太陽能空氣采暖智能控制系統(tǒng)的研究

秦國輝，王玉鵬，周闖，羅向東（黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱150086）

太陽能空氣采暖智能控制系統(tǒng)的研究

秦國輝，王玉鵬，周闖，羅向東
（黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱150086）

近年來，隨著太陽能空氣采暖系統(tǒng)研究與應用的不斷深入，其運行過程對室內空氣環(huán)境帶來的影響引起了人們越來越多的關注，為了解決出現(xiàn)的問題，本文提出了以微處理器為控制核心，建立多傳感器信息融合的太陽能空氣采暖智能控制系統(tǒng)，依據室內外環(huán)境變化實時調整風機、加熱單元等運行狀態(tài)。通過實際應用，表明該智能控制系統(tǒng)既能保證室內舒適環(huán)境，又能提高系統(tǒng)熱效率。

太陽能空氣采暖；智能控制；傳感器

發(fā)展太陽能既是未來能源技術儲備的戰(zhàn)略需要，也是解決局部地區(qū)基本能源供應的現(xiàn)實選擇。太陽能空氣采暖系統(tǒng)是一種簡單有效的太陽能應用方式，國內外的學者對這種太陽能空氣采暖方式進行了大量的理論和實驗研究，但是研究的方向主要集中在優(yōu)化與提高單體集熱模塊的熱性能［1-2］，忽略了系統(tǒng)的整體采暖效果，并且室內環(huán)境很容易受到外界環(huán)境影響，導致室內的采暖性能具有不確定性。此外，使用集熱模塊或集熱蓄熱墻采暖，如果循環(huán)風速控制不當，不但影響采暖效果，還容易產生揚塵等問題，可能會對室內空氣品質帶來一定的不良影響［3-4］。

針對上述問題，在深入研究與分析太陽能空氣采暖運行過程及影響因素的基礎上，本文通過對影響太陽能空氣采暖建筑及太陽能空氣系統(tǒng)的參數(shù)與控制量進行監(jiān)測、分析和控制，形成最佳的太陽能空氣采暖系統(tǒng)變流量運行策略。在保證建筑室內溫度同時，進一步提高室內環(huán)境舒適度與空氣集熱模塊集熱效率，為實現(xiàn)大規(guī)模集熱模塊的應用與普及奠定基礎。

1　采暖系統(tǒng)的總體方案

1.1采暖系統(tǒng)的結構方案

太陽能空氣采暖系統(tǒng)是一種采用空氣作為傳熱介質的太陽能光熱轉換系統(tǒng)，主要由太陽能空氣集熱模塊、風機、管道、散流器等構成，如圖1所示。

圖1　太陽能空氣采暖系統(tǒng)Fig.1 Solarairheating system

隨著太陽輻射強度的增加，太陽能空氣模塊溫度不斷上升，在風機作用下，模塊內空氣間層形成負壓，外部空氣通過模塊上孔縫被吸入空氣間層并被加熱，加熱后的熱空氣通過送風口輸至建筑內，為建筑室內提供采暖。

1.2采暖系統(tǒng)的控制方案

智能控制系統(tǒng)主要由微處理器控制單元、液晶顯示與操作單元、溫度傳感器、太陽輻射照度傳感器和室內PM 10傳感器等組成，如圖2所示。系統(tǒng)將多種傳感器采集的環(huán)境參數(shù)輸送至微處理器控制單元，經過計算與分析，實時調整風機速度、加熱單元等，實現(xiàn)太陽能空氣智能采暖。

圖2　太陽能空氣采暖控制系統(tǒng)方案Fig.2 Solar air heating contro lsystem

2　控制系統(tǒng)設計

2.1硬件設計

微處理器控制單元是太陽能空氣采暖智能控制系統(tǒng)的核心部分，由單片機、存儲芯片、光電隔離電路、模數(shù)與數(shù)模轉換電路以及電源轉換電路等組成。其中，單片機采用Silicon Laboratories公司設計的C8051F340混合信號片上系統(tǒng)單片機，內有4個16位計數(shù)器/定時器、2個具有擴展波特率配置的全雙工UART、1個增強型SPI端口、多達4352字節(jié)的內部RAM，128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及多達40個I/O引腳，并且同MCS-51指令集完全兼容，與標準的8051結構相比，指令執(zhí)行速度有很大的提高，其復位和寫入程序電路如圖3所示。

圖3　復位和寫入程序電路Fig.3 Resetand w rite program circuit

液晶顯示與操作單元采用串口智能顯示模塊EzUIV10_070K，模塊顯示器為7.0英寸彩色TFT顯示屏，800×480點陣，內置有256M資源存儲器。其供給電源為5V直流，與微處理器控制單元通過串行UART（TTL電平）接口進行通訊。人機顯示界面由EzU IToo l_V30軟件設計，包括觸摸區(qū)域、位圖觸摸按鈕、數(shù)值和字符等控件素材，方便編輯與生成資源文件。

