配電房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

鐘怡 余謙

摘要：第一使用濕度測量模塊，來進行對于配電房中的各個結(jié)點的濕度情況來進行監(jiān)測，然后利用控制器將所得數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機控制器上面，接著對于數(shù)據(jù)是不是正常的數(shù)據(jù)來進行的診斷，通過確認數(shù)據(jù)是不是正常的數(shù)據(jù)，并在顯示屏上顯示出來，從而來判斷能否使用電浸透除濕機來進行除濕處理。

關(guān)鍵詞：除濕量;空氣濕度;濕度傳感器

中圖分類號：TP311? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）17-0107-02

建筑空調(diào)系統(tǒng)一般使用的是熱濕處理聯(lián)合的方式，由于需要把新風溫度降低到露點以下，所以需要比較低的冷源溫度（7～8℃） ，因此制冷能耗較大。但是如果采取熱濕的獨立處理方法，把新風中水蒸氣含水量進行降低后再來降溫，從而可以提高冷源溫度（12～13℃） ，并降低制冷能耗[1-2].由于潮濕天氣對配電房的一些儀器的損害，所以配電房對于除濕保持配電房環(huán)境的干燥是十分必要的。但是對于配電房的除濕只是對墻體進行防水處理，方式較為單一。為了提高系統(tǒng)的除濕效率和制冷系統(tǒng)能效， 研究人員對除濕系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計[3-5]。例如，在冷凍除濕的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)內(nèi)加裝熱交換器，減小蒸發(fā)器的負荷;優(yōu)化除濕器及再生器內(nèi)冷、熱水流量 和溶液濃度等。通過濕度傳感器來測量配電房的空氣濕度，從而利用電浸透除濕機對配電房進行除濕處理，同時該濕度數(shù)據(jù)也將利用控制器將數(shù)據(jù)儲存起來并顯示在顯示屏上。筆者希望通過一個完善的除濕系統(tǒng)對于任何大的電路集中區(qū)域，都是有必要的，因此這個設(shè)計是具有意義的。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

如今，在國內(nèi)外研制的固體吸附式除濕設(shè)備，大多分成兩類：其一是固定床式除濕器，其中包含交叉冷卻式除濕器;其二則是旋轉(zhuǎn)式除濕器，包括平行通道式除濕轉(zhuǎn)輪和蜂窩狀除濕轉(zhuǎn)輪[6]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1電路設(shè)計

系統(tǒng)總體上可以劃分為控制器，濕度測量模塊，KQS-1型除濕模塊，顯示模塊等。通過濕度測量模塊對被測節(jié)點的測量，然后顯示模塊將得到的數(shù)據(jù)傳遞到控制器模塊上面，主控芯片根據(jù)測量的數(shù)據(jù)與存儲數(shù)據(jù)庫中的測量數(shù)據(jù)進行比較，從而來判斷并分析濕度信息是否正常。一旦有異常數(shù)據(jù)，被KQS-1型除濕模塊的主控芯片準備工作，通過控制配電房濕度，并將數(shù)據(jù)傳遞給濕度測量模塊，同時在顯示器上顯示出相對應(yīng)的濕度，如圖1所示。

2.2硬件設(shè)計

（1）控制器：采用STM32系列單片機STM32系列芯片具有較低成本、功耗較低、性能較高、豐富的資源，處理數(shù)據(jù)的能力強，同時擁有庫文件開發(fā)，上手簡單，方便了編程過程，對單片機主頻進行評估完全可以達到該設(shè)計的要求。

（2）KQS-1型除濕模塊：系統(tǒng)采用KQS-1型模塊。電浸透除濕機的電力大多源于電磁脈沖生成器，采用了微處置器來控制的設(shè)備，通過環(huán)形線圈的幫助下生成一大概為50Hz的脈沖磁場，從而產(chǎn)生特殊的波浪形電流，該輸入電流經(jīng)過掩埋在混凝土中的陽極及掩埋在混凝土之上的陰極形成了電磁場技術(shù)，水分子（H2O）在電磁場的作用之下生成了極性，因為異極擁有吸引同極從而互相排斥的性質(zhì)，所以水分子（H2O）就會通過該性質(zhì)到達該結(jié)構(gòu)之外，一旦電磁場被阻斷，水分子（H2O）就會再進入到該混泥土的結(jié)構(gòu)之中，因此該結(jié)構(gòu)不可以長時間處于相對濕潤的情況。與此同時，水分子（H2O）的極性增大，水里鹽類（如Ca、Mg、Cl）陰陽離子的析出程度就會降低，會跟著水分子（H2O）被排除到該結(jié)構(gòu)之外，便使該結(jié)構(gòu)中鋼筋等金屬的使用時間大大提高，從而達到除濕的效果，圖2所示為模塊的接線圖。

（3）除濕原理（電化學(xué)）：在陽極的水蒸氣（H2O）被電流給電解，從而生成了質(zhì)子（H），再經(jīng)過電流的作用被轉(zhuǎn)移到電解質(zhì)，同時并跨過電解質(zhì)膜從而到達了陰極，陰極放電從而生成了氫分子（H），在釋放到陰極并生成的氣體之中，可以和空氣中的氧（O）直接形成水（H2O）。第一種情況是水蒸氣被電解，同時在陰極形成了氫氣（H2），并在陽極生成了氧氣（O2）;第二種情況氧（O）是與質(zhì)子（H）反應(yīng)生成了水（H2O）。不管是因為何種方式，使水蒸氣的含量在陽極器件之間得到大幅度下降，從而使氣體保持濕潤，同時能夠算作是通過氫泵的電化學(xué)除濕的方法。

