（检测技术与自动化装置专业论文）建筑外门窗气密性能现场检测系统的研制.pdf

东南大学学位论文独创性声明 | i i l i i i i i i l l i l i l l i i i i 【i i i l i i l i l y 17 613 7 9 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：，杈 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：盐导师签 研究生签名： 塑：竭坠导师签 摘要 摘要 建筑能耗在社会总能耗中占较大的比重，而门窗的气密性则是建筑节能的关键所 在，必须对建筑外门窗的气密性进行有效的监督管理。为此，有关部门制定了 g b t 7 1 0 6 2 0 0 8 对建筑外门窗气密、水密、抗风压性能进行分级并且规定了相对应的检 测方法。本文从建筑外门窗气密性能检测的需求出发，讨论了建筑外门窗气密性能现 场检测系统的研制。 本文首先分析了建筑外门窗气密性能现场检测系统的应用要求，提出了系统设计 方案并提出了检测仪器的设计要求。系统采用压力传感器测量试件门窗内外的压力差， 并通过交流斩波调压实现风机调速，达到调节门窗内外压力差的目的；通过风速计测 量空气流量，从而计算试件门窗的渗透量并进行气密性能分级。本文接着讨论了系统 检测仪器的设计。该仪器以删7 微处理器l p c 2 1 3 8 为核心，配以压力测量、交流斩 波调压、风速测量与数据通信、人机接口、数据存储等功能模块，构成硬件电路。在 系统软件设计方面，采用分层结构，编写了与硬件环境紧密相关的驱动程序，并且在 c o s i i 操作系统的基础上，分别编写了压力测量与控制、串口通讯与风速测量、检 测流程控制、渗透量计算与气密性能分级、人机变互与显示等任务模块，实现了 u c o s i i 平台下的多任务运行，完成了g b t 7 1 0 6 2 0 0 8 中规定的完整气密性能检测流 程和计算分级功能，并进行了模拟检测实验。 在论文的最后，对本课题的工作进行了总结，并对建筑外门窗气密性能现场检测 系统今后的研发与应用提出了建议。 关键词：气密性测量斩波调压a i 乇m p c o s i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n e 唱yc o n s u m p t i o no fb u i l d i n g st a k e sal a r g ep r o p o n i o ni i lt h et o t a le n e 唱y c o n s 啪p t i o n a n da rp e n n e i b i l i 毋o fb u i l d i n ge x t e m a l 、v i n d o w sa n dd o o r si sak e vd o i n ti n b u i l d i n ge n e 耀：yc o n s e a t i o n s ot h ea l l t h o r i t a t i v ed e p a n m e n th a sc o n s t i t u t e dt h en a t i o n a l s t a l l d a r dg b t 7l0 6 - 2 0 0 8t or e g u l a t e 灯a d u a t i o n sa n dt e s tm e t h o d so fa i rp e 肌e a b i l i 帆w a t e r t i 曲t n e s s ，w i n dl o a dr e s i s t a n c ep e r f 0 咖a n c ef o rb u i l d i n ge x t e m a lw i n d o w sa i l dd o o r s af i e l d t e s ts y s t e mi s d e v e l o p e dt 0m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft e s t i n gp e r m e a b i l i t yf o rb u i l d i n g e x t e m a lw i n d o w sa n dd o o r s t h ed e s i g ns c h e m eo ft h et e s ts y s t e ma n dd e s i g nc r