半導(dǎo)體制冷式除濕干燥裝置的控制系統(tǒng)研制

成 波，王昌龍，李倩雯，邊義祥

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

半導(dǎo)體制冷式除濕干燥裝置的控制系統(tǒng)研制

成 波，王昌龍，李倩雯，邊義祥＊

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

在分析除濕原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體制冷式除濕干燥裝置.介紹該裝置的工作原理，并開(kāi)發(fā)出基于STC12C5204AD單片機(jī)及其他附加電路組成的控制系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的自動(dòng)控制，另應(yīng)用Lab VIEW開(kāi)發(fā)的上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理功能.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)響應(yīng)速度快，效果良好；穩(wěn)態(tài)時(shí)相對(duì)濕度變化范圍為±3%，溫度變化范圍為±0.5℃.

半導(dǎo)體制冷器；除濕機(jī)；自動(dòng)控制

空氣除濕技術(shù)是一門(mén)涉及多個(gè)學(xué)科的綜合性技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、國(guó)防、農(nóng)業(yè)、商業(yè)以及日常生活中.全球除濕機(jī)的主要產(chǎn)地集中在意大利、日本和中國(guó)臺(tái)灣等地，中國(guó)在全球除濕機(jī)市場(chǎng)中的地位并不顯著.特別是家用除濕機(jī)，一直以出口為主，只是剛剛被中國(guó)的消費(fèi)者所認(rèn)知［1］.常用的空氣除濕技術(shù)主要有冷凝除濕、固體吸附式除濕、熱泵和氫泵除濕（電除濕）、液體除濕、膜除濕、HVAC除濕等［2－4］.半導(dǎo)體制冷的理論基礎(chǔ)是固體的熱電效應(yīng)，包括5個(gè)效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和傅里葉效應(yīng)［5－8］.福州大學(xué)洪水力等人［9］早在1991年就申請(qǐng)了專(zhuān)利，但由于半導(dǎo)體能量轉(zhuǎn)換效率較低，只能應(yīng)用于小環(huán)境的控溫除濕.隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，目前利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)研制的除濕機(jī)已走向市場(chǎng).而市場(chǎng)上的除濕機(jī)大多數(shù)是從啟動(dòng)開(kāi)始就一直工作，而本文設(shè)計(jì)的除濕機(jī)是在此基礎(chǔ)上，將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于除濕機(jī)設(shè)計(jì)，增加了檢測(cè)環(huán)節(jié)以及設(shè)定功能，從而節(jié)約了能源消耗.

圖1 除濕干燥裝置的原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The principle structure of drying device

1 除濕工作原理

半導(dǎo)體制冷除濕裝置體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)機(jī)械噪聲，只要通電便可在單片機(jī)系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)除濕干燥.其除濕原理是利用冷端與換熱器緊密接觸而使換熱器整體降溫，熱空氣流經(jīng)除濕換熱器內(nèi)部時(shí)發(fā)生熱傳遞溫度下降，其中的水蒸氣凝結(jié)成霜，在除霜過(guò)程中又吸熱融化成水，流入底部集水罐中定期排放，達(dá)到對(duì)空氣除濕干燥的目的.半導(dǎo)體制冷式除濕干燥裝置的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

裝置采用兩片制冷片鉛垂方向布置，使用多片制冷片可以增大制冷片與空氣的接觸面積，提高除濕的效果，散熱片貫通布置，制冷側(cè)的散熱片下端斜切，以引導(dǎo)水滴至集水槽中.濕空氣從上部和側(cè)面進(jìn)入裝置中并在制冷側(cè)形成下降氣流，流經(jīng)制冷片時(shí)，溫度下降，下降至露點(diǎn)溫度以下時(shí)，水蒸氣凝結(jié)為水析出，經(jīng)過(guò)處理后的空氣從下部出氣口排出，與周?chē)諝饣旌希訜崤c制冷側(cè)氣流被隔離，如此循環(huán)，直至達(dá)到溫度、濕度的設(shè)定值.除濕裝置采用自動(dòng)控制電路確保制冷端穩(wěn)定工作在露點(diǎn)（密閉空間中制冷片發(fā)熱較嚴(yán)重，環(huán)境溫度急劇升高，實(shí)際已不能凝露，制冷片如果繼續(xù)工作可能燒毀芯片，因此在程序中增加溫度檢測(cè)，當(dāng)箱體內(nèi)部溫度升高時(shí)，濕度設(shè)定值應(yīng)該提高），借助制冷片的工作電流調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷速度和溫度的控制.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

除濕機(jī)控制系統(tǒng)主要由溫度濕度傳感器、STC12C5204AD單片機(jī)、操作鍵盤(pán)、液晶顯示、電動(dòng)執(zhí)行器等組成，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體框圖見(jiàn)圖2.

