“风随人动”空调测温.doc

“风随人动”空调测温系统研究1 前言温度是表征物体冷热程度的物理量，在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等中都是基本的检测参数之一。尤其是在当今的空调领域，温度是空调运行中最基本、最为核心的衡量指标，也是空调控制系统中最为重要的被控参数，因此对温度进行准确的检测一直是一个重要的研究课题。在变风量空调系统领域，温度更是一个重要的测控参数。1.1 VAV空调系统的应用状况和前景VAV(Variable AirVoulm)e空调系统，即变风量空调系统。它的基本工作原理是通过改变送入空调区域的送风量来适应区域内负荷变化的一种空调系统。不仅能提供良好的舒适性，而且具有显著的节能效果。变风量空调系统早在60年代诞生于美国，经过40多年的发展，在美国、日本及欧洲等工业发达国家日益得到普及和应用。图.典型变风量空调系统结构图一个典型的智能化控制型单风管带再热盘管的变风量空调系统结构如图1.1所示。主要由空气处理设备、送回风管路系统、若干VAV末端装置和自动控制元件组成。工作过程如下:空调室内回风与室外新风混合，经集中式空调机组处理后，由风管送到各个空调区域。变风末端控制器根据室内负荷的大小，通过改变变风量末端风阀的开度，调节送入室内的风量:当室内需要供热时，再热盘管的热水阀打开，送风温度提高，通过改变变风量末端风阀的开度，调节送入室内的热风量。空调房间送风量的改变，导致送风总管静压的变化，总管压力传感器测量风管系统静压后，由自控系统通过调节风机的送风量实现定静压控制。冷水盘管的三通阀调节冷水的流量使送风温度保持恒定，新风量和室内正压由送风机和回风机同时控制。系统的各个测量点可以与计算机通讯，进行实时监测、分析和调控并可以优化控制参数，实现最佳的控制方案。可见变风量末端装置是变风量空调系统的关键设备，通过它来调节送风量，补偿变化着的室内负荷，维持室温。一个变风量空调系统的运行成功与否，在很大程度上取决于所选用的末端装置性能的好坏。VAV空调系统之所以收到青睐，其最主要的优点，是具有较高的综合能效比。主要体现在:1、实际的空调系统在全年大部分时间内处于部分负荷下运行随空调系统负荷的降低，VAV末端的送风量减少，其空调机组的送风量也随之减少。一个系统的空调负荷在全年中只有大约5%的时间出现满负荷的情况，其余时间均在低于满负荷工况下运行。这样，利用VAV后，可使整个空调系统的全年运行的能耗大大降低。2、在同一风管系统中，不同房间或分隔区域一般不可能同时达到最大负荷值。特别是当前的建筑物规模越来越大，不受室外环境影响的内区负荷比例占很大份额，尽管每个VAV末端的最大送风量按房间最大负荷选择，但空调机组总送风量可按各房间的逐时负荷之和的最大值来计算，不象定风量空调机组那样，以各房间最大送风量之和来确定送风量。在设计上，减少了设备容量，使机房所占面积、设备费用、用电安装容量等有所下降，降低了空调系统的初投资。3、VAV空调系统可以根据不同房间的使用要求，独立控制同一风管系统中各房间的温度。VAV空调系统的各房间均配置VAV末端装置，每个VAV末端装置自配温度控制调节装置，随着所控区域的温度变化，末端装置能自动调节送风量，实现局部区域内温度的灵活控制，满足不同个人和群体对不同室内环境的要求。4、VAV空调系统是一种全空气调节系统。它与风机盘管不同，室内无水管，不会发生因产品质量和施工质量形成的水管漏水或冷水管保温不当而产生的凝结水污染室内装饰等问题。、俏刀空调系统的空调机组运行可靠，检修工作量很小。由于VAV空调系统的这些优点，使这种空调在日、美等国成为新空调使用的主流。许多著名的空调、建筑、自控公司如JOHNSON、YORK等都有自己的变风量末端设备并各具特色。在最近二十年左右的时间里，不仅VAV末端装置，而且相应的控制系统，甚至变风量空调系统的形式都发生了很大变化，有关的新技术不断涌现。