木質地采暖地板緩釋性能檢測設備的設計與開發(fā)

張硯東， 趙子宇， 李 寧， 周世玉， 周玉成

(山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101)

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對冬季室內(nèi)采暖的舒適性要求也越來越高。與傳統(tǒng)的暖氣片、空調等采暖方式相比，地板輻射采暖方式具有溫度均勻、節(jié)省空間、環(huán)保清潔、高效節(jié)能等優(yōu)點[1]，因此逐漸替代了傳統(tǒng)采暖方式，成為越來越多人的選擇。木質地板因具有外形雅觀、保溫性好、緩和沖擊、質輕而強、耐久性強等優(yōu)點[2]，成為地采暖裝修的首選鋪地材料，并已廣泛應用到住宅、辦公和公共場所等地點，成為木地板行業(yè)飛速發(fā)展的重要因素。然而，目前在國內(nèi)市場，消費者在選擇和購買木質地板時，僅僅能對其外觀顏色、品牌種類等進行選擇，而對于木質地板的舒適程度和節(jié)能程度，因無具體的評價標準，無法成為消費者考慮的選項。

研究木質地板的熱特性是分析和評價其舒適性、節(jié)能性等指標的基礎，目前國內(nèi)外學者已做了大量的研究工作。Daniela Sova等[3]通過類比木材細胞的幾何形狀建立了三種電阻電路模型，用于測定木材細胞的有效橫向和縱向導熱系數(shù)，并通過實驗驗證了模型的可行性。ukasz Czajkowski等[4]采用原始量熱法測定未處理的和熱改性后的歐洲山毛櫸木的密度、比熱、體積比熱容和導熱系數(shù)，以探究熱處理對于山毛櫸木熱性能的影響。何金存等[5]為研究木質地采暖地板的導熱效能，使用地板導熱規(guī)律分析儀對不同類型的多款地板進行了實驗，分別對測試樣品的厚度尺寸、密度、含水率及導熱效能進行測定，并分析不同因素對導熱效能的影響。周世玉等[6]以傳熱反問題為研究目標，以地采暖地板的蓄熱性能為研究對象進行試驗與反演計算，運用神經(jīng)網(wǎng)絡進行模型的建立并借助了CFD模擬手段，反復訓練完成的模型擬合度極高，對不同材種地采暖地板的蓄熱性能能夠做到有效的測定。

但是目前研究大多數(shù)是針對木質地板的導熱性能和蓄熱性能，對緩釋性能的研究很少。木質地板將吸收的下方熱水管的熱量緩慢釋放到室內(nèi)以實現(xiàn)熱量的傳遞，從而達到采暖的目的[7]，本文將木質地板釋放熱量的速率定義為緩釋性能。木質地板的緩釋性能決定了其釋放熱量速率的快慢，直接影響著室內(nèi)采暖的舒適度[8]。若能對木質地板的緩釋性能進行量化，則可以更加直觀地評價木質地板的性能，從而使消費者在選擇與購買時有了可以依靠的標準，然而目前國內(nèi)外還未開發(fā)出檢測木質地板緩釋性能的設備。

因此，根據(jù)模擬木質地板緩慢釋放熱量過程的環(huán)境，本文設計了基于密閉絕熱球形檢測腔的木質地板緩釋性能檢測設備。同時，對該設備的控制系統(tǒng)進行硬件設計與軟件設計，以實現(xiàn)對設備各個執(zhí)行部件的控制、高精度數(shù)據(jù)的采集等功能。此設備通過密閉絕熱球形檢測腔對木質地板樣品進行實驗，并在人機交互界面實時顯示獲得的溫度場數(shù)據(jù)，通過對此數(shù)據(jù)進行計算，可以得到其對應木質地板的緩釋性能值。