i t e r i o no fi t si n s t n j m e n ti sp r o p s e d ， b a s e do na n a l y s i so fa p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so ft h ef i e l dt e s ts y s t e m t h et e s ti n s t m m e n ti s b u i l tw i t ha r m 7m i c r o c o n t r o l l e rl p c 213 8a si t sc o r e b e s i d e st 1 1 em c ut h es v s t e mi sm a d e u pd fs e v e r a li m p o r t a mm o d u l e s ，s u c ha sa cc h o p p e r ，p r e s s u r em e a s u r e m e n t ，w i n ds p e e d a c q u i r e m e n t ，h u m a n m a c 量1 i n ei m e r f i a c e ，d a t a s t o r a g ea 1 1 ds oo n t h ep r e s s u r ed i 仃i e r e n c ei s m e 踟e db yu s i n gap r e s s u r es e n s o r ，a 1 1 dc o m r o l l e db ya d j u s t i n gt h es p i n d l es p e e do fa c m o t o r 、) ，i mt h ea cc h o p p e r t h eg r a d u a t i o no fa i rp e 肌e a b i l i 付i so b t a i n e df j r o mc a l c u l t i o no f a i rl e a k ，b a s e do n 、忻n ds p e e dd a t a t h es y s t e ms o r w a r ei sb a s e do nt h e 仃a n s p l a n to ft h e u c o s i ir e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m s o 小a r ed r i v e r sw h i c hh a v ec l o s er e l a t i o n s l l i pw i t ht h e h a r d w a r ea r ep r o 汀a m m e d f u n c t i o n a lm o d u l e s ，s u c ha sp r e s s u r em e a s u r ea 1 1 dc o i m o l ，s e r i a l c o m m u n i c t i o na n dw i i l ds p e e da c q u i r e m e n t ，t e s tr o u t i n e ，p e m e a b i l i t yc a l c u l a t i o na n d 伊a d u a t i o n ，g u ia 1 1 dp a r a m e t e rs e t t i n g ，a r ea c c o m p l i s h e du n d e rt h em u l t i t a s h n ge i i r o m n e n t ， s oa st op e 舶mt e s te x p e r i m e n ta c c o r d i n gt og b t 710 6 2 0 0 8 a tt l l ee n do ft h i sp a p e r ，t i l ep r o j e c ti ss u m m a r i z e da n ds o m es u g g e s t i o n so n 如t u r e d e v e l o p m e n ta r ep r e s e n t e d k e y 、o r d s ：a i rp e 珊e a b i l i t ) rt e s t c h o p p e rc o n t r o l a r m p c o s - i i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章引言1 1 1 课题背景及意义。