在我国变风量空调系统则处于刚起步的阶段，技术力量还比较落后。一些国内公司也生产自己的变风量末端设备，但遗憾的是与技术含量较高的同类国外产品相比是不能相提并论的。目前在北京、上海等地在建的高档写字楼中，大都采用的是变风量系统，所用的变风量设备都是国外的产品。20世纪90年代，变风量空调系统在我国的应用逐渐扩大，但由于我国空调工程师和自控工程师分属两个专业，相互配合成为变风量空调系统良性发展的一个瓶颈，且对于变风量空调系统的认识、研究和开发还不够，使得VAV空调系统中存在的问题未能得到很好地解决。在实际工程中VAV空调系统部分失效，甚至完全失效的例证并非少见。1.2 阻碍VAV空调系统发展的原因主要有1、技术问题:变风量空调系统的原理并不复杂，只是随着负荷的变化自动控制每一空调区域的送风量，使空调机组在低负荷时降低总送风量，从而大大降低了耗电量，节能效果显著。但是，变风量空调系统的控制却很复杂，是一个干扰大、高度非线性和不确定性的系统。其影响因素很多，主要的影响因素有:外界气候和空调区域内的人员活动的变化很大，且无有序的规律性。空气调节过程中是高度非线性的，各执行器的运行特性也必须是非线性的。各个控制回路之间的祸合强烈，很难做到完全解祸。系统内参数的设定一般通过计算得到，而对于实际系统而言，其实际值和理论值不符，若按设定值进行变风量系统的调试整定，会存在很大的随意性和盲目性。保证新风量的供给，是使室内空气环境品质达标的基础。但是在VAV空调系统中，送风量随着室内负荷的变化而变化，届时以某新风比的送风状态进行送风的变风量空调系统，新风量将随送风量的减少而减少，以致不能保证变风量空调系统维持室内空气环境品质的最小送风量。2、 经济原因:由于VAV空调系统的控制比较复杂，技术上也存在较高的难度，由此带来的结果是劝W空调系统多采用进口控制设备，价格昂贵。而相应的国家低收费的能源政策，使其投资回收年限太长，也限制了VAV空调系统的推广。然而，电子技术、计算机技术的发展、神经网络和专家系统等控制方法的应用，为VAV空调系统中被控对象及其环境任务的不确定性提出了新的解决办法，给VAV空调系统的控制性能的完善提供了可能。由于VAV空调系统是智能建筑设计中建筑设备自动化部分的重要内容，而智能建筑正处于迅猛发展势头，因此，VAV空调系统在我国有着广阔的应用前景。1.3本设计的特点国内变风量空调系统室内温度场的检测一般采用的固定方位的测温，我们的设计实现了各个方位的温度检测。具有以下3个特性:1、采用新型的数字温度传感器，简化测温电路。2、数字信号传输，利于有干扰现场的应用。3、设计了云台，将传感器置于其上实现多方位的温度采集，信息更可靠。2 总体结构方案设计温度传感器单片机步进电机（1）驱动器（1）步进电机（2）驱动器（2）云台X方向运动云台Y方向运动图.总体结构图总体方案包括机械系统和控制系统两部分。为了能够让温度传感器检测室内各个方向的温度，我们将温度传感器放置在一个云台上，云台能够实现X、Y两个方向的扫描。所以单片机还需驱动两个步进电机，实现两个自由度的运动。温度传感器测得室内温度传送给单片机，单片机对温度进行运算，进而控制风扇的扇叶转速实现变风温度调节。3 机械系统设计为了能够让温度传感器检测室内各个方位的温度，即实现动点温度监测。因此我们需要将温度传感器放置在一个云台上，云台要求能够实现二自由度运动。所以可以简易的设计云台的机械结构示意如图3.1：图.云台结构示意图云台应包括两个轴分别通过联轴器与步进电机相连，实现精确的转动。将温度传感器固定在箱体内。而云台的转速可以由相应的驱动器的脉冲频率来控制。4 控制系统设计4.1 控制元件选型4.1.1 单片机选型由于本系统结构功能相对简单，所以我们选用80C51。它结构简单，引脚数目较少，价格较低。