1 設備結構及工作原理

1.1 設備結構設計

1.1.1 主體結構設計

木質地板緩釋性能檢測設備外部主要由整機機體、檢測封蓋以及操作面板三大部分組成。整機機體使用Solid Works軟件進行自主設計，制作完成的設備外觀如圖1所示。檢測封蓋位于機體右上方，為檢測腔的保溫防塵罩，其設計為翻蓋式，以便于實驗操作。操作面板位于機體左上方，由工控機與控制面板組成?？刂泼姘灏惭b有復位、電源、加熱、真空、制冷與水泵共六個控制其對應執(zhí)行部件功能的按鍵。同時，在整機機體前側安裝真空壓力表用于實時讀取檢測腔內(nèi)真空值。設備內(nèi)部主要由密閉絕熱球形檢測腔、檢測腔冷熱循環(huán)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成。設備內(nèi)部主要由密閉絕熱球形檢測腔、檢測腔冷熱循環(huán)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成。密閉絕熱球形檢測腔的下腔體固定在凹型底座上方，底座下方放置水箱、制冷壓縮機、電加熱器、循環(huán)水泵、真空泵等部件，并在一側裝配配電箱以保證設備的正常運行和系統(tǒng)的電氣安全，設備內(nèi)部結構如圖2所示。

圖1 木質地板緩釋性能檢測設備外觀

圖2 木質地板緩釋性能檢測設備內(nèi)部結構

1.1.2 密閉絕熱球形檢測腔結構設計

密閉絕熱球形檢測腔是設備的核心部分，檢測腔由兩個半球形金屬腔體組成，分別為上腔體和下腔體，并配備夾緊裝置。上、下腔體內(nèi)外壁之間均設有夾層可用于真空抽取，并在腔體內(nèi)部均勻布置保溫層用于隔絕熱量傳遞。上腔體通過內(nèi)含的DS18B20溫度傳感器陣列實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集，下腔體通過內(nèi)含的加熱裝置實現(xiàn)對木質地板試件的加熱，夾緊裝置則用于夾緊上、下腔體以防漏氣。密閉絕熱球形檢測腔實體圖與內(nèi)部結構如圖3、4所示。本次研究選用溫度傳感器型號為DS18B20，使用了75個傳感器組成5×5×3的DS18B20溫度傳感器陣列，任一傳感器內(nèi)部的ROM中都有一個編碼，使得每個傳感器都有唯一的ID號，方便實驗數(shù)據(jù)的采集。DS18B20溫度傳感器與其他溫度傳感器不同之處在于其使用了獨特的單線接口方式，一條口線便可實現(xiàn)與微處理器之間的雙向通訊。DS18B20溫度傳感器可以測量溫度范圍為-55 ℃到+125 ℃之間，測量誤差為±0.5 ℃，最高12位分辨率時最大工作周期為750 ms，內(nèi)置EEPROM功能，在斷電的情況下也能將實驗數(shù)據(jù)保存，完全符合實驗需求。同時，該溫度傳感器還具有體積小巧使用方便、適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量、硬件價格便宜等特點[9]，因此本次研究選用該型號的溫度傳感器。

圖3 密閉絕熱球形檢測腔實體

圖4 密閉絕熱球形檢測腔內(nèi)部結構1.腔體外壁；2.腔體內(nèi)壁；3.腔體夾層；4.密封膠圈；5.保溫層；6.石棉網(wǎng)；7.試件托盤；8.被測樣品；9.溫度傳感器陣列

1.2 工作原理

將尺寸一定的木質地板樣品放入密閉絕熱球形檢測腔內(nèi)的試件托盤上，可根據(jù)實驗需求使用真空系統(tǒng)對檢測腔內(nèi)部進行真空抽取。設定實驗溫度后，設備采用自適應模糊PID控制算法[10]，控制電加熱器的熱量輸出，使被測的木質地板樣品達到設定溫度。隨后，檢測腔內(nèi)的溫度會隨著木質地板測試樣品緩慢釋放熱量而逐漸升高，并最終達到穩(wěn)態(tài)。同時，檢測腔上腔體內(nèi)部的DS18B20傳感器陣列會實時處理與采集溫度數(shù)據(jù)，完成后通過RS232通訊端口將獲得的溫度場數(shù)據(jù)傳送到工控機，同時在人機交互界面顯示75個傳感器的實時溫度數(shù)據(jù)，通過計算此數(shù)據(jù)可以得到對應木質地板的緩釋性能值。