圖2 控制系統(tǒng)硬件總體框圖Fig.2 Hardware diagram of the control system

系統(tǒng)所用的STC12C5204AD單片機(jī)是由宏晶科技公司生產(chǎn)的一款單時(shí)鐘單片機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)為速度快、功耗低、性能優(yōu)，指令代碼完全兼容8051單片機(jī)，但速度卻是8051單片機(jī)的8～12倍.其內(nèi)部集成了8路高速8位A／D轉(zhuǎn)換、2路PWM以及MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路.主要應(yīng)用于電機(jī)的控制以及強(qiáng)干擾的場(chǎng)合.

為使系統(tǒng)易操作，硬件系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)按鍵：電源鍵、左鍵和右鍵.各鍵功能如下：電源按鍵將啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)；左鍵和右鍵配合使用，用于設(shè)置溫度濕度的設(shè)定值.溫度濕度傳感器采用AMT2001，該模塊供給電壓為直流電壓，相對(duì)濕度通過(guò)電壓輸出進(jìn)行計(jì)算，具有精度高、可靠性高、一致性好、且已附溫度補(bǔ)償、穩(wěn)定性好、使用方便及價(jià)格低廉等特點(diǎn).

2.2 輔助電路設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)電源.本系統(tǒng)采用的傳感器電源為5 V，須將220 V交流電經(jīng)變壓整流后產(chǎn)生12 V直流電，可用于驅(qū)動(dòng)裝置供電.再經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓管MC7805ACT實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，以＋5 V電源輸出，為加熱裝置、制冷片、風(fēng)扇供電的控制端以及STC12C5204AD等單電源芯片供電.這種電源的設(shè)計(jì)提高了抗干擾能力，也提高了電源的可靠性.

2）按鍵電路.設(shè)置2個(gè)鍵，左鍵接P3.3，右鍵接P3.4.系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，液晶顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度濕度.按下左鍵進(jìn)入外部中斷，此時(shí)液晶顯示當(dāng)前溫度、濕度、地址和波特率的設(shè)定值.再次按下左鍵，表示開(kāi)始設(shè)定濕度，增加設(shè)定濕度則按下左鍵，增加結(jié)束后按下右鍵或者直接按下右鍵，則會(huì)有提示，此時(shí)按下左鍵，開(kāi)始減少設(shè)定濕度；減少結(jié)束后按右鍵或者直接按下右鍵進(jìn)入溫度的設(shè)定界面，同樣的方法用于設(shè)置溫度、地址和波特率.這樣設(shè)計(jì)減少了按鍵，使整個(gè)操作面板更加簡(jiǎn)潔、方便.除濕裝置的制冷和加熱可分別采用單片機(jī)的P3.7和P3.3來(lái)控制，充分利用了單片機(jī)的接口資源.

3）顯示電路.本系統(tǒng)的外圍顯示電路采用12864液晶顯示，用于溫度、濕度測(cè)量值的顯示以及對(duì)濕度的設(shè)定.該液晶價(jià)格相對(duì)較低，適用于各類(lèi)儀器、小型設(shè)備.在設(shè)計(jì)中用P1.6來(lái)控制液晶顯示，為了延長(zhǎng)液晶壽命，每次操作后延時(shí)點(diǎn)亮背光5 min，再次按鍵操作，再次點(diǎn)亮，利用液晶關(guān)閉指令關(guān)閉顯示.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)

1）主程序采集溫度、濕度信號(hào)，并輸出控制加熱或制冷信號(hào)，根據(jù)顯示標(biāo)志決定液晶是否顯示.

2）按鍵液晶顯示部分軟件設(shè)計(jì).

3）完成數(shù)據(jù)采集及處理、根據(jù)工作狀態(tài)控制驅(qū)動(dòng)裝置等任務(wù).

4）制定通信規(guī)約，完成串行通信部分軟件設(shè)計(jì).

本系統(tǒng)軟件采用Keil C51語(yǔ)言編寫(xiě).

