通风控制系统设计与实现
申红明 徐晨 沈晓燕 董蓉
摘 要： 针对传统通风控制系統能耗高自动化程度低等缺点，设计一套自动化、智能化的控制系统。该系统以STC12C5620AD为控制核心，集成了风速调节、环境温度测量、电机驱动与控制等电路，并设计了专用段式液晶和键盘。系统具有手动和自动两种工作模式，每种模式下均可自由设定待机风速、工作风速和靠近风速的大小，操作方便、使用灵活。软硬件抗干扰设计与优化保证了系统在强电磁环境下的可靠运行。经测试，系统控制精度较高，运行稳定。
关键词： 通风控制； 风速设定； 抗干扰设计； STC12C5620AD
中图分类号： TN911?34； TP23 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0105?04
Abstract： In order to eliminate the defects of high energy consumption and low automation level of the traditional ventilation control system， an automatic and intelligent control system was designed. The STC12C5620AD is taken as the core controller of the system. The circuits of wind speed adjustment， environmental temperature measurement， motor drive and control are integrated in the system. The dedicated segment liquid crystal display and keyboard were designed. The system has the manual and automatic operating modes. The standby wind speed， operating wind speed and nearby wind speed can be set freely in both operating modes. The system has the characteristics of flexible operation and use. The anti?interference design and optimization of hardware and software can ensure the reliable operation in the strong electromagnetic environment. The test results indicate the system has high control precision and stable operation.
Keywords： ventilation control； wind speed setting； anti?interference design； STC12C5620AD
0 引 言
医院、实验室、矿洞等场所对排风控制的要求很高，有毒有害气体需要及时排出，以保证操作人员的安全，同时又要节约能源降低生产成本。早期的通风控制系统多是定速设计，即只能以固定风速运行，能改变的仅仅是系统的开启和关闭，这样的系统存在着能耗高、安全性差等缺点。随着电子技术的发展以及微控制器的普及，体积小、功耗低、反应灵敏、成本低廉的通风控制系统不断涌现，不仅融合了多种传感器技术，功能也越来越丰富，能检测和控制的量越来越多。
本文设计的通风控制系统采用STC12C5620AD作为控制核心[1]，矩阵键盘和一块定制的段式液晶作为人机交互接口，用于系统工作模式的设置和运行状态的显示，且集成了电机驱动、风速检测与控制、温度采集等单元电路。系统具有手动和自动两种工作模式，可根据选配的模块不同实现丰富的功能。
1 总体方案设计
图1为硬件系统结构示意图。系统主要由7个模块组成，分别是主控制器、温度传感器、风速传感器、段式LCD液晶屏、键盘、电机和电源模块[2]。STC12C5620AD作为主控制器，采集环境温度和风速，驱动电机运转调整阀门开度大小，键盘和液晶作为人机交互接口，可进行参数设置与工作状态显示。
2 硬件设计
2.1 键盘电路
根据需要设计了一个9按键矩阵式键盘，包括4个方向选择按键，设置结果的“确定”键，“照明”和“风机”的开关键，蜂鸣器的“消声”键，以及液晶 “背光”键，如图2所示，其中X2，X1，X0分别接P02，P12，P11口，Y2，Y1，Y0分别接单片机的P03，P14，P13口。
2.2 液晶驱动电路
系统显示屏为一块定制的段式液晶，需要显示的信息包括环境温度、工作模式、设备状态、运行状态等信息，共有28个引脚，包括8个公共端口和20个段选端口。全部信息显示效果如图3所示。由于控制端口较多，因此选择HT1622作为这块液晶的驱动芯片。