當檢測腔內(nèi)部溫度達到平衡時，即檢測腔內(nèi)每分鐘溫度變化率不超過5%時[11]，木質地板樣品釋放到檢測腔內(nèi)的熱量Q與檢測腔內(nèi)部溫度達到平衡時所需時間之比為緩釋性能值Hs，即Hs=Δt。其中，木質地板樣品釋放的熱量Q等于檢測腔內(nèi)空氣吸收的熱量Q空和溫度傳感器吸收的熱量Q傳之和[12]，即Q=Q空+Q傳?？諝馕諢崃縌空等于75個DS18B20溫度傳感器中的每一個所在小空間吸收的熱量總和，通過使用均質材料熱量計算公式Q1=C空·ρ空·v·ΔT可以計算得到每個單獨空間吸收的熱量。其中，C空和ρ空分別為空氣比熱容與密度，v表示小空間體積，ΔT表示該傳感器實驗前后的溫度差。傳感器吸收熱量Q傳等于75個DS18B20溫度傳感器吸收熱量總和，每一傳感器吸收熱量為Q2=C感·m·ΔT，其中C感為傳感器比熱容，m為傳感器質量，ΔT為該傳感器實驗前后溫度差。

2 控制系統(tǒng)設計

木質地板緩釋性能檢測設備控制系統(tǒng)是由本課題組自行研發(fā)的主控制器、電控系統(tǒng)以及人機交互系統(tǒng)組成。通過對主控制器上的STC15F2K60S2單片機進行編程，完成對電加熱器、循環(huán)水泵、真空泵等執(zhí)行部件的控制，并可以實現(xiàn)對設備的自動和手動兩種控制方式。主控制器通過RS232通訊端口與工控機相連，使用者可通過人機交互系統(tǒng)進行參數(shù)設定，主控制器根據(jù)參數(shù)設置完成相應的動作，即可實現(xiàn)通過人機交互界面控制設備。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 主控制器設計

主控制器是控制系統(tǒng)的核心部件，承擔著主控作用，控制各子系統(tǒng)工作。子系統(tǒng)主要包括信號采集系統(tǒng)、動作邏輯系統(tǒng)、水箱制冷與加熱系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等。本設備主控制器由課題組自主研發(fā)，單片機選用芯片型號為STC15F2K60S2，內(nèi)置EEPROM功能。晶振選用11.059 2 MHz，可得到精確的通信波特率。主控制器的輸入供電電壓為直流24 V，功率為15 W，設有12路和9路開關量輸入與輸出、2路模擬量輸入、1路脈寬調制輸出與1路RS232通信端口。本次研究中，端口并未全部用到，使用了7路和4路開關量輸入與輸出，2路模擬量輸入，其余備用。主控制器電路設計PCB圖與實物如圖5與圖6所示，電路板正反兩面均做了覆銅處理，有效地提高了電路的抗電磁干擾能力，制作完成后的主控制器封蓋后安裝在配電箱上。

圖5 主控制器電氣原理PCB圖

圖6 主控制器實物

2.1.2 電控系統(tǒng)設計

設備控制電路主要包括電源電路、主控制器電路、繼電接觸電路以及末端執(zhí)行部件等，其中電源電路由220 V交流電與24 V直流電供電電路。主控制器電路為電控系統(tǒng)的核心部分，采用本課題組自主開發(fā)的主控制器電路板作為電控系統(tǒng)的主控制器電路。繼電接觸電路包括：交流接觸器、繼電器、空氣開關、固態(tài)繼電器等，末端執(zhí)行部件包括制冷壓縮機、電加熱器、循環(huán)水泵、真空泵、PT100溫度傳感器等。控制電路的電氣原理圖如圖7所示。在實際布線時遵循兩個原則，一是避免強電線路與弱點線路的互相影響，二是按照各功能執(zhí)行部件的使用功率來配備相應的交流接觸器、繼電器與固態(tài)繼電器。

圖7 木質地板緩釋設備電氣控制原理圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件設計

主控制器的運行程序使用Keil uVision軟件進行開發(fā)。Keil uVision是使用率最高的單片機應用開發(fā)軟件，以C語言與匯編語言為主要語言，可以按照單片機的數(shù)據(jù)手冊對多種不同型號的單片機進行程序編寫，通過程序可對單片機內(nèi)的計時器與寄存器直接進行操作。在程序編寫完成后可以把程序代碼轉換為hex可執(zhí)行文件并將其導入單片機內(nèi)部，從而實現(xiàn)對單片機的控制。