3.2 單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)

主程序的大循環(huán)主要負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境溫度、濕度的采集，比較環(huán)境溫度與設(shè)定溫度、濕度的大小，從而驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行相應(yīng)的操作，主程序的框圖如圖3所示.

在按鍵顯示模塊中設(shè)計(jì)程序時(shí)，將每一次設(shè)置好的溫度、濕度都寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)部自帶的EEPROM的固定扇區(qū)，這樣每次讀取設(shè)定溫度濕度值時(shí)，只須讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)，這樣就具備了記憶功能，客戶設(shè)定好后，若不需更改，下次啟動(dòng)就直接開(kāi)始除濕干燥，無(wú)需再次設(shè)定.設(shè)計(jì)程序時(shí)，考慮系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，防止程序進(jìn)入死循環(huán)，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了軟件陷阱，使用軟件看門(mén)狗程序解決程序死循環(huán)問(wèn)題，并采用指令冗余技術(shù)來(lái)優(yōu)化軟件設(shè)計(jì).

圖3 主程序框圖Fig.3 The block diagram of the main program

3.3 單片機(jī)與上位機(jī)通訊

上位機(jī)和單片機(jī)利用串口來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換，本文采用Lab VIEW設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的串口通信程序，在Lab VIEW中，VISA是可以連接不同標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出設(shè)備，是一個(gè)用來(lái)在串口通信設(shè)備及其他基于計(jì)算機(jī)設(shè)備之間通信的函數(shù)庫(kù).客戶可以在Lab VIEW中找到VISA Configure Serial Port，VISA Write，VISA Read，VISA Close等模塊，依次實(shí)現(xiàn)串口配置、串口寫(xiě)、串口讀、串口關(guān)閉等功能［10］.利用這些模塊便可設(shè)計(jì)出正確的Lab VIEW串口通信軟件.在編程時(shí)最重要的是通信子VI的屬性設(shè)置以及通信流程圖的鏈接.

程序框圖中通信程序的設(shè)計(jì)完成了對(duì)出口初始化參數(shù)的設(shè)置，波特率為9 600 b·s－1，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，沒(méi)有奇偶校驗(yàn)位，無(wú)流程控制位；然后依次設(shè)置VISA Write，VISA Read等相應(yīng)的功能模塊.

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

為測(cè)定半導(dǎo)體制冷器的除濕效果，并對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊做進(jìn)一步的優(yōu)化，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后筆者進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，在封閉的小空間中（體積1.2 m3），放置了溫度濕度傳感器，并放置了100 m L的水來(lái)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)為：裝置外溫度22℃，濕度43%；裝置內(nèi)溫度30℃，濕度77%；設(shè)定溫度20℃，濕度30%.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到去濕干燥裝置的除濕控溫效果圖（見(jiàn)圖4～5）.

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，證明本文基于半導(dǎo)體制冷式除濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的，除濕器功率為72 W，能夠在封閉的小空間中起到良好的除濕控溫效果.系統(tǒng)采用PID控制算法，響應(yīng)速度約為10 min，穩(wěn)態(tài)時(shí)相對(duì)濕度變化范圍為±3%，溫度變化范圍為±0.5℃.

圖4 去濕效果圖Fig.4 Diagram of the dehumidification effect

圖5 控溫效果圖Fig.5 Diagram of the temperature control effect

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The development of the control system of semiconductor refrigeration dehumidification drying device

CHENG Bo，WANG Changlong，LI Qianwen，BIAN Yixiang＊

（Sch of Mech Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

On the analysis of the theory of dehumidifying，the semiconductor refrigeration and dehumidification drying device is studied and designed.The working principle is introduced and the control system for dehumidifier based on chip microcontroller STC12C5204AD and other additional circuits is designed.The humidity is automatically controlled by this system and the real－time monitoring and data processing function of temperature and humidity are realized by the PC Lab VIEW development application.The system responses quickly and the effect is satisfactory.The humidity variation is in the range of±3%and the temperature changes in±0.5℃when the system is at steady state.

semiconductor refrigeration；dehumidifier；auto control

TU 834.9；TP 368.2

A

1007－824X（2014）01－0067－04

2013－07－20.＊ 聯(lián)系人，E－mail：357339880＠qq.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275447）.

成波，王昌龍，李倩雯，等.半導(dǎo)體制冷式除濕干燥裝置的控制系統(tǒng)研制 ［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，17（1）：67－70.

（責(zé)任編輯 賈慧鳴）