基于Proteus的防凝露控制器仿真設(shè)計

文│ 國立華僑大學(xué)信息學(xué)院 黃文權(quán) 吳燕峰

基于Proteus的防凝露控制器仿真設(shè)計

文│ 國立華僑大學(xué)信息學(xué)院 黃文權(quán) 吳燕峰

此文基于Proteus軟件技術(shù)進(jìn)行防凝露控制的仿真設(shè)計，通過控制器實時監(jiān)測電氣柜內(nèi)及柜外的溫/濕度，并根據(jù)防凝露控制策略對加熱設(shè)備和通風(fēng)散熱設(shè)備進(jìn)行控制，防止電氣柜內(nèi)部凝露的產(chǎn)生，增加電氣設(shè)備的有效工作時間。

防凝露；仿真；Proteus

1 引言

傳統(tǒng)防凝露控制器多數(shù)采用溫度傳感器配合電加熱器來防止凝露的產(chǎn)生，雖然起到積極的作用，但在實際應(yīng)用中仍存在問題，如南方梅雨季節(jié)或室外條件惡劣的地區(qū)，傳統(tǒng)控制器并不能完全杜絕凝露發(fā)生。

因此，本文根據(jù)凝露發(fā)生和預(yù)防機(jī)理，設(shè)計一款具有多路傳感器的防凝露控制器，該設(shè)備具有新型的防凝露控制策略，取代了傳統(tǒng)控制器長期加熱驅(qū)潮方式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行編程實現(xiàn)軟件仿真，初步驗證其應(yīng)用的可行性。

2 防凝露仿真硬件

本課題設(shè)計的防凝露控制器是以AT89C51單片機(jī)為核心，通過DS18B20來采集開關(guān)柜內(nèi)及柜外的溫度值，通過SHT11來采集開關(guān)柜內(nèi)的濕度值。同時，防凝露控制系統(tǒng)可以通過采集到的溫度和濕度值來控制散熱電路和加熱電路的通斷，從而防止開關(guān)柜內(nèi)的環(huán)境出現(xiàn)凝露狀態(tài)。

其中，DS18B20是Dallas公司推出的一種改進(jìn)型智能數(shù)字溫度傳感器，只需一根線就能直接讀出被測溫度，并能夠根據(jù)實際需求進(jìn)行編程，實現(xiàn)9～12位數(shù)字值的讀數(shù)方式，與單片機(jī)的連接電路如圖1所示，注意信號線DQ需要加10k的上拉電阻。溫/濕度傳感器SHT11集成一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號首先進(jìn)入微弱信號放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口I2C輸出數(shù)字信號，SCK和DATA線也需加10k上拉電阻。

防凝露控制輸出為電加熱器和散熱風(fēng)扇，在仿真中分別采用LED和電機(jī)來模擬，以獲得直觀的仿真效果。其中三極管和繼電器構(gòu)成電機(jī)的驅(qū)動部分，整個防凝露控制系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。

DS18B20、SHT11都是常用的傳感器，具體應(yīng)注意兩點：①該傳感器對讀/寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求，需按照通訊協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性；②讀取的數(shù)據(jù)還需要在單片機(jī)軟件上進(jìn)行線性修正，才可獲得較精確的實時數(shù)據(jù)。

3 防凝露控制策略及軟件實現(xiàn)

溫度和濕度是凝露發(fā)生的兩個重要因素，上述防凝露控制器通過采集電氣柜的環(huán)境參數(shù)，包括柜外溫度、柜內(nèi)溫度和柜內(nèi)濕度，再經(jīng)過防凝露控制策略進(jìn)而控制電加熱設(shè)備或風(fēng)機(jī)排風(fēng)散熱設(shè)備的運行，抑制凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生條件，達(dá)到防凝露的效果。

溫度是電氣設(shè)備正常運行的必要參數(shù)，同時溫度突變也是導(dǎo)致凝露現(xiàn)象的一個重要原因。研究表明，電氣設(shè)備運行時周圍環(huán)境溫度的上限值不應(yīng)超過40℃，否則容易導(dǎo)致設(shè)備局部高溫，影響設(shè)備的穩(wěn)定性、動作的可靠性以及計量的準(zhǔn)確性，甚至直接損壞設(shè)備。在一般情況下，當(dāng)溫度低于15℃時，開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備散熱損失大，露點溫度低，凝露的可能性較高。所以，文中的防凝露控制策略選擇40℃作為開關(guān)柜內(nèi)適宜工作溫度的上限值，15℃作為開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備適應(yīng)工作溫度的下限值。

同時研究還發(fā)現(xiàn)，電氣設(shè)備長期處于高濕度環(huán)境，不但凝露風(fēng)險大大提高，而且金屬/電氣材料的腐蝕速度也會加快，加之電氣柜內(nèi)的環(huán)境參數(shù)并不均勻，常出現(xiàn)局部環(huán)境溫度偏低或濕度高造成的局部凝露等問題，因此濕度參數(shù)的選取需保留一定裕量，本文擬選取70%相對濕度作為臨界濕度值。

綜上所述，根據(jù)所測量的環(huán)境參數(shù)制定如下控制思路：當(dāng)柜內(nèi)溫度低于15℃時啟用電加熱器；柜內(nèi)溫度高于40℃則開啟風(fēng)機(jī)散熱；介于兩溫度之間時需結(jié)合柜外溫度、柜內(nèi)溫度、柜內(nèi)濕度，并查詢凝露曲線數(shù)據(jù)，進(jìn)行防凝露控制。

圖3是防凝露控制軟件的程序流程圖。在柜內(nèi)溫度t1為15℃ ～40℃時，綜合考慮柜外溫度t2、柜內(nèi)相對濕度RH等參數(shù)。若柜內(nèi)溫度t1高于柜外溫度t2，則進(jìn)一步判斷柜內(nèi)相對濕度RH是否低于70%。若兩者都滿足可打開風(fēng)機(jī)散熱，則單純的通風(fēng)降溫有可能導(dǎo)致凝露發(fā)生，此時不應(yīng)動作；若柜內(nèi)溫度t1低于柜外溫度t2，則一般情況下無需通風(fēng)散熱也無需加熱；但當(dāng)柜內(nèi)相對濕度RH高于70%時，應(yīng)啟動電加熱，預(yù)防局部凝露。

當(dāng)柜內(nèi)溫度低于15℃時，仿真結(jié)果如圖4所示。其柜內(nèi)溫度為14℃，僅LED燈常亮，表示加熱設(shè)備開始運行，同時，與柜外溫度和柜內(nèi)濕度的數(shù)值大小無關(guān)。綜合其他幾種情況的運行驗證說明，該控制器已實現(xiàn)預(yù)定的防凝露策略。

4 結(jié)束語

本文分析了凝露產(chǎn)生的條件，并針對傳統(tǒng)防凝露控制器的不足進(jìn)行改進(jìn)，制定了新的防凝露控制策略，并通過Proteus軟件進(jìn)行初步仿真驗證，雖然控制精度不高但簡單有效。后期還需進(jìn)行實物硬件設(shè)計和實際環(huán)境調(diào)試驗證，以便進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。

【1】 董紅云，顏志偉，王立鵬等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防凝露技術(shù)研究及應(yīng)用.南京工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，10（3）.

【2】 周軍、周文越.開關(guān)柜防凝露控制技術(shù)淺談.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010（1）.

【3】 張永安．基于SHT11露點測定系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，31（4）.

【4】 陳瑤，陳廉曹，束劍文等.淺談開關(guān)設(shè)備的防凝露措施.福建建設(shè)科技，2013（2）：91.