1 1 2 建筑外门窗气密性能检测1 1 2 1 检测系统l 1 2 2 检测流程3 1 2 3 空气流量测量系统的校准5 1 3 本文的研究内容5 1 3 1 课题的提出5 1 3 2 本文的内容7 第二章系统设计8 2 1 系统结构。8 2 1 1 系统功能分析8 2 1 2 检测仪器总体要求9 2 2 压力控制设计。9 2 2 1 斩波调压控制方式简介9 2 2 2 压力控制系统结构。1 l 2 2 3 正负压切换1 1 2 - 3 开发相关技术与条件1 2 2 3 1 微控制器的选择。1 2 2 3 2 嵌入式操作系统1 3 2 3 3 开发调试环境1 4 第三章硬件设计16 3 1 系统硬件结构1 6 3 2 最小系统1 7 3 2 1l p c 2 1 3 8 简介及资源分配1 7 3 2 2 复位电路。1 9 3 2 3j t a g 调试接口2 0 3 2 4 报警电路2 0 3 3 交流斩波调压电路2 1 3 3 1 电压、电流相位采集信号2 1 3 3 2 逻辑组合电路2 2 3 3 3 驱动电路2 3 3 3 4 斩波调压主电路2 3 3 4 正负压切换控制模块2 5 3 5 压力测量模块2 6 3 5 1a d 转换电路一2 6 3 5 2 输入信号处理电路2 7 3 6 串口模块2 8 n i 目录 3 7 人机接口模块2 8 3 7 1 显示电路2 8 3 7 2 按键电路2 9 3 8 存储模块3 0 3 8 1 存储器件的选择。3 0 3 8 2 存储电路3l 3 9 电源模块31 3 10p c b 设计与抗干扰3 2 3 1 0 1p c b 结构布局3 2 3 1 0 2 电气布线3 3 第四章软件设计3 4 4 1 软件总体设计3 4 4 2 驱动程序设计3 4 4 2 1l c d 驱动3 4 4 2 2p w m 控制输出驱动程序3 6 4 3 3 串口驱动程序3 6 4 2 4a ，d 芯片驱动程序3 7 4 3 c o s i i 操作系统的移植3 9 4 3 1 斗c o s i i 操作系统简介3 9 4 3 2 “c o s i i 移植条件与步骤3 9 4 4 应用层程序设计4 1 4 4 1g u i 接口函数4 1 4 4 2 压力测量4 4 4 4 3 漏气量的计算4 4 4 4 4 检测数据的结构与存储4 4 4 4 5 控制算法4 6 4 4 6 主程序设计4 9 第五章系统调试与功能实现51 5 1 系统调试5 1 5 2 功能实现5 2 5 2 1 软件调试一5 2 5 2 2 功能实现5 3 5 3 检测实验5 6 第六章总结与展望5 8 6 1 总结5 8 6 2 展望5 8 参考文献6 0 作者在学期间发表的论文清单6 2 附录a 仪器实物图一：6 3 i v 第一章引言 第一章引言 1 1 课题背景及意义 建筑节能是一个世界性的大潮流，也是现代建筑技术发展的一个基本方向。当今我 国正处于建筑节能跨越式大发展的转折年代，面对着资源枯竭、环境恶化、生态破坏、 气候变暖等一系列严峻问题，建筑节能工作者肩负着艰巨的历史重任。由于我国建筑 门窗气密性差，采暖设备热效率低等原因，我们国家的建筑用能浪费相当严重，单位住 宅建筑面积采暖能耗为相同气候条件下发达国家的3 倍【2 j ，不仅如此，室内热环境也因 此而变得较差。我国能源供应相当紧张，难以承受浪费型的高能耗建筑的需要，必须着 力加以解决。 对于建筑物来说，节能的主要途径是：减少建筑物外表面积和加强围护结构保温， 减少传热、耗热量；提高门窗的气密性，以减少空气渗透能耗。目前我国与发达国家节 能的差别是：我国研究建筑节能的着眼点多偏向于提高建筑外围护结构的保温性能方 面，很少涉及空气渗透耗热量。实际上，在建筑能耗中，空气渗透能耗所占的比例是不 容忽视的。据国内外的研究结果显示，空气渗透在采暖季节所引起的能耗占建筑全部能 耗的2 0 3 0 ，按这个比例计算，我国每年将有近亿吨的燃料消耗在加热从建筑物渗入 的冷空气上。此外，门窗气密性所带来的空气渗透过程对室内环境品质有较大的影响， 建筑内部的温度、湿度、污染物的分布、以及防火设计中的烟气分布规律等都与建筑物 外门窗的气密性有密切的关系。随着人们生活水平的不断提高，每个家庭对居室的环境 要求也越来越高，夏天用空调制冷，冬天用暖气或电热器取暖已经成为人们生活中必备 的条件。