通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

申紅明　徐晨　沈曉燕　董蓉

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)通風(fēng)控制系統(tǒng)能耗高自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化、智能化的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC12C5620AD為控制核心，集成了風(fēng)速調(diào)節(jié)、環(huán)境溫度測(cè)量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制等電路，并設(shè)計(jì)了專用段式液晶和鍵盤(pán)。系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式，每種模式下均可自由設(shè)定待機(jī)風(fēng)速、工作風(fēng)速和靠近風(fēng)速的大小，操作方便、使用靈活。軟硬件抗干擾設(shè)計(jì)與優(yōu)化保證了系統(tǒng)在強(qiáng)電磁環(huán)境下的可靠運(yùn)行。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)控制精度較高，運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞： 通風(fēng)控制； 風(fēng)速設(shè)定； 抗干擾設(shè)計(jì)； STC12C5620AD

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0105?04

Abstract： In order to eliminate the defects of high energy consumption and low automation level of the traditional ventilation control system， an automatic and intelligent control system was designed. The STC12C5620AD is taken as the core controller of the system. The circuits of wind speed adjustment， environmental temperature measurement， motor drive and control are integrated in the system. The dedicated segment liquid crystal display and keyboard were designed. The system has the manual and automatic operating modes. The standby wind speed， operating wind speed and nearby wind speed can be set freely in both operating modes. The system has the characteristics of flexible operation and use. The anti?interference design and optimization of hardware and software can ensure the reliable operation in the strong electromagnetic environment. The test results indicate the system has high control precision and stable operation.

Keywords： ventilation control； wind speed setting； anti?interference design； STC12C5620AD

0 引 言

醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室、礦洞等場(chǎng)所對(duì)排風(fēng)控制的要求很高，有毒有害氣體需要及時(shí)排出，以保證操作人員的安全，同時(shí)又要節(jié)約能源降低生產(chǎn)成本。早期的通風(fēng)控制系統(tǒng)多是定速設(shè)計(jì)，即只能以固定風(fēng)速運(yùn)行，能改變的僅僅是系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉，這樣的系統(tǒng)存在著能耗高、安全性差等缺點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及微控制器的普及，體積小、功耗低、反應(yīng)靈敏、成本低廉的通風(fēng)控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，不僅融合了多種傳感器技術(shù)，功能也越來(lái)越豐富，能檢測(cè)和控制的量越來(lái)越多。

本文設(shè)計(jì)的通風(fēng)控制系統(tǒng)采用STC12C5620AD作為控制核心[1]，矩陣鍵盤(pán)和一塊定制的段式液晶作為人機(jī)交互接口，用于系統(tǒng)工作模式的設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)的顯示，且集成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)、風(fēng)速檢測(cè)與控制、溫度采集等單元電路。系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式，可根據(jù)選配的模塊不同實(shí)現(xiàn)豐富的功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

圖1為硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)主要由7個(gè)模塊組成，分別是主控制器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、段式LCD液晶屏、鍵盤(pán)、電機(jī)和電源模塊[2]。STC12C5620AD作為主控制器，采集環(huán)境溫度和風(fēng)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度大小，鍵盤(pán)和液晶作為人機(jī)交互接口，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與工作狀態(tài)顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 鍵盤(pán)電路

根據(jù)需要設(shè)計(jì)了一個(gè)9按鍵矩陣式鍵盤(pán)，包括4個(gè)方向選擇按鍵，設(shè)置結(jié)果的“確定”鍵，“照明”和“風(fēng)機(jī)”的開(kāi)關(guān)鍵，蜂鳴器的“消聲”鍵，以及液晶 “背光”鍵，如圖2所示，其中X2，X1，X0分別接P02，P12，P11口，Y2，Y1，Y0分別接單片機(jī)的P03，P14，P13口。

2.2 液晶驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)顯示屏為一塊定制的段式液晶，需要顯示的信息包括環(huán)境溫度、工作模式、設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等信息，共有28個(gè)引腳，包括8個(gè)公共端口和20個(gè)段選端口。全部信息顯示效果如圖3所示。由于控制端口較多，因此選擇HT1622作為這塊液晶的驅(qū)動(dòng)芯片。

