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野營冷暖風機電路板開發


目前,在礦山、電力、勘探、環保等野營作業中,工作人員居住的帳篷或臨時搭建的簡易房的取暖和通風是個問題,使用一般空調其功率和便攜性很難滿足要求。我國的野外作業冷暖風機大多數都是改裝而成的,很難適應野外作業需求。針對各野外作業所處特殊環境,筆者研制開發了一款適應野外作業冷暖風機的具有“防潮、防煙霧、防霉菌”三防要求的智能化控制系統,該系統可實現對10kW大功率可移動風機的制冷和制熱控制,并具有設備的各種故障和操作的語音提示功能。

一、野營冷暖風機智能控制器硬件系統設計

1.1野營冷暖風機智能控制系統的組成及基本原理

野營冷暖風機系統主要由軸流風機、壓縮機、送風機、干燥過濾器、四通換向閥、節流組件、蒸發器、冷凝器等組成。其中軸流風機、壓縮機、送風機、四通換向閥為執行部件,因此,野營冷暖風機智能控制系統的主要功能是完成對這些執行部件的控制。冷暖風機智能控制系統由室外主控器和室內控制器組成。室外主控器主要是根據空調控制工作原理,監控并采集分布在空調機不同部位的溫度和高低壓壓力,實現風機的正常運行。室內控制器包括控制和語音兩部分,室外主控制器將測到的各個參數通過四芯電纜傳送到室內控制器,根據需要在室內對空調進行操作,室內控制器同時可以顯示所有的參數、故障提示、操作方法。

1.2風機室外主控器設計

室外主控器由PIC16F77單片機作為主控元件,主要由信號采集、看門狗電路、鍵盤及顯示電路、輸出電路、電源電路等組成。在系統上電后,控制系統監視和采集分布在空調機不同部位的溫度和高低壓壓力,來實現風機的制冷或制熱。

信號采集部分主要采集溫度、電壓、頻率、壓力以及軸流風機電流等信號。

1)溫度采集電路:采用熱敏電阻來測量各溫度。熱敏電阻是具有很高電阻溫度系數的固體半導體材料制成的熱敏類型的溫度檢測元件。該設計選用負溫度系數熱敏電阻器,采用分壓式電路進行測溫,檢測結果經處理后輸入到RA口。

2)電流信號采集電路:電流采集選用TA12-100環氧灌封精密電流互感器。TA12-100環氧灌封精密電流互感器,變比為1000∶1,0~5mA輸出,可作為電控系統輸入信號,對電機運行狀態監視。

3)壓力信號采集電路:控制系統需要對壓縮機高壓和低壓數值進行監控。選用的JPG2擴散硅充油芯體壓力傳感器輸出信號為4~20mA或1~5V,可直接接入PIC16F77的RA端口。

輸出驅動電路主要是控制壓縮機、軸流風機和四通閥等執行元件。利用RC4、RC5及部分RD口線,將輸出信號放大后驅動繼電器,從而控制相應執行元件。

1.3風機室內控制器設計

室內控制器采用PIC系列單片機PIC16C711。其電源電路、復位電路、鍵盤及顯示電路設計原理都與室外主控器相類似。此處重點介紹語音系統。

野外作業冷暖風機使用范圍較廣,使用人員文化程度較低,且野外作業單位作業人員流動性大,一般無專人操作和維護,因此解決這個問題的最好途徑是增加語音提示功能,使設備真正做到“傻瓜化”。選用TI生產的MSP53C392被動式語音合成器,它是由單片機控制的語音合成系統。片內集成有各種語音合成算法,用戶可以根據要求選擇。利用PC機和TI的專用軟件對語音數據進行轉換和壓縮,然后下載到Flash存儲器中。用單片機PIC16C711通過查表讀取語音數據,經MSP53C392合成輸出語音,再經濾波、LM386功率放大后驅動揚聲器。

二、野營冷暖風機控制器軟件系統設計

2.1開關機程序設計

1)開機流程:制冷開機過程:帳篷內溫度采用啟停式控制,當回風溫度(篷內溫度)高于用戶設定溫度加回差時,若距前次關機時間超過180s,則開啟軸流風機,延時30s,開啟壓縮機;當回風溫度低于用戶設定溫度減去回差時關閉壓縮機,延時5s關閉軸流風機。制熱開機流程與制冷流程相似。

2)關機流程:關機過程:關機信號,關閉壓縮機,延時5s,關軸流風機,延時10s,關閉送風機,關機結束。

2.2制冷、制熱過程程序設計

根據制冷原理,系統上電后,首先檢測工作電壓(200~240V)、頻率、電流、壓力是否正常。如不正常系統則顯示故障信息(電壓、頻率、高低壓不正常要停機,而溫度傳感器不正常只是顯示故障信息)。制熱過程程序流程類似制冷。

2.3語音提示軟件設計

語音提示軟件主要功能是對系統進行初始化,根據不同按鍵輸入讀取不同的語音段數據,與語音合成器進行通信,傳送語音數據,完成語音合成器件的復位和其他控制。通過GOLDWAVE軟件進行低通濾波,使其頻寬為4kHz或5kHz,然后以8kHz或10kHz的頻率重新抽樣;同時,對音量進行調節,以16位單聲道PCM的數據格式保存。轉換和壓縮后的數據保存在24LC512和24LC256中。

三、暖風機控制器結構設計

該控制器針對各種惡劣環境采取了相應的加固措施,外殼材料使用鋁材及不銹鋼材料,對鐵件采用熱鍍鋅,鍍層厚度是普通電鍍層厚度的10倍以上,從而實現防潮、防煙霧及防霉菌。鍵盤采用新型高彈不銹鋼作為按鍵的彈片,按鍵安裝簡單,方便可靠,壽命長,手感好。

總結

野營冷暖風機智能控制系統主要是針對野外作業時特有的氣候條件而研制開發,系統實現了對大功率冷暖風機系統的控制,設計了語音提示功能,該功能可以提示操作方法和故障類型,幫助使用人員輕松操控,使設備真正做到“傻瓜化”。該系統的應用將有效地為野外作業單位提供更好的后勤保障。

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