本次研究中，設計與開發(fā)完成的程序可以實現(xiàn)加熱裝置溫度控制、循環(huán)水泵動作、真空泵動作、部分溫度傳感器數(shù)據(jù)采集、通訊等功能。主程序框架有系統(tǒng)初始化模塊、自動模式模塊、手動模式模塊、系統(tǒng)自檢模塊、數(shù)據(jù)交換模塊等部分組成。系統(tǒng)啟動后首先進入初始化模塊，初始化完成后程序進入指令等待狀態(tài)。本設備選用RS232端口通訊，并利用接收中斷獲取上位機發(fā)送的功能指令。主控制器若要實現(xiàn)上位機對下位機各種功能的控制，需要擬定通信協(xié)議，通訊協(xié)議如圖8所示。通信協(xié)議由數(shù)據(jù)報頭、數(shù)據(jù)命令碼和數(shù)據(jù)報尾組成。在實際使用中，上位機需要將數(shù)據(jù)報頭、數(shù)據(jù)命令碼和數(shù)據(jù)報尾同時發(fā)送到單片機I/O口，對應I/O口在收到指令后，會實行此命令碼相應的功能，同時返回數(shù)據(jù)作為通信成功的標志。

3 人機交互系統(tǒng)設計

人機交互界面作為人機交互的重要窗口，實現(xiàn)著操作員對運行設備狀態(tài)的觀察和控制。本文開發(fā)的與木質地板緩釋性能檢測設備相匹配的人機交互界面，是基于微軟的MFC框架進行的，開發(fā)語言為C++，開發(fā)集成環(huán)境為Visual Studio 2019。當新建一MFC工程時，開發(fā)環(huán)境會自動搭建好框架，并封裝好相應控件，這樣開發(fā)人員在使用時就可以直接生成界面，使用已經(jīng)封裝好的控件進行界面布局。設計與開發(fā)完成的人機交互界面由自動界面和手動界面組成，分別對應設備自動與手動兩種控制方式。

3.1 自動界面

自動界面由監(jiān)測區(qū)、檢測區(qū)、顯示區(qū)、設定區(qū)和命令區(qū)共五部分組成。監(jiān)測區(qū)可以監(jiān)測真空泵、制冷壓縮機、循環(huán)水泵等執(zhí)行部件的狀態(tài)。檢測區(qū)可以檢測水箱溫度、真空壓力值、占空比等數(shù)據(jù)。顯示區(qū)顯示的是檢測腔內(nèi)75個溫度傳感器的實時溫度數(shù)據(jù)。設定區(qū)可以設定控制器串口、波特率、傳感器陣列串口、試件溫度與PID參數(shù)。點擊命令區(qū)的開始按鈕，主控制器根據(jù)參數(shù)設置完成相應的動作，即可實現(xiàn)設備的自動運行。自動界面的設定區(qū)與命令區(qū)設計圖如圖9所示。

圖9 自動界面設計圖

3.2 手動界面

手動界面由監(jiān)測區(qū)、調試區(qū)和圖像顯示區(qū)組成。監(jiān)測區(qū)可以監(jiān)測水箱溫度、腔內(nèi)溫度、真空壓力值、占空比等數(shù)據(jù)。調試區(qū)可以對真空泵、制冷壓縮機、循環(huán)水泵等功能執(zhí)行部件進行手動開關操作。圖像顯示區(qū)則將試件溫度通過曲線的形式實時顯示。手動界面的調試區(qū)設計圖如圖10所示。

圖10 手動界面設計圖

4 結論

本文根據(jù)模擬木質地板緩慢釋放熱量過程的環(huán)境，設計出了一種基于密閉絕熱球形檢測腔的木質地板緩釋性能檢測設備。同時，對設備的結構與工作原理、控制系統(tǒng)硬件與軟件設計、人機交互界面設計等方面進行了研究與設計，目前已完成了設備樣機的搭建與制作。本文提出的木質地采暖地板緩釋性能檢測設備可以實現(xiàn)對木質地板緩釋性能的檢測，為消費者在選擇與購買木質地板時增加了新的參考選項，為木質地板檢測體系的完善提供了一種先進的儀器，并為木質地板行業(yè)產(chǎn)品的標準制定提供了數(shù)據(jù)支持。