HT1622是一款LCD專用驅(qū)動(dòng)芯片，最多可以驅(qū)動(dòng)256個(gè)顯示單元（32×8）。內(nèi)部包含控制電路、顯示RAM、頻率發(fā)生器等模塊，外部引腳主要包括片選端[（CS）]，讀寫(xiě)控制端[（RD，WR），]數(shù)據(jù)端（DATA）、32個(gè)段選端和8個(gè)公共端等[3]。圖4為液晶驅(qū)動(dòng)電路，將段式液晶LCD1的COM口和SEG口分別與HT1622的對(duì)應(yīng)端口相連接，再將HT1622的[CS]，[RD]，WR，DATA腳對(duì)應(yīng)連接至STC12C5620的P24，P25，P26及P27端口。

2.3 電機(jī)電路endprint

控制閘門(mén)開(kāi)合的電機(jī)為一單向可控爪極式永磁同步電機(jī)，電路主要包括驅(qū)動(dòng)電路、正反轉(zhuǎn)控制電路和限位控制等電路。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。JDQ4C，JDQ5C為常閉觸點(diǎn)，JDQ6B，JDQ7B為常開(kāi)觸點(diǎn)。圖6為正反轉(zhuǎn)控制電路，當(dāng)kaiA為低guanB為高時(shí)，線圈JDQ6A得電，圖5中JDQ6B吸合，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)kaiA為高guanB為低時(shí)，線圈JDQ7A得電，圖5中JDQ7B吸合，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖7為限位控制電路。行程開(kāi)關(guān)XCKG1，XCKG2處于常開(kāi)狀態(tài)。電機(jī)正轉(zhuǎn)至閥門(mén)完全敞開(kāi)時(shí)，XCKG1被按下，線圈JDQ4A得電，圖5中JDQ4C斷開(kāi)，正轉(zhuǎn)停止；電機(jī)反轉(zhuǎn)至閥門(mén)完全關(guān)閉時(shí)，XCKG2被按下，線圈JDQ5A得電，圖5中JDQ5C斷開(kāi)，反轉(zhuǎn)停止。

2.4 風(fēng)速調(diào)節(jié)電路

系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式。自動(dòng)模式是將風(fēng)速傳感器的測(cè)量值反饋給控制器，通過(guò)PID控制閥門(mén)開(kāi)度的變化，手動(dòng)模式則是通過(guò)鍵盤(pán)直接控制閥門(mén)的開(kāi)合程度。

（1） 自動(dòng)模式。系統(tǒng)工作于自動(dòng)模式下的風(fēng)速調(diào)節(jié)電路如圖8所示。JP6為外接風(fēng)速傳感器接口，提供0～10 V的電壓信號(hào)，只需將該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后送至單片機(jī)ADC端口采集，即可獲取當(dāng)前的風(fēng)速值[4]。

Analog0接STC12C5620AD的ADC輸入端P10口。因單片機(jī)內(nèi)部ADC的基準(zhǔn)電壓為5 V。因此風(fēng)速傳感器的輸出電壓需經(jīng)分壓后送到運(yùn)放TLC2272的同相端[5]，經(jīng)過(guò)電壓跟隨電路后濾波輸出至單片機(jī)ADC端口。

（2） 手動(dòng)模式。閥門(mén)的開(kāi)合是通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)同軸電位器W1的滑片一起運(yùn)動(dòng)，如圖9所示，因此滑片上的電壓變化可反映出閥門(mén)開(kāi)度的變化。

圖9中W1和R10串聯(lián)，REF3012為電壓基準(zhǔn)芯片，2腳輸出1.25 V基準(zhǔn)電壓，將滑片上的電壓送到AD654的4腳，AD654為V/F轉(zhuǎn)換芯片，Vin引腳上的電壓變化會(huì)轉(zhuǎn)換為Fout引腳上輸出方波信號(hào)的頻率變化，計(jì)算公式如下：

本系統(tǒng)中，取R3=1 kΩ，[C9]=1 nF，因此式（1）可簡(jiǎn)化為Fout = 105Vin，因此Vin腳10 mV的電壓變化會(huì)引起Fout引腳1 kHz的頻率變化，靈敏度非常高。為了避免方波信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到干擾，經(jīng)過(guò)6N137光耦隔離，并經(jīng)MC4584BLC整形后送到單片機(jī)P32口（定時(shí)器0）采集，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證較高的采集精度。