HT1622是一款LCD专用驱动芯片，最多可以驱动256个显示单元（32×8）。内部包含控制电路、显示RAM、频率发生器等模块，外部引脚主要包括片选端[（CS）]，读写控制端[（RD，WR），]数据端（DATA）、32个段选端和8个公共端等[3]。图4为液晶驱动电路，将段式液晶LCD1的COM口和SEG口分别与HT1622的对应端口相连接，再将HT1622的[CS]，[RD]，WR，DATA脚对应连接至STC12C5620的P24，P25，P26及P27端口。
2.3 电机电路
控制闸门开合的电机为一单向可控爪极式永磁同步电机，电路主要包括驱动电路、正反转控制电路和限位控制等电路。
电机驱动电路如图5所示。JDQ4C，JDQ5C为常闭触点，JDQ6B，JDQ7B为常开触点。图6为正反转控制电路，当kaiA为低guanB为高时，线圈JDQ6A得电，图5中JDQ6B吸合，电机正转；当kaiA为高guanB为低时，线圈JDQ7A得电，图5中JDQ7B吸合，电机反转。
图7为限位控制电路。行程开关XCKG1，XCKG2处于常开状态。电机正转至阀门完全敞开时，XCKG1被按下，线圈JDQ4A得电，图5中JDQ4C断开，正转停止；电机反转至阀门完全关闭时，XCKG2被按下，线圈JDQ5A得电，图5中JDQ5C断开，反转停止。
2.4 风速调节电路
系统具有手动和自动两种工作模式。自动模式是将风速传感器的测量值反馈给控制器，通过PID控制阀门开度的变化，手动模式则是通过键盘直接控制阀门的开合程度。
（1） 自动模式。系统工作于自动模式下的风速调节电路如图8所示。JP6为外接风速传感器接口，提供0～10 V的电压信号，只需将该电压信号经过调理后送至单片机ADC端口采集，即可获取当前的风速值[4]。
Analog0接STC12C5620AD的ADC输入端P10口。因单片机内部ADC的基准电压为5 V。因此风速传感器的输出电压需经分压后送到运放TLC2272的同相端[5]，经过电压跟随电路后滤波输出至单片机ADC端口。
（2） 手动模式。阀门的开合是通过电机的正反转实现的，当电机转动时，带动同轴电位器W1的滑片一起运动，如图9所示，因此滑片上的电压变化可反映出阀门开度的变化。
图9中W1和R10串联，REF3012为电压基准芯片，2脚输出1.25 V基准电压，将滑片上的电压送到AD654的4脚，AD654为V/F转换芯片，Vin引脚上的电压变化会转换为Fout引脚上输出方波信号的频率变化，计算公式如下：
本系统中，取R3=1 kΩ，[C9]=1 nF，因此式（1）可简化为Fout = 105Vin，因此Vin腳10 mV的电压变化会引起Fout引脚1 kHz的频率变化，灵敏度非常高。为了避免方波信号在传输过程中受到干扰，经过6N137光耦隔离，并经MC4584BLC整形后送到单片机P32口（定时器0）采集，进一步提高系统的抗干扰能力，保证较高的采集精度。
硬件系统还包括了温度测量与电源电路。温度测量使用单线式温度传感器DS18B20来实现，接上5 V电源和地线后，将2脚接单片机P21端口即可。系统工作需要220 V交流电源及5 V，12 V两组直流电源，通过简单的整流稳压电路即可实现，不再赘述。
3 软件设计
软件流程图如图10所示[6]，上电初始化完成后，通过识别硬件电路跳线，执行手动或自动工作模式，接着从FLASH中读取系统上次关机时保存的设置值和状态值，包括设定风速（靠近风速、工作风速、待机风速三档）、设定时间，以及状态初值，包括风机状态、照明状态等信息并显示。进而进入主循环，若键盘“确认”键按下，则进入参数设置流程，设置完成后再次按下“确认”键，将当前设置值存入FLASH；如有人靠近，则调整至高风速（靠近风速）运行直至工作人员离开，否则打开阀门并调整至正常风速（工作风速），一旦系统连续运转至设定运行时间，则调整至低风速（待机风速）运行以节能；检测到关机键按下后，系统保存好当前的设置参数及状态参数至FLASH存储器后，关闭阀门并断电。
3.1 开度控制
表1和表2分别是自动模式和手动模式下的开度测量数据。表1中的传感器输出电压取自风速传感器的输出端电压，经单片机A/D采集后通过PID调节阀门开度，中高低三档测试均正常。表2中的Vin 和Fout分别取自AD654的4脚和1脚，测试结果表明输入1 mV的电压变化大致对应于1 kHz的频率变化，和理论计算结果完全吻合，且线性表现非常出色。由于频率过高或过低的脉冲信号，单片机直接测量都不方便，因此图9所示电路中，通过电位器W1搭配电阻R10的方法避开高低频区，频率测量精度非常高，阀门开度控制效果较好。
3.2 可靠性测试
系统的可靠性与稳定性，需要在极限工作状态下长时间连续进行。硬件设计时，通过大规模铺地、光耦隔离、交流电源线与信号线分离、采用屏蔽电缆等手段，软件程序中适时保存系统的工作状态参数、使用软件看门狗、软件陷阱等手段，特别是主动复位技术的使用，有效地解决了外部干扰对电路工作的影响。测试结果表明系统运行稳定，即使极端的强电磁干扰，系统也能迅速复位并恢复之前的工作状态。