所以，一年中大约有6 个月的制冷和供暖费用，是每个家庭一笔不小的经济开 支。而建筑外门窗气密性能的节能效果如何，将直接影响家庭的经济开支。随着经济的 发展，人们对能源需求的加大，对建筑物外门窗的气密性能及其相关问题的研究也在世 界范围内越来越受到重视。 我国疆域辽阔，一年内气候有明显的季节变化，而且由于南北纬度差别大，南北气 候差异很大，北方冬季长且寒，南方夏季长且热。鉴于我国以上的气候特点，随着建筑 物高度的不同，所在地区的不同高度或者同一地区不同的气象条件，相同气密性能的门 窗所带来的空气渗透量是不同的，因此为了减少空气渗透引起的能耗，也从经济合理的 角度考虑，不同气候条件的地区的建筑应采用不同气密性等级的门窗，这就需要我们对 建筑物外门窗的气密性能等级作出严格的划分。随着我国建筑节能方面得迅速发展，人 们对建筑外门窗气密性能检测提出了迫切的要求。 为了规范建筑外门窗的各种性能分级及其检测方法，国家颁布了建筑外门窗气密、 水密、抗风压性能分级及检测方法( g b t7 1 0 6 2 0 0 8 ) 。在这个标准中，明确的规定了 建筑外门窗气密性能的分级方法以及检测流程。在对门窗气密性能进行分级时，此标准 采用在标准状态下，压力箱内外压力差为l o p a 时单位开启缝长空气渗透量和单位面积 空气渗透量作为分级指标，这两种渗透量按照给定的等级数值确定各自所属的等级，最 后取两者中的不利级别为该组门窗气密性能所属等级。 1 2 建筑外门窗气密性能检测b 1 根据g b t 7 1 0 6 2 0 0 8 中规定的检测方法，本节中将介绍检测建筑外门窗气密性所 需要的检测系统以及检测的要求，最后介绍对检测所得的结果进行处理的方法。 1 2 1 检测系统 在g b t7 1 0 6 2 0 0 8 中，检测系统有压力箱部分、试件安装部分、压力控制部分及 东南人学硕士学位论文 测量部分( 包括空气流量测量和压力差测量) 组成，检测系统如图1 1 所示。图1 1 为 g b t7 1 0 6 2 0 0 8 中的门窗气密、水密以及抗压性能检测系统示意图，由于本次课题只 针对门窗的气密性能进行检测，所以只选取此套装置中与气密性检测有关的部分进行分 析与设计。 峥心 7 7 o 弋 歹夕 e 乏一 o 弋 k 7 歹 o 弋 歹7 t o 迭 罗 沙 芋 。逸 荦 歹7 _ b -判 i | 1 图1 - 1 检测系统示意图 图1 1 中，a 为压力箱，b 为进气口挡板，c 为风速计，d 为压力控制装置，e 为供 风设备，h 为压差计，k 为安装框架。除了这几个部件以外，其他的部件是与门窗水密 性、抗压性检测有关的，与本次课题内容无关，这里就不再一一介绍了。 对上面介绍的检测系统的要求如下： ( 一) 压力箱的开口尺寸应能满足试件安装的要求。 ( 二) 试件安装部分包括试件安装框及夹紧装置。应保证试件安装牢固，不应产生 倾斜及变形，同时保证试件可开启部分的j 下常开启。 ( 三) 供压部分应具备施加正负双向的压力差的能力，静态压力控制装置应能调节 出稳定的气流。 ( 四) 测量模块包括空气流量和压力差，应该满足以下要求： ( 1 ) 差压计的两个探测点应在试件两侧就近布置，压差计的误差应不小于示值的 2 。 ( 2 ) 空气流量测量的测量误差应小于示值的5 。 2 第一章引言 1 2 2 检测流程 检测加压顺序如图1 2 垦 耧 最 避 疆 ，1 九一， t 。 川v 明 述l 圈审符号v 寰示将试仵鹤可开君邵分开荚不少于5 灰 图1 2 气密检测加压顺序示意图 ( 一) 预备加压 在正负压检测前分别施加三个压力脉冲。压力差绝对值为5 0 0 p a ，加载速度为 1 0 0 p a s 。压力稳定作用时间为3 s ，泄压时间不少于1 s 。待压力箱内外压力差回零后， 将试件上所有可开启部分开关5 次，最后关紧。 ( 二) 渗透量检测 ( 1 ) 附加空气渗透量检测 检测前应采取密封措施，充分密封试件上的可开启部分缝隙和镶嵌缝隙，或用不透 气的盖板将箱体开口部分盖严，然后按照图1 2 检测加压部分逐级加压，每级压力作用 时间约为1 0 s ，先逐级正压，后逐级负压。记录各级测量值。 ( 2 ) 总渗透量检测 去除试件上所加密封措施或打开密封盖板后进行检测，检测程序同( 1 ) 。 ( 三) 检测值的处理 ( 1 ) 计算 分别计算出升压和降压过程中在1 0 0 p a 压差下的两个附加空气渗透量测定值的平 均值g 厂和两个总渗透量测定值的平均值g x ，则窗试件本身l o o p a 压力差下的空气渗透 量吼( m 3 1 1 ) 即可按式( 1 1 ) 计算： g ，= g ，一g ， t 然后，再利用式( 1 2 ) 将吼换算成标准状态下的渗透量g ( m 3 1 1 ) 值。 