（4）濕度測量模塊：濕敏元件組成濕度傳感器（KQS-1型）。覆蓋到由濕性材料制成的薄膜，當空氣中的水蒸氣進入濕性薄膜時，就會產(chǎn)生水蒸氣，其中元件的電阻率和電阻值都會因此從而發(fā)生相應(yīng)的變化。我們就可以利用此性質(zhì)來測量相應(yīng)的濕度。而如果環(huán)境中的相對濕度出現(xiàn)了改變，則介電常數(shù)就會產(chǎn)生相對應(yīng)的變化，同時使電容量也產(chǎn)生相對應(yīng)的變化，其相對濕度與該元件的電容變化量為正比例的對應(yīng)關(guān)系。其接線圖如圖3。

（5）屏幕顯示：界面顯示采用串口屏，簡化用戶做界面程序，可輕松操作軟件實現(xiàn)人機交互界面，屏幕大且成本較低，占用IO資源較少，僅需2根線可輕松實現(xiàn)與MCU之間的通信。

2.3 濕度測量

（1）工作原理：在用電容式的濕度傳感器測量數(shù)據(jù)的過程當中，就像是一微小電容，對C（電容器值）的測量，電容器的測量主要是對電容器值C的測量。因為濕度傳感器不是一個單純的電容器，如下圖虛線區(qū)域所示為等效形式，就等同于電阻與電容的相互并聯(lián)。當環(huán)境濕度產(chǎn)生相對應(yīng)的變化時，濕敏電容的介電常數(shù)就會產(chǎn)生相對應(yīng)的變化，進而電容量也會生成相對應(yīng)的變化，環(huán)境相對濕度與其電容變化量成正比。濕度傳感器的等效形式如圖4。

（2）計算公式：電容式濕度傳感器測量具體測量電路（復(fù)數(shù)電壓法），包括三個部分：反相電路、微分電路和積分電路。

該模塊以SH1100型濕敏電容為例，正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號Vin在經(jīng)過微分電路之后，信號成為了Vout，然后輸出信號Vout分成兩部分。其中一部分電路通過開關(guān)K1可以進入到積分電路當中;而另外一部分電路則需要先經(jīng)過反相電路，在三個電阻及反相器的幫助下，使信號Vout的輸出變?yōu)樾盘?Vout;在經(jīng)過了開關(guān)K2后，也將同樣進入到積分電路。測量電路原理圖如圖5所示。

其中，開關(guān)K1及開關(guān)K2的作用：Vout信號的整流處理，然后通過積分電路進行測量。

3軟件流程設(shè)計

接通電源，打開開關(guān)，進入模式選擇，選擇需要進行的模式（讀取數(shù)據(jù)，除濕，更新對比濕度數(shù)據(jù)庫，休眠等），然后調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其中外界濕度通過濕度傳感器進行測量然后進行濕度顯示，定時測量將信息傳遞給KQS-1型除濕模塊，根據(jù)不同的要求來選擇是立即更新數(shù)據(jù)還是暫時先存儲數(shù)據(jù)。

濕度檢測流程：根據(jù)配電房的相關(guān)要求來對濕度閾值進行設(shè)定，用濕度檢測模塊來檢測濕度，最后顯示模塊進行顯示。流程圖如圖6。

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1測試方案

用濕敏元件采集待測環(huán)境濕度、外界環(huán)境濕度75%與50% 濕度作為標準數(shù)據(jù)，然后用濕度傳感器收集到的數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)進行比較，濕度差額保持在1%到2%之內(nèi)（后續(xù)可依據(jù)配電房中不同的材質(zhì)，不同的隔熱情況來進行相對應(yīng)的改變）。與此同時，一旦濕度傳感器檢測到異常數(shù)據(jù)，檢測系統(tǒng)能否正常進行除濕處理。

4.2測試條件

1）測試環(huán)境：常溫常壓，加濕器，普通配電房內(nèi)。

2）測試儀器：電容式濕度傳感器采集被測環(huán)境的濕度。

3）溫度測量：下面是部分測試的數(shù)據(jù)。

5結(jié)論

配電房檢測系統(tǒng)設(shè)計通過濕度傳感器等完成了對于配電房濕度情況檢測。同時還有一定防潮的作用。根據(jù)混凝土特性（吸水），結(jié)構(gòu)（室）內(nèi)空氣中的水能夠被干燥的混凝土所吸收，被吸收的水分子會在電磁場作用下進行向外側(cè)（負極）的運動，這對于降低結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣濕度也具有一定作用。雖然系統(tǒng)通過除濕模塊盡可能地提高除濕的效果，但是在后續(xù)的測試中筆者發(fā)現(xiàn)外界環(huán)境溫度對除濕效果的影響仍然存在。另外當系統(tǒng)第一次工作時，需要提供一定的數(shù)據(jù)或者更新一下誤差的允許范圍，以保證系統(tǒng)可以正常地實現(xiàn)報警功能。

參考文獻：

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收稿日期：2022-03-20

基金項目：2018年湖南省教育廳科學(xué)研究項目（18C1462），基于物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)的江河水質(zhì)污染大數(shù)據(jù)監(jiān)測分析系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究

作者簡介：鐘怡（1981—），男，江蘇圣通電力新能源科技有限公司湖南分公司副總經(jīng)理，碩士研究生，主要從事輸變電工程電力系統(tǒng)自動化及電氣二次專業(yè)設(shè)計;余謙（1982—），男，湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院副教授，博士研究生，主要研究方向為電子技術(shù)，遙感及測繪技術(shù)。