4 结 语
本文针对传统通风装置效率低、成本高的问题，设计了一套智能化的控制系统。该系统既可以手动调节又可以在设定好工作参数后自动调节，人机界面友好，操作方便。经测试，系统运行稳定，即使在强电磁环境下也能可靠工作，达到了预期的设计目标。
注：本文通讯作者为徐晨。
参考文献
[1] 南通国芯微电子有限公司.STC12C5620AD系列单片机器件手册[EB/OL]. [2014?03?25]. http：//www.stcmcu.com，2011.
[2] 瓮嘉民.单片机典型系统设计与制作实例解析[M].北京：电子工业出版社，2014.
[3] HOLTEK. HT1622： RAM mapping 32×8 LCD controller for I/OC [EB/OL]. [2009?06?12]. http：//www.holtek.com，2009.
[4] 唐朝仁.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2014.
[5] Texas Instruments. TLC227x， TLC22xA： advanced LinCMOS rail?to?rail operational amplifiers datasheet [EB/OL]. [2010?11?03]. http：//www.ti.com，2010.
[6] 周淇，周旭欣，吴国辉.单片机原理及应用：基于Keil及Proteus[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.
[7] 黄卫华.模糊控制系统及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.
摘 要： 针对传统通风控制系統能耗高自动化程度低等缺点，设计一套自动化、智能化的控制系统。该系统以STC12C5620AD为控制核心，集成了风速调节、环境温度测量、电机驱动与控制等电路，并设计了专用段式液晶和键盘。系统具有手动和自动两种工作模式，每种模式下均可自由设定待机风速、工作风速和靠近风速的大小，操作方便、使用灵活。软硬件抗干扰设计与优化保证了系统在强电磁环境下的可靠运行。经测试，系统控制精度较高，运行稳定。
关键词： 通风控制； 风速设定； 抗干扰设计； STC12C5620AD
中图分类号： TN911?34； TP23 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0105?04
Abstract： In order to eliminate the defects of high energy consumption and low automation level of the traditional ventilation control system， an automatic and intelligent control system was designed. The STC12C5620AD is taken as the core controller of the system. The circuits of wind speed adjustment， environmental temperature measurement， motor drive and control are integrated in the system. The dedicated segment liquid crystal display and keyboard were designed. The system has the manual and automatic operating modes. The standby wind speed， operating wind speed and nearby wind speed can be set freely in both operating modes. The system has the characteristics of flexible operation and use. The anti?interference design and optimization of hardware and software can ensure the reliable operation in the strong electromagnetic environment. The test results indicate the system has high control precision and stable operation.