硬件系統(tǒng)還包括了溫度測(cè)量與電源電路。溫度測(cè)量使用單線式溫度傳感器DS18B20來(lái)實(shí)現(xiàn)，接上5 V電源和地線后，將2腳接單片機(jī)P21端口即可。系統(tǒng)工作需要220 V交流電源及5 V，12 V兩組直流電源，通過(guò)簡(jiǎn)單的整流穩(wěn)壓電路即可實(shí)現(xiàn)，不再贅述。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖10所示[6]，上電初始化完成后，通過(guò)識(shí)別硬件電路跳線，執(zhí)行手動(dòng)或自動(dòng)工作模式，接著從FLASH中讀取系統(tǒng)上次關(guān)機(jī)時(shí)保存的設(shè)置值和狀態(tài)值，包括設(shè)定風(fēng)速（靠近風(fēng)速、工作風(fēng)速、待機(jī)風(fēng)速三檔）、設(shè)定時(shí)間，以及狀態(tài)初值，包括風(fēng)機(jī)狀態(tài)、照明狀態(tài)等信息并顯示。進(jìn)而進(jìn)入主循環(huán)，若鍵盤(pán)“確認(rèn)”鍵按下，則進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置流程，設(shè)置完成后再次按下“確認(rèn)”鍵，將當(dāng)前設(shè)置值存入FLASH；如有人靠近，則調(diào)整至高風(fēng)速（靠近風(fēng)速）運(yùn)行直至工作人員離開(kāi)，否則打開(kāi)閥門(mén)并調(diào)整至正常風(fēng)速（工作風(fēng)速），一旦系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至設(shè)定運(yùn)行時(shí)間，則調(diào)整至低風(fēng)速（待機(jī)風(fēng)速）運(yùn)行以節(jié)能；檢測(cè)到關(guān)機(jī)鍵按下后，系統(tǒng)保存好當(dāng)前的設(shè)置參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)至FLASH存儲(chǔ)器后，關(guān)閉閥門(mén)并斷電。

3.1 開(kāi)度控制

表1和表2分別是自動(dòng)模式和手動(dòng)模式下的開(kāi)度測(cè)量數(shù)據(jù)。表1中的傳感器輸出電壓取自風(fēng)速傳感器的輸出端電壓，經(jīng)單片機(jī)A/D采集后通過(guò)PID調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，中高低三檔測(cè)試均正常。表2中的Vin 和Fout分別取自AD654的4腳和1腳，測(cè)試結(jié)果表明輸入1 mV的電壓變化大致對(duì)應(yīng)于1 kHz的頻率變化，和理論計(jì)算結(jié)果完全吻合，且線性表現(xiàn)非常出色。由于頻率過(guò)高或過(guò)低的脈沖信號(hào)，單片機(jī)直接測(cè)量都不方便，因此圖9所示電路中，通過(guò)電位器W1搭配電阻R10的方法避開(kāi)高低頻區(qū)，頻率測(cè)量精度非常高，閥門(mén)開(kāi)度控制效果較好。

3.2 可靠性測(cè)試

系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，需要在極限工作狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)進(jìn)行。硬件設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)大規(guī)模鋪地、光耦隔離、交流電源線與信號(hào)線分離、采用屏蔽電纜等手段，軟件程序中適時(shí)保存系統(tǒng)的工作狀態(tài)參數(shù)、使用軟件看門(mén)狗、軟件陷阱等手段，特別是主動(dòng)復(fù)位技術(shù)的使用，有效地解決了外部干擾對(duì)電路工作的影響。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，即使極端的強(qiáng)電磁干擾，系統(tǒng)也能迅速?gòu)?fù)位并恢復(fù)之前的工作狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)通風(fēng)裝置效率低、成本高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套智能化的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以手動(dòng)調(diào)節(jié)又可以在設(shè)定好工作參數(shù)后自動(dòng)調(diào)節(jié)，人機(jī)界面友好，操作方便。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，即使在強(qiáng)電磁環(huán)境下也能可靠工作，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

注：本文通訊作者為徐晨。

參考文獻(xiàn)

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