g = 黑字 ( 1 2 ) 1 1 0 1 3丁 u 石7 式( 1 2 ) 中： g 标准状态下通过试件空气渗透量值，m 3 l l ； 尸试验室气压值，k p a ； 丁一试验室空气温度值，k ； 3 东南大学硕士学位论文 吼试件渗透量测定值，m 3 l l ； 将g 值除以试件开启缝长度，即可得出在1 0 0 p a 下，单位开启缝长空气渗透量吼 【m 3 ( m 宰h ) 】值，即： g ：= ( 1 3 ) 或将g 值除以试件面积彳， 【m 3 ( m 2 地) 】值，即： g ：= 得到在1 0 0 p a 下，单位面积的空气渗透量9 2 ( 1 4 ) ( 2 ) 分级指标值的确定 分级指标值的确定：为了保证分级指标值的准确度，采用由1 0 0 p a 检测压力差下的 测定值g l 或9 2 ，按式( 1 5 ) 或式( 1 6 ) 换算为1 0 p a 检测压力差下的相应值g l m 3 ( m ) 】或9 2 【m 3 ( m 2 ) 】。 地= 稳 蚝= 急 式中： g l 1 0 0 p a 作用压力差下单位缝长空气渗透量值，【m 3 ( m 幸h ) 】； g l 1 0 p a 作用压力差下单位缝长空气渗透量值， o ( m ) 】； 9 2 1 0 0 p a 作用压力差下单位面积空气渗透量值， m 3 ( m 2 母h ) 】； 9 2 1 0 p a 作用压力差下单位面积空气渗透量值，【m 3 ( m ? 幸h ) 】。 表1 1 建筑外门窗气密性能分级表 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 分缓 l 23s6 7 8 单位缝长 分缀指标值 1 o 硫3 s 口i3 o 口l2 s 铂2 1 s 吼 1 o 吼 口l 3 s 3 o 2 5 2 o 1 5 1 o o 5 口l c 组l ( m h ) 单位菌积 分级指标值 1 2 ml o 5 氇9 0 驰7 s 锄6 o 铂1 5 毋3 o 铂 l o 5 9 o 7 s 6 o 4 5 3 o 1 s 伽1 s 锄【d ( m t h ) 】 4 第一章引言 将试件的吼值或9 2 值分别平均后对照表1 1 确定各自所属等级。最后取两者 中的不利级别作为该组试件所属等级。正、负压测值分别定级。 1 2 3 空气流量测量系统的校准 根据g b t7 1 0 6 2 0 0 8 的要求，外门窗气密性能检测系统中的空气流量测量系统需 要定期进行校准，校准周期不应大于6 个月。校准的原理是采用固定规格的标准试件安 装在压力箱开口部件，利用空气流量测量系统在不同开孔数量的情况下的空气流量。标 准试件采用3 m m 不锈钢板加工，外形尺寸应符合图1 3 的要求，表面加工应平整，测 孔内应清洁，不能有划痕及毛刺。 图l 一3 标准试件及安装 校准时室内环境温度应该在2 0 士5 o 范围内，在校准前仪器通电预热时间应不 小于1 个小时。校准时，首先按照标准中要求顺序加压，记录相应压力下的风速值并且 转换为标准状态下的空气渗透量值作为附加空气渗透量；然后按照1 、2 、4 、8 、1 6 、 3 2 个孔的顺序，依次打开密封胶带，分别按照标准中试验要求顺序加压，记录相应压 力下的风速值并且转换为标准状态下的总空气渗透量，再完成此次操作以后，重复上述 测量，得到3 次校准结果；根据上一小节中介绍的方法将测量值换算为标准空气渗透量， 3 次校准结果取算术平均值，且正负压分别计算；以检测系统第一次的校准记录为初始 值，分别计算在不同开孔数量时的空气流量差值，当误差超过5 时应对系统进行修正。 1 3 本文的研究内容 1 3 1 课题的提出 外门窗的气密性能对建筑的总能耗有着非常大的影响，在不同的地点和不同的高度 采用合适的气密性等级的外门窗，既可以减少建筑的总能耗，又可以节约建筑成本。不 能不计成本而一味的追求高气密性的外门窗，也不能为了降低成本而采用气密性能等级 不符合规定的外门窗，这就首先要对门窗的气密性能进行分级。为了对门窗气密性等性 能的检测进行规范，国家出台了g b t7 1 0 6 2 0 0 8 。在对g b t7 1 0 6 2 0 0 8 进行分析以后， 我们发现一套满足国家标准要求的检测系统应具有以下几个功能： ( 一) 压力测量与控制 在g b t7 1 0 6 2 0 0 8 中规定，在测量过程中，需要对被检测门窗施加一定时间的气 压，所以在检测系统中，需要实现对压力的控制。