80C51具有如下的特点：4kbytes 程序存储器(ROM) (52为8K) 256bytes的数据存储器(RAM) （52有384bytes的RAM） 32条I/O口线111条指令，大部分为单字节指令 2个可编程定时/计数器5个中断源，2个优先级（52有6个） 一个全双工串行通信口 外部数据存储器寻址空间为64kB 外部程序存储器寻址空间为64kB 4.1.2 温度传感器的选取1、红外温度测量红外温度测量是通过热辐射原理来测量温度的,是一种非接触式温度测量方式,与接触式温度测量相比,不会干扰测量对象的温度场、 响应速度快、 精度高、 测量范围广,近年来在航空、 军事、 医疗等方面的应用越来越广泛。Melexis 公司生产的 MLX90614 红外温度计是一种使用方便的红外测温器件,直接输出完全线性化的并已对环境温度进行补偿的数字温度。该器件具有2 种温度输出方式:数字 PWM 输出及 SMBus 接口输出,采用罐形( TO239)封装,体积小巧、 使用方便。MLX90614 的温度测量范围为- 40 + 125 ,温度分辨率为 0. 02 。在温度范围为+ 32+ 42 时,测量的绝对精度为 0. 2 ,因此非常适用于对人体温度进行初步测量。2 、MLX90614 简介（1）MLX90614 的结构框图MLX90614 由红外温度传感器、 低噪声放大器、 A/ D转换器、 DSP单元、 脉宽调制电路及逻辑控制电路构成,其内部框图如图 1 所示。热电耦输出的温度信号经过内部高性能、 低噪声的运算放大器放大后送给模/ 数转换器(ADC) ,ADC输出的 17 位数字量经过可编程 FIR 和 IIR低通滤波器(即框图中的DSP)处理后输出,该输出作为测量结果保存在 MLX90614 内部 RAM存储单元中,可以通过 SMBus 读取;同时测量结果送到后级数字式脉冲宽度调制电路,将测量结果以 PWM的方式输出。（2）MLX90614 的封装及引脚功能MLX90614 采用4 脚罐形封装( TO239) ,如图4.1 所示。其引脚功能如表4.1 所示。图 4.1 MLX90614 的结构框图表4.1 MLX90614 引脚功能4.1.3 步进电机及驱动器选型1、步进电机的选择由于扫描结构本身体积很小，所以X个运动方向控制的电机选型时必须体积很小。基于以上原因我们选取森创（原北京四通）的两相混合式步进电机，型号是35BYG250B-SASSMQ-0081，外形尺寸为58*35*40. 步距角为0.9/1.8，定位转矩为0.012Nm静态相电流0.8A，相电阻5.7欧姆。配套的驱动器型号是SH-20402N。同时，Y方向的电动机应该有较大的转矩，所以我们选用森创的28BYG250C-SASSMQ-0071，外形尺寸是64*32*28。步距角为0.9/1.8，定位转矩为0.09Nm静态相电流0.7A，相电阻3.4欧姆。配套的驱动器型号也是SH-20402N。图4.2 35BYG250B-SASSMQ-0081外形尺寸图图4.3 28BYG250C-SASSMQ-0071外形尺寸图2 、驱动器的选择驱动器的输入信号有公共端、脉冲信号输入、方向信号输入和脱机信号输入。由于本驱动器的输入信号采用共阳极接线方式，该线接电源正极。共阳极时刻脉冲信号输入下降沿被驱动器视为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。为了确保脉冲信号的可靠响应，共阳极时脉冲低电平的持续时间不应少于10us。方向信号输入的高电平和低电平控制电机的两个转向。共阳时该端悬空被等效认为输入高电平。控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少10us建立，可避免驱动器对脉冲的错误响应。脱机信号接受控制机的高/低电平信号，共阳极时低电平，电机处于脱机状态，高电平是处于锁定状态。驱动器的典型接线如图4.4.图4.4 SH-20402N驱动器的典型接线图此驱动器有7种细分方式，此处选用64细分，即步进角除64。所以，驱动器的拨码开关的1、2、3全在ON端。