2.2軟件設計

智能控制系統(tǒng)軟件程序以C語言設計為主，它既擁有高級編程語言的優(yōu)點，又具有匯編語言的空間小、運行速度快等特點，表達運算能力、可讀性和可移植性也比較突出，擁有較高的指令執(zhí)行效率［5］。程序開發(fā)環(huán)境采用C8051F官方開發(fā)環(huán)境Silicon Laboratories IDE，為設計者提供了用于開發(fā)和測試項目的所有工具。

程序設計采用模塊化設計，通過主程序、子程序和子過程等框架描述出智能控制系統(tǒng)軟件的主要結構與流程，并且定義各個框架間的聯(lián)系，簡化程序的開發(fā)、調試和維護。首先分配RAM區(qū)的資源，然后系統(tǒng)（包括C8051F340單片機、串口智能顯示模塊等元件）進行初始化，之后依據系統(tǒng)各單元工作順序與狀態(tài)依次調用相應的子程序，完成觸摸屏的顯示與輸入，傳感數(shù)據的采集、分析與判斷，模擬量的輸出控制和故障判斷等功能，主程序流程如圖4所示。此外，上位機軟件可以通過USB接口將微處理器控制單元存儲的運行數(shù)據導入SQLServer數(shù)據庫，方便統(tǒng)計與維護。

圖4　主程序流程圖Fig.4Main program flow chart

2.3抗干擾設計

為了確保智能控制系統(tǒng)各模塊間軟硬件資源無沖突、高效與穩(wěn)定運行，避免電磁環(huán)境以及其他方面干擾的出現(xiàn)。本文在詳細分析了控制系統(tǒng)干擾源及干擾途徑的基礎上，采用了以下幾種抗干擾設計：

第一，系統(tǒng)內部重要元件統(tǒng)一采用貼片封裝形式，減少周圍環(huán)境的電磁干擾，同時降低器件本身的雜散特性。

第二，弱電信號與交流電源線等分開布線，保持一定的安全距離，防止由浪涌電流產生的錯誤信號輸入或強電輻射對弱電信號傳輸過程的干擾。

第三，所有布線應該有效接地，以防止觸電與干擾，并且分離工作接地與保護接地。

第四，傳感器信號傳輸應用同軸屏蔽電纜連接，增強對外界的抗干擾能力。

第五，數(shù)字集成電路芯片電源引腳并入去耦電路，有效減少電源的雜波干擾。

3　結語

本文設計了以微處理器為核心的，集多傳感數(shù)據采集、分析與顯示、風機與加熱單元控制為一體的太陽能空氣采暖智能控制系統(tǒng)，引入了影響太陽能空氣采

暖建筑室內環(huán)境影響因素的分析與計算，有效改善了室內空氣品質，提高了人體感受的舒適度，解決了室溫波動大及采暖效果不理想等問題，促進了太陽能空氣采暖系統(tǒng)產業(yè)的進一步發(fā)展。

［1］陳濱，田浩，郭海超，等.壁掛式太陽能空氣集熱器最佳供暖方式研究［J］.暖通空調，2008，38（10）：128-132.

［2］陳濱，陳佳.太陽能空氣集熱建筑模塊的運行控制策略［J］.太陽能學報，2010，31（4）：418-423.

［3］夏國泉，魏琪.I型太陽能空氣集熱器傳熱性能分析［J］.江蘇大學學報，2003，24（4）：41-44.

［4］陳威，劉偉.太陽能集熱組合墻系統(tǒng)的耦合傳熱與流動分析［J］.太陽能學報，2005，82（4）：882-886.

［5］陳連坤.嵌入式系統(tǒng)的設計與開發(fā)［M］.北京：清華大學出版杜，北京交通大學出版社，2005.

Research on Intelligent Contro l System for Solar Air Heating

QINGuo-hui，WANGYu-peng，ZHOUChuang，LUOXiang-dong
（Incubation CenterofHeilongjiang Academy ofSciences，Harbin 150086，China）

In recent years，along with the research and app lication of solar air heating system continuously deepening，the operation processof indoor air environmenthas attractedmore and more attention.In order to solve the problems，this paper puts forward and establishes solar air heating intelligent control system ofmulti sensor information fusion based onm ic roprocessor as controlcore.According to indoor the changing externalenvironment，and real-time adjust operation state of air exhauster and heating unit.Through the practical application，that intelligentcontrolsystem can notonly guarantee the indoor en vironment，butalso can improve theheatefficiency of the system.

Solarairheating；Intelligentcontrol；Sensor

TK51

A

1674-8646（2015）05-0028-03

2015-05-06

黑龍江省科學院青年基金

秦國輝（1982-），男，遼寧丹東人，碩士，助理研究員，從事智能控制研究。