压力主要靠风机来产生，调节压力大 小就是要调节风机的转速。风机的转速变快，则检测系统内部的压力就增大；反之压力 则会变小。压力的测量则通过一个压力传感器来实现。 ( 二) 风速测量 风速值是测量门窗漏气量必要的参数，风速的测量目前有很多种方法，例如热式测 东南人学硕士学位论文 风法、恒流式测风法、恒温测风法、三杯电涡流式测风法、三杯光耦感应器式测风法。 风速测量方法较多，且各有优劣，本文将在下一章对这几种测量方法作简要的介绍， 这里就不再赘述。 ( 三) 检测计算、报告 当压力箱内外的压力差达到规定的差值时，测量压力箱进气口处的风速值，根据上 文中介绍的的换算公式换算成在1 0 p a 压力差值下的漏气量，通过分级查找，确定门窗 气密性能等级。在检测完成以后，系统能够将结果显示并且存储起来，如果客户需要， 则还需要将结果打印成报表。 图l - 4 气密性能检测设备 目前在市场上已经出现了一些体积较大的门窗气密性检测设备，图1 4 所示为目前 市场上一种比较常见的检测设备。这种检测设备体积比较庞大( 约3 m 3 m 1 m ) ，是一种 钢结构装置，装置内有活动框架固定待测的外门窗并且加以密封，以此来构成压力箱。 从图中可以看出，这种检测设备不仅可以测量外门窗的气密性能，还可以测量外门窗的 水密与抗风压性能。在使用这种检测设备进行检测时，首先将待测门窗安装在设备的固 定位置，然后手动调节检测环境，例如压力、水压等，使检测环境满足国标的规定，然 后将检测参数记录下来，以确定待测门窗的质量等级。这种检测设备功能较全，但是也 存在着一些缺点。其一，这种设备体积庞大，且比较沉重，不易搬动，所以只能适合在 实验室里对门窗的特性进行检测，但是，门窗的气密性等特性不仅与门窗自身的结构有 关，还与门窗的安装有很大的关系，那么这种检测设备就很难满足现场检测的要求。其 二，这种检测设备操作比较繁琐，在检测过程中，需要检测人员对检测流程非常的了解， 手工控制检测流程的进度，自动化程度低，对操作人员的要求过高，适用性不强。其三， 某些特殊的场合并不需要测量门窗的水密性和抗压性，因此如果在这种场合下如果使用 图1 4 的检测设备就会造成不必要的成本浪费。 鉴于以上考虑，同时也受某单位的委托，要为其研制开发一套便携的外门窗的气密 性能现场检测设备，要求能够在建筑工地现场检测门窗的气密性能。这套设备在房屋的 窗洞或门洞墙体上加盖密封板，与待测的外门窗构成一个压力箱，且具备压力测量控制、 风速测量、数据计算以及报表打印等功能。除了具有便携特点以外，为了简化检测现场 的操作手续，降低对操作人员的要求，委托单位还希望检测系统具有一定的自动化功能， 不仅能够自动控制压力的变化，而且还可以存储在特定压力值下的漏气量以及其他一些 重要的检测数据，还具有同上位机进行通讯的接口，能够将数据传送到上位机进行处理 并打印报表。 本课题正是基于上述分析，开发一套满足g b t7 1 0 6 2 0 0 8 中关于门窗气密性能检 测要求的现场检测系统，系统主要需要满足以上分析的三条主要功能。 6 第一章引言 1 3 2 本文的内容 本文从分析g b t7 1 0 6 2 0 0 8 入手，首先分析了国标中规定的相关的检测过程，提 出了门窗气密性能检测系统的功能需求，再讨论系统的具体设计。整个检测系统以 a r m 7 微控制器为控制核心，配以交流斩波调压、压力风速测量、人机交互、通讯接 口、数据存储等功能模块，基于p c o s i i 操作系统开发软件并实现控制功能。本论文 的后续章节主要围绕基于a r m 7 的气密性检测仪器的硬件设计，软件功能开发及调试 试验展开论述，具体包括： 第二章在分析气密性能检测流程的基础上讨论了检测系统的整体设计方案。包括控 制器的选择以及斩波调压方案的简单介绍，为实现单相异步交流电机转速的连续可调选 择合适的方案，最后提出了系统架构设计和相关技术开发的条件。 第三章在上一章节已经对系统进行了总体设计的前提下，阐述了系统中的检测仪器 具体的硬件设计方案，详细给出了各硬件功能模块的设计原理图，包括斩波调压电路、 p w m 输出、i g b t 驱动及保护电路、电源电路、存储器扩展模块，压力测量模块、通 讯模块等等。 第四章首先给出软件的总体设计方案，然后分别介绍软件部分各个功能模块的设 计。在简要介绍与硬件操作相关的底层软件模块设计以后，又介绍了如何将u c o s i i 移植到本检测系统的微控制器平台上。