5、6分别为ON、OFF。此外，驱动器采用单脉冲方式工作，所以第4拨码开关在OFF端。4.2 硬件电路设计根据总体结构方案可知，控制系统主要包括两部分的功能：传感器数据采集与传输、电机驱动。传感器MLX90614的SCL和SDA两端分别连接在单片机的P2.0和P2.1上。驱动器的公共端、脉冲信号输入端、方向信号输入端和脱机信号端分别接在P0口的07位上。图中，X、两个接口分别接、Y两个方向的驱动器，分别驱动X、两个方向控制的电机上，硬件电路如图4.5。根据总体结构方案可知，控制系统主要包括两部分的功能：传感器数据采集与传输、电机驱动。传感器MLX90614的SCL和SDA两端分别连接在单片机的P2.0和P2.1上。驱动器的公共端、脉冲信号输入端、方向信号输入端和脱机信号端分别接在P0口的07位上。图中，X、两个接口分别接、Y两个方向的驱动器，分别驱动X、两个方向控制的电机上。图4.5 系统硬件电路图4.3软件设计4.3.1 温度传感器的通信程序设计MLX90614 数据的输出方式为 PWM 输出和系统管理总线(SMBus)输出,本文以 SMBus 输出方式进行讨论。1、 MLX90614 的 SMBus协议MLX90614 以 SMBus 输出方式接入系统时,作为从器件工作,数据通信格式如图 4.6 所示,图中阴影部分表示数据传输方向是从器件到主器件,其余为主器件到从器件。其中: S 为起始位(1 b) ; Slave Address 为器件地址(7 b) ;Wr 为写标志(1 b , 0 表示 “写” ) ; A 为应答位(1b) ;Command为命令字节(8 b) ; Sr 为重复起始位(1 b) ; Rd为读标志(1 b , 1 表示 “读” ) ; PEC 为出错数据包(8 b) ;P为停止位(1 b) 。2、数据传输时序MLX90614 的数据传输时序如图4.7 所示,在SCL 变为低电平300 ns 后,将16 位数据分2 次传输,每次传送一个字节。每个字节都按照高位(MSB)在前、 低位(LSB)在后的格式传输,2 个字节中间的第9 个时钟是应答时钟。图 4.6 数据通信格式图 4.7 MLX90614 的数据传输时序MLX90614 的 SCL , SDA 经电阻上拉后和单片机的P2.0和P2.1 口相接。当多个 MLX90614 用于一个系统中时,应该事先给每个 MLX90614 设置不同的地址,以便单片机访问。MLX90614 的数据传输都是以字节为单位进行。每次发送一个字节(先发送高位后发送低位) ,然后判断对方是否有应答,如果有应答就发送下一个字节;如果没有应答,重复发送该字节,如果多次重复仍得不到应答,则进行出错处理。接收数据时,每次接收一个字节,8 位接收完毕向对方发送一个应答信号,然后继续接收下一个字节。限于篇幅,此处仅给出数据写入程序流程图,如图6 所示。从 MLX90614 中读出的数据是 16 位的,由高字节(Data_ H)和低字节(Data_L)组成,按照 T = (Data_ H Data_L) 0. 02 - 273. 15 计算得到测量对象的摄氏温度,例如:Data_ H = 3 CH ,Data_L = 94 H ,则 T = 37. 01 。3、通信程序流程图根据MLX90614的通信数据传输格式和工作要求我们可以确定MLX90614的通信程序流程图，如图4.8。图4.8 MLX90614的通信程序流程图4.3.2 步进电机驱动程序设计从单片机对步进电机控制子程序主要完成实现步进电机的正、反转，以及精确地实现步进电机的点一位控制。由于步机电机的工作速度取决于控制步进电机的脉冲频率的高低，而本设计中无需变速，所以输出脉冲采用恒频。步进电机的正反转可以通过控制步进电机驱动器的方向输入信号来实现。试验中我们设定方向信号为高电平时步进电机正向运转，方向信号为低电平时步进电机反向运转。