Keywords： ventilation control； wind speed setting； anti?interference design； STC12C5620AD
0 引 言
医院、实验室、矿洞等场所对排风控制的要求很高，有毒有害气体需要及时排出，以保证操作人员的安全，同时又要节约能源降低生产成本。早期的通风控制系统多是定速设计，即只能以固定风速运行，能改变的仅仅是系统的开启和关闭，这样的系统存在着能耗高、安全性差等缺点。随着电子技术的发展以及微控制器的普及，体积小、功耗低、反应灵敏、成本低廉的通风控制系统不断涌现，不仅融合了多种传感器技术，功能也越来越丰富，能检测和控制的量越来越多。
本文设计的通风控制系统采用STC12C5620AD作为控制核心[1]，矩阵键盘和一块定制的段式液晶作为人机交互接口，用于系统工作模式的设置和运行状态的显示，且集成了电机驱动、风速检测与控制、温度采集等单元电路。系统具有手动和自动两种工作模式，可根据选配的模块不同实现丰富的功能。
1 总体方案设计
图1为硬件系统结构示意图。系统主要由7个模块组成，分别是主控制器、温度传感器、风速传感器、段式LCD液晶屏、键盘、电机和电源模块[2]。STC12C5620AD作为主控制器，采集环境温度和风速，驱动电机运转调整阀门开度大小，键盘和液晶作为人机交互接口，可进行参数设置与工作状态显示。
2 硬件设计
2.1 键盘电路
根据需要设计了一个9按键矩阵式键盘，包括4个方向选择按键，设置结果的“确定”键，“照明”和“风机”的开关键，蜂鸣器的“消声”键，以及液晶 “背光”键，如图2所示，其中X2，X1，X0分别接P02，P12，P11口，Y2，Y1，Y0分别接单片机的P03，P14，P13口。
2.2 液晶驱动电路
系统显示屏为一块定制的段式液晶，需要显示的信息包括环境温度、工作模式、设备状态、运行状态等信息，共有28个引脚，包括8个公共端口和20个段选端口。全部信息显示效果如图3所示。由于控制端口较多，因此选择HT1622作为这块液晶的驱动芯片。
HT1622是一款LCD专用驱动芯片，最多可以驱动256个显示单元（32×8）。内部包含控制电路、显示RAM、频率发生器等模块，外部引脚主要包括片选端[（CS）]，读写控制端[（RD，WR），]数据端（DATA）、32个段选端和8个公共端等[3]。图4为液晶驱动电路，将段式液晶LCD1的COM口和SEG口分别与HT1622的对应端口相连接，再将HT1622的[CS]，[RD]，WR，DATA脚对应连接至STC12C5620的P24，P25，P26及P27端口。
2.3 电机电路
控制闸门开合的电机为一单向可控爪极式永磁同步电机，电路主要包括驱动电路、正反转控制电路和限位控制等电路。
电机驱动电路如图5所示。JDQ4C，JDQ5C为常闭触点，JDQ6B，JDQ7B为常开触点。图6为正反转控制电路，当kaiA为低guanB为高时，线圈JDQ6A得电，图5中JDQ6B吸合，电机正转；当kaiA为高guanB为低时，线圈JDQ7A得电，图5中JDQ7B吸合，电机反转。
图7为限位控制电路。行程开关XCKG1，XCKG2处于常开状态。电机正转至阀门完全敞开时，XCKG1被按下，线圈JDQ4A得电，图5中JDQ4C断开，正转停止；电机反转至阀门完全关闭时，XCKG2被按下，线圈JDQ5A得电，图5中JDQ5C断开，反转停止。
2.4 风速调节电路
系统具有手动和自动两种工作模式。自动模式是将风速传感器的测量值反馈给控制器，通过PID控制阀门开度的变化，手动模式则是通过键盘直接控制阀门的开合程度。
（1） 自动模式。系统工作于自动模式下的风速调节电路如图8所示。JP6为外接风速传感器接口，提供0～10 V的电压信号，只需将该电压信号经过调理后送至单片机ADC端口采集，即可获取当前的风速值[4]。
Analog0接STC12C5620AD的ADC输入端P10口。因单片机内部ADC的基准电压为5 V。因此风速传感器的输出电压需经分压后送到运放TLC2272的同相端[5]，经过电压跟随电路后滤波输出至单片机ADC端口。
（2） 手动模式。阀门的开合是通过电机的正反转实现的，当电机转动时，带动同轴电位器W1的滑片一起运动，如图9所示，因此滑片上的电压变化可反映出阀门开度的变化。
图9中W1和R10串联，REF3012为电压基准芯片，2脚输出1.25 V基准电压，将滑片上的电压送到AD654的4脚，AD654为V/F转换芯片，Vin引脚上的电压变化会转换为Fout引脚上输出方波信号的频率变化，计算公式如下：