论文详细论述了如何在多任务实时操作系统中实 现各种功能以及压力控制算法，最后介绍了此套检测系统的菜单操作设计方案。 第五章对检测系统调试中的一些技术问题以及相应的解决办法做了介绍，并给出了 系统软硬件各部分功能的实现情况，最终给出了完成完整检测流程程序的流程框图。 第六章总结了本次课题的研究工作，并对今后的研究发展方向提出了自己的建议。 7 东南大学硕士学位论文 第二章系统设计 2 1 系统结构 检测系统以a i 蝴7 为控制核心；主要测控对象为由门窗以及密封板组成的压力箱， 需要测量压力箱进气口的风速值以及压力箱内外的压力差值，压力箱内外压力差值则为 检测系统主要控制对象；除此以外，系统还通过按键、液晶显示屏等g u i 部件方便操 作人员的使用。系统的功能框图如图2 1 所示。 图2 1 系统功能框图 2 1 1 系统功能分析 根据上文中对系统功能的分析，在确定具体的设计方案之前，需要选择合适的功能 器件以完成上述需要的功能。压力箱主要由待测门窗和密封板组成，所以这部分内容不 在检测仪器的设计考虑范围之内。设计检测仪器的主要工作集中在风速测量、压力测控 以及检测流程设计这三个方面，下面就这三个方面具体分析。 ( 一) 风速的测量 测量风速常用的仪器有杯状风速计、翼状风速计和热球式电风速计等等。杯状和翼 状风速计使用简便，但是其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合测定较大的风速【4 j 。根据 系统的实际需要，选择能测低风速的热球式电风速计作为系统的测风部件，这里简要介 绍热球式电风速计的工作原理。 热球式电风速计是一种能测低风速的仪器，其测定范围较大，其测定范围为 0 0 5 2 0 州s 。它是由热球式测杆探头和测量仪表两部分组成。探头有一个直径0 6 m m 的 玻璃球，球内绕有加热玻璃球用的镍铬丝圈和两个串联的热电偶。热电偶的冷端连接在 磷铜质的支柱上，直接暴露在气流中。当一定大小的电流通过加热圈后，玻璃球的温度 升高。升高的程度和风速有关，风速小时升高的程度大；反之，升高的程度小。升高程 度的大小通过热电偶在电表上指示出来。根据电表的读数，查校正曲线，即可查出所测 的风速值( h 以) p j 。 根据上述介绍的热球式电风速计的原理即可设计出风速测量电路，但是风速值的校 正与标定是一个繁琐的工作，对实验室环境要求比较高，且需要耗费大量的时间。由于 本次课题是受某单位委托为其研发设备，时间限制较为严格，而在市场上已经有很成熟 的电风速计出售，为了节省研发时间，考虑直接购买市场上成熟的风速计产品，通过 r s 2 3 2 接口与主控制器进行数据交换，从而测量出现场的风速值。 8 第二章系统总体设计 ( 二) 压力的测量与控制 压力箱内外的压力差值是通过压力传感器来测量的，市场上有很多款压力传感器， 这里选择一款将压力信号转换为4 2 0 m a 标准电流输出的压力传感器，这款压力传感器 能够测量士1 2 0 0 p a 的压力值，并将其转换为4 2 0 n 迭标准输出电流。4 m a 对应1 2 0 0 p a ， 2 0 n 认对应+ 1 2 0 0 p a ，1 2 m a 则是压力差为0 p a 时候传感器所输出的电流值。 检测时所需要的压力主要由一台离心风机来产生，并配以正负压切换装置，正负压 切换控制主要由一台直流电机来实现。离心风机的动力源是一台交流电机，在具体选型 时，如果选择三相电机的话，则调速就需要通过调频来实现，这就要购买大功率的变频 器。所以从经济角度考虑，选择了一台1 1 k w 的单相交流电机作为动力源的风机。单 相电机的调速方案选择了较容易实现的交流斩波调压方案，这部分内容较多，将在下一 节具体介绍其内容。 ( 三) 检测流程设计 在风速测量和压力测量控制的基础上，检测仪表需要根据国标中规定的流程设计相 应的程序，自动完成检测流程的各个环节，并在特定的环节记录相应的测量数据。 2 1 2 检测仪器总体要求 根据以上对检测系统功能需求的分析，系统中检测仪器所具备的功能主要包括以下 几项： 信号量测量：压力箱内外压力差以及进气口风速的测量； 控制输出：能够产生检测所必需的特定正负压力差值； g u i ：具有液晶显示、按键输入等人机交互接口； 数据存储：具有大容量存储设备，可保存实时数据； 上位机通讯：能够与p c 机通讯进行数据交换； 工作电源：能够在市电2 2 0 v 士l o 的情况下正常工作； 有良好的防尘、防湿、抗震、抗干扰功能。 2 2 压力控制设计 在本系统中，压力的控制是通过一台风机和一套正负压控制机械来共同完成的。