由于步进电机是由脉冲来进行驱动，电机转过的角度是由驱动脉冲数决定的，通过减速后可算出云台所转过的角度，因此云台位置的变化值可以由单片机发出的脉冲数进行计算以确定云台中心指向的位置的变化值。由此，我们可以获得步进电机驱动程序的流程图，如图4.9。开始参数初始化转向标志=1？正转反转信号输出NY图4.9 步进电机驱动程序流程图附录/*/*步进电机为28BYG250B和35BYG250C,步距角均为1.8/0.9/* 驱动器64细分 /* /*/#include /51芯片管脚定义头文件#include /内部包含延时函数 _nop_();#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define Nack_counter 10 /*mlx90614端口定义*/sbit SCL=P20;/时钟线sbit SDA=P21;/数据线bdata uchar flag;/可位寻址数据sbit bit_out=flag7; sbit bit_in=flag0; uchar DataH,DataL,Pecreg; /*电动机端口定义*/sbit DX = P02; /X轴方向sbit DY = P06; /Y轴方向sbit SX = P03; /X停止sbit SY = P07; /Y停止sbit X = P01; /X脉冲输出sbit Y = P05; /Y脉冲输出/*/*函数声明* void start_bit(); /MLX90614发起始位子程序void stop_bit(); /MLX90614发结束位子程序uchar rx_byte(void); /MLX90614接收字节子程序void send_bit(void); /MLX90614发送位子程序void tx_byte(uchar dat_byte); /MLX90614接收字节子程序void receive_bit(void); /MLX90614接收位子程序void delay(uint t); /延时程序void motor_x(); /X方向电机转动void motor_y(); /Y方向电机转动/*/* * 主程序 * */main() /测温部分 SCL=1;SDA=1; /测温部分delay(10);SCL=0; delay(1000); SCL=1;/电机部分 uchar r,N=64; /因为驱动器是64细分的 while(1) if(DX=1) for(r=0;rN;r+) motor_x(); /X方向电机正转 if(SX=1) break; /退出此循环程序 else if(DX=0) for(r=0;rN;r+) motor_x(); /X方向电机反转 if(SX=1) break; /退出此循环程序 if(DY=1) for(r=0;rN;r+) motor_y(); /Y方向电机正转 if(SX=1) break; /退出此循环程序 else if(DY=0) for(r=0;rN;r+) motor_y(); /Y方向电机反转 if(SX=1) break; /退出此循环程序 /* /* 延时t毫秒 /* 32.786MHz时钟，延时约1ms /* /*/void delay(uint t) uint k; while(t-) for(k=0; k125; k+) /*/*X方向步进电机转动脉冲的产生/*/*/void motor_x() uint i,j; for(j=0;j20;j+) if(SX=1) break;/停止 for(i=0;i10;i+)/电机转0.28125(18经64细分后) X=0; delay(2);/速度调节 X=1; delay(2); /*/*Y方向步进电机转动脉冲的产生/*/*/void motor_y() uint i,j; for(j=0;j20;j+) if(SY=1) break;/停止 for(i=0;i10;i+)/电机转0.28125(18经6