)計硬件單元為基礎(chǔ)，設(shè)計系統(tǒng)軟件模塊。

2 空氣質(zhì)量檢測與自動控制系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計

2.1 主程序模塊

主程序模塊旨在制定列車車廂空氣質(zhì)量檢測與自動控制的流程任務(wù)，為空氣質(zhì)量檢測與自動控制的實(shí)現(xiàn)做總體設(shè)計。設(shè)計系統(tǒng)主程序任務(wù)如表4所示。

表4 主程序任務(wù)表

2.2 溫度檢測數(shù)據(jù)讀取模塊

溫度檢測數(shù)據(jù)讀取由微控制器實(shí)現(xiàn)，其具備較高的時序要求，故需要在滿足其時序需求下進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)讀取的代碼編寫，則溫度檢測數(shù)據(jù)讀取時序如圖3所示。

圖3 溫度檢測數(shù)據(jù)讀取時序圖

2.3 濕度檢測數(shù)據(jù)讀取模塊

濕度檢測數(shù)據(jù)讀取過程為：采用核心處理器對濕度信號進(jìn)行捕獲與處理，采用信號頻率計算列車車廂空氣質(zhì)量的相對濕度[13]。

通過濕度傳感器獲得濕度方波的充電時間與放電時間，分別為：

式中：t1表示的是濕度方波充電時間；C表示的是計算輔助參數(shù)；R2與R3表示的是濕度信號讀取電路的電阻；t2表示的是濕度方波放電時間。

依據(jù)式（1）計算濕度波形輸出頻率與濕度方波占空比，計算公式為：

式中：f表示的是濕度波形輸出頻率；D表示的是濕度方波占空比。

2.4 控制臺模塊

控制臺模塊指的是工作人員依據(jù)按鍵控制待修改信息以及更換模式，依據(jù)不同模式來更改時鐘參數(shù)，當(dāng)時鐘參數(shù)修改完成后，需要重新啟動時鐘任務(wù)[14]。實(shí)時時鐘[15]描述如表5所示。

表5 實(shí)時時鐘描述表

通過上述硬件單元與軟件模塊的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了列車車廂空氣質(zhì)量檢測與自動控制系統(tǒng)的運(yùn)行，為列車乘客提供優(yōu)質(zhì)、舒適的空氣質(zhì)量環(huán)境[16]。

3 系統(tǒng)性能評價測試

為了驗(yàn)證設(shè)計系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的性能差異，采用Matlab Simulink仿真工具設(shè)計系統(tǒng)性能評價測試，具體測試過程如下所示：

3.1 測試對象選取

選取某節(jié)列車車廂作為測試對象，其車廂頂部裝有送風(fēng)孔板，尺寸為1.4 m×20 mm，形狀為長方形。為了方便后續(xù)仿真測試的進(jìn)行，搭建測試對象幾何模型，如

3.2 測試評價指標(biāo)確定

依據(jù)列車車廂空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確定空氣質(zhì)量評價指標(biāo)為二氧化碳濃度、吹風(fēng)感指標(biāo)與預(yù)期不滿意百分率，以此來綜合評價列車車廂的空氣質(zhì)量，反映系統(tǒng)的空氣質(zhì)量自動控制性能。

其中，二氧化碳濃度計算公式為：

式中：Y表示的是二氧化碳濃度；C指的是二氧化碳含量；Ui表示的是空氣分子量；U表示的是二氧化碳分子量；ρ指的是空氣密度。

圖4 測試對象幾何模型

依據(jù)研究可知，若二氧化碳濃度Y大于1%，即會對人體產(chǎn)生不利影響，例如瞌睡、頭疼、意識遲鈍等，因此設(shè)置二氧化碳濃度閾值為1%。

吹風(fēng)感指標(biāo)采用DR表示，指的是乘客對風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、溫度等參數(shù)的不滿意程度。吹風(fēng)感指標(biāo)（DR）計算公式為：

式中：T指的是湍流強(qiáng)度；uˉ表示的是風(fēng)速；Tu表示的是溫度。

依據(jù)研究可知，若吹風(fēng)感指標(biāo)DR大于10%，乘客就會產(chǎn)生比較明顯的吹風(fēng)感，從而產(chǎn)生不適感，故設(shè)置吹風(fēng)感指標(biāo)閾值為10%。

預(yù)期不滿意百分率計算公式為：

式中，PMV表示的是熱感覺指標(biāo)，取值范圍為[-3,3]。其反映的熱感覺如表6所示。

表6 熱感覺規(guī)則表

3.3 測試結(jié)果分析

采用現(xiàn)有系統(tǒng)與設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行列車車廂空氣質(zhì)量檢測與自動控制測試，經(jīng)過SPSS軟件處理后獲得空氣質(zhì)量評價數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 空氣質(zhì)量評價數(shù)據(jù)表 %

如表7數(shù)據(jù)顯示：現(xiàn)有系統(tǒng)的平均二氧化碳濃度大于1%，平均吹風(fēng)感指標(biāo)大于10%，平均預(yù)期不滿意百分率達(dá)到了40.38%；而設(shè)計系統(tǒng)的平均二氧化碳濃度小于1%，平均吹風(fēng)感指標(biāo)小于10%，平均預(yù)期不滿意百分率為8.77%，得到了大幅度的下降。結(jié)果表明應(yīng)用設(shè)計系統(tǒng)后，列車車廂空氣質(zhì)量更好，更符合人體舒適性，充分證實(shí)設(shè)計系統(tǒng)的空氣質(zhì)量檢測與自動控制性能更好。

4 結(jié) 語

本文為提高列車車廂空氣質(zhì)量檢測與自動控制系統(tǒng)的自動化水平，提出基于硬件單元與軟件模塊相結(jié)合的列車空氣質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)的研究。選用新型智能傳感器，通過繼電器控制排風(fēng)裝置，對列車車廂內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行讀取設(shè)計，極大地降低了空氣質(zhì)量變化響應(yīng)時間，從而提升了列車車廂空氣質(zhì)量檢測與自動控制性能，可為乘客提供優(yōu)質(zhì)空氣質(zhì)量，也為空氣質(zhì)量檢測與控制研究提供一定的參考，實(shí)際應(yīng)用性能較強(qiáng)。