在 上文中提到，本系统所选用的的风机的动力装置是一台1 1 k w 的单相异步交流电机， 调速方案是交流斩波调压方式。下文将对交流斩波调压控制方式以及正负压控制机械部 分作一个简单的介绍。 2 2 1 斩波调压控制方式简介1 6 l 斩控式交流调压的控制方式与主电路开关模型有关，一般来说，按照对斩波开关和 续流开关的控制时序而言，可分为互补控制和非互补控制两大类。经过分析比较，本次 课题采用输出谐波小，但是控制方式较为复杂的非互补控制方式。下面就图2 2 所示的 具有一般拓扑结构的单相交流调压电路结构，讨论非互补控制方式的原理、时序和使用 条件。图中全控开关采用一种自定义的开关符号，代表全控器件与二极管构成的单向开 关。图中s w c l 、s w c 2 分别为正、反向负载电流通路的斩波开关，s w f l 、s w f 2 为对应 的续流开关。 9 錾竽式交流调压器的非互补控制，就是按不同规律分别控制斩波开关和续流开关的 壬堡鉴弯，煮蠼孥苎孽制电路是否包含负载电流检测信号，可分为无电流检测和有电磊 丝型箜j 孽三盐控制两类。图2 3 、2 4 分别示出采用上述两种控制方式的具看基柱贪莪 的斩控式交流调压器工作波形。 。一 一 。u j 。 。飞? 7 x l 、， 丌几几nnn 九n 门j j 几几 inr _n 几几几nnnl - 古狳 一 一 列刈川l j j _ 鳓 u x i u 寓， i b 图2 3 无电流检测的非互补控制工作波形 岁繁 “ i v 、 。 皿 、s 么 1 兀n1n 兀兀几n 几r几n1 几几几几几n 几 几丌nn nn 几l 1 几n 几几n 几几 inr n 几f r 1 几r 1 几几n 几nh vu juuuuu u 。 图2 4 有电流检测的非互补控制工作波形 l o t t t t 雠 叭毗m 砒 叶 t ie l 叭 砒砒砒砒 价 斫 第二章系统总体设计 下面以输入电压与输出电流同相且输入电源电压为正半周为例，分析这种控制方式 工作过程。由图2 3 、2 4 可看出，由于s w f 2 阻断，所以可以保证电源不被短路；又由 于s w c 2 和s w f l 都施加了开通控制信号，于是负载电流无论正负均能导通，防止两个 双向开关共态关断。所以，采用非互补控制避免了斩波开关和续流开关的共态运行。 对比图2 3 、2 - 4 可以看出，当输入电压、输出电流不同相时，无电流检测的非互 补控制存在失控的现象，如区间i 。由于失控区的存在，输出电压包含明显的3 次、5 次等低次谐波，且输出电压的谐波含量随功率因数角的增大而增高，不利于滤波器的设 计。有电流检测的非互补控制通过电流和电压的极性按图2 - 4 方式决定驱动信号的时 序，有效的消除了失控现象。 综上所述，有电流检测非互补控制不仅消除了共态运行，而且消除了失控的现象， 是适合于本设计的最佳控制方案。 2 2 2 压力控制系统结构 根据以上的讨论，气密性检测系统压力控制部分采用图2 5 的系统结构。其中交流 调压采用有电流检测的非互补控制斩控式交流调压，拓扑结构如图2 2 。其中，主电路 中的功率开关选用带反并联二极管的单i g b t 功率模块。 图2 5 压力控制部分结构示意图 2 2 3 正负压切换 正负压切换模块由一套风道机械装置和相关的控制检测电路组成。风道机械装置如 图2 6 所示： 东南人学硕十学位论文 风机 ( a ) 正压 风机 ( b ) 负压 图2 - 6 风道机械控制装置 如上图所示，正负压控制主要由换向阀里挡板的切换来实现，挡板由一台直流电机 来控制。当挡板位于b c 位置时，如图2 6 ( a ) 所示，风机的出气口同压力箱连接，风机 向压力箱内部吹入空气，压力箱内部产生正压；当挡板位于a d 位置时，如图2 6 ( b ) 所示，风机的进气口同压力箱连接，风机从压力箱内向外界空气抽取空气，压力箱内部 产生负压。 2 3 开发相关技术与条件 2 3 1 微控制器的选择 微控制器是以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r a m 、f l a s h 、定时计数 器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 等各种必要功能和外设。微 控制器目前的品种和数量众多，大体分为以5 1 系列和9 6 系列为代表的8 1 6 位微控制 器和以d p s 及a l w 为代表的3 2 位微控制器。 8 1 6 位单片机 8 1 6 位单片机具有集成度高、体积小、使用方便、价格低廉等一系列