本系统中，取R3=1 kΩ，[C9]=1 nF，因此式（1）可简化为Fout = 105Vin，因此Vin腳10 mV的电压变化会引起Fout引脚1 kHz的频率变化，灵敏度非常高。为了避免方波信号在传输过程中受到干扰，经过6N137光耦隔离，并经MC4584BLC整形后送到单片机P32口（定时器0）采集，进一步提高系统的抗干扰能力，保证较高的采集精度。
硬件系统还包括了温度测量与电源电路。温度测量使用单线式温度传感器DS18B20来实现，接上5 V电源和地线后，将2脚接单片机P21端口即可。系统工作需要220 V交流电源及5 V，12 V两组直流电源，通过简单的整流稳压电路即可实现，不再赘述。
3 软件设计
软件流程图如图10所示[6]，上电初始化完成后，通过识别硬件电路跳线，执行手动或自动工作模式，接着从FLASH中读取系统上次关机时保存的设置值和状态值，包括设定风速（靠近风速、工作风速、待机风速三档）、设定时间，以及状态初值，包括风机状态、照明状态等信息并显示。进而进入主循环，若键盘“确认”键按下，则进入参数设置流程，设置完成后再次按下“确认”键，将当前设置值存入FLASH；如有人靠近，则调整至高风速（靠近风速）运行直至工作人员离开，否则打开阀门并调整至正常风速（工作风速），一旦系统连续运转至设定运行时间，则调整至低风速（待机风速）运行以节能；检测到关机键按下后，系统保存好当前的设置参数及状态参数至FLASH存储器后，关闭阀门并断电。
3.1 开度控制
表1和表2分别是自动模式和手动模式下的开度测量数据。表1中的传感器输出电压取自风速传感器的输出端电压，经单片机A/D采集后通过PID调节阀门开度，中高低三档测试均正常。表2中的Vin 和Fout分别取自AD654的4脚和1脚，测试结果表明输入1 mV的电压变化大致对应于1 kHz的频率变化，和理论计算结果完全吻合，且线性表现非常出色。由于频率过高或过低的脉冲信号，单片机直接测量都不方便，因此图9所示电路中，通过电位器W1搭配电阻R10的方法避开高低频区，频率测量精度非常高，阀门开度控制效果较好。
3.2 可靠性测试
系统的可靠性与稳定性，需要在极限工作状态下长时间连续进行。硬件设计时，通过大规模铺地、光耦隔离、交流电源线与信号线分离、采用屏蔽电缆等手段，软件程序中适时保存系统的工作状态参数、使用软件看门狗、软件陷阱等手段，特别是主动复位技术的使用，有效地解决了外部干扰对电路工作的影响。测试结果表明系统运行稳定，即使极端的强电磁干扰，系统也能迅速复位并恢复之前的工作状态。
4 结 语
本文针对传统通风装置效率低、成本高的问题，设计了一套智能化的控制系统。该系统既可以手动调节又可以在设定好工作参数后自动调节，人机界面友好，操作方便。经测试，系统运行稳定，即使在强电磁环境下也能可靠工作，达到了预期的设计目标。
注：本文通讯作者为徐晨。
参考文献
[1] 南通国芯微电子有限公司.STC12C5620AD系列单片机器件手册[EB/OL]. [2014?03?25]. http：//www.stcmcu.com，2011.
[2] 瓮嘉民.单片机典型系统设计与制作实例解析[M].北京：电子工业出版社，2014.
[3] HOLTEK. HT1622： RAM mapping 32×8 LCD controller for I/OC [EB/OL]. [2009?06?12]. http：//www.holtek.com，2009.
[4] 唐朝仁.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2014.
[5] Texas Instruments. TLC227x， TLC22xA： advanced LinCMOS rail?to?rail operational amplifiers datasheet [EB/OL]. [2010?11?03]. http：//www.ti.com，2010.
[6] 周淇，周旭欣，吴国辉.单片机原理及应用：基于Keil及Proteus[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.
[7] 黄卫华.模糊控制系统及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.
