基于诱导射流技术的地下车库通风控制系统

张大明, 张行健,2

(1. 吉林大学 a. 集成光电子学国家重点实验室; b. 电子科学与工程学院, 长春 130012； 2. 中国人民大学 附属中学, 北京 100872)

0 引 言

我国汽车总量正逐年增加, 城市停车与土地资源占用之间的问题越来越严重。地下车库不仅能提供可观的内部面积, 且节约占地面积, 并且有利于集中管理。因此, 为解决城市用地与汽车存放之间日益增长的矛盾, 地下停车库的建设得到较大发展[1-3]。

对于地下停车库, 空气环境质量的监测是其重点关注内容[4-7]。其中, 对温度及一氧化碳浓度的监测尤为重要[8]。在保证适当温度方面, 由于地下车库所处的环境被土壤所包围, 土壤能保持恒定的温度, 因此保证适当的温度较易实现。在保证一氧化碳气体浓度方面, 因汽车尾气的排放在汽车上下车道的行驶过程中以及在车库内的启动时均不可避免, 而大量有毒物质存在于汽车尾气中, 其中一氧化碳为主要的有害气体, 很多火灾和爆炸都是由一氧化碳未及时排除聚集在一起而引起。因此, 地下车库内一氧化碳的浓度是最主要的控制对象。

传统诱导风机打开后始终处于耗电工作状态, 该工作方式既不环保又浪费资源。为节约能源, 车库通风的工作形式需要改进[9,10]。笔者根据我国具体情况, 针对地下车库 CO (Carbon Monoxide)浓度的检测、 报警以及通风装置智能控制等功能进行设计, 从而给出一种更安全、 更可靠且较为经济实用的设计方案。

1 通风控制系统总体方案

图1 系统结构框图Fig.1 The structure diagram of the system

地下车库通风控制系统原理框图如图1所示。系统主要由微处理器、 中央控制器、 传感器、 继电器、 通风装置、 通讯模块和显示屏等部分组成。中央控制器作为系统的上位机用于统一调整所有诱导通风风机的集中控制模式及参数。微控制器做为下位机, 与传感器一起组成数据采集与执行器, 其中微控制器接收上位机的指令, 并负责参数的设定, 一氧化碳传感器实时检测一氧化碳浓度, 并通过显示装置动态显示。现场控制装置由继电器、 诱导风机、 报警器及12864显示屏组成。数据采集与控制器将预值与CO传感器检测到的 CO实时浓度进行比较, 若两者存在偏差, 为保证CO浓度保持在要求的范围内, 上位机会发出相应指令控制继电器和通风装置工作状态从而调节一氧化碳气体浓度。经过上位机比较后, 当一氧化碳气体浓度达到警戒值时, 下位机执行中断指令, 并在发送报警信号给上位机的同时进行声光报警, 及时通知危险情况。

2 地下车库通风系统硬件设计

2.1 集中控制器电路设计

集中控制器即为上位机, 采用微控制器控制现场装置, 统一调整所有诱导通风风机的集中控制模式及参数, 笔者设计的控制器如图2所示。

图2 集中控制器 Fig.2 Integrated controller

1)电源电路。基于双路低压差电源调整器TPS767D301设计了DSP(Digital Signal Processing)系统电源电路, 如图3所示。

图3 TMS320F2812芯片系统电源电路Fig.3 TMS320F2812 system power circuit

图4 TMS320F2812时钟电路Fig.4 TMS320F2812 clock circuit

2) 系统时钟电路。TMS320F2812时钟电路如图4所示, 采用30 MHz有源晶振为系统提供时钟信号, 然后倍频至150 MHz。

3) 时序和逻辑电路。TMS320F2812时序和逻辑电路如图5所示, FPGA(Field-Programmable Gate Array)选用Cyclone系列FPGA中的EP1C12Q240C8。

图5 TMS320F2812时序和逻辑电路Fig.5 TMS320F2812 time and logic circuit

4) 系统复位电路。复位时RESET引脚加载一定时间的低电平, 即可实现单片机的复位。TMS320F2812复位电路设计如图6所示。

5) JTAG(Joint Test Action Group)接口电路。JTAG接口电路TMS320F2812连接调试器, 主要用于将应用程序从微机下载到芯片存储器, 以及在线对程序调试使用, 其引脚定义如图7所示。

图6 复位电路 图7 JTAG接口电路 Fig.6 Reset circuit Fig.7 JTAG ports circuit

2.2 数据采集与执行器电路设计

1) 数据采集及A/D转换电路。信号采集芯片选用AD7864, 数据采集的电路连接如图8所示。

图8 数据采集电路Fig.8 Data acquisition circuit

2) 电机驱动电路。直流电机的驱动采用双全桥式驱动器L298HN, 驱动电路如图9所示。驱动板卡如图10所示。

图9 驱动器电路 图10 驱动板卡 Fig.9 Driver circuit Fig.10 TBF card

2.3 现场控制装置电路设计

显示模块采用的是12864液晶显示器, 微控制器MPS430接收到数据后通过SPI(Serial Peripheral Interface)总线传送给MCU(Micro Control Unit), 经过数据处理后通过12864液晶显示器显示出地下车库中的实时CO浓度和温度等信息。当车库内的CO浓度和温度超过报警阈值后, 系统将通过LED(Light Emitting Diode)灯和蜂鸣器进行声光报警, 采用5个发光二极管和蜂鸣片进行声光报警。针对不同用户的需求, 还可通过键盘对报警阈值进行设定, 根据需求设定了4个按键。12864液晶显示和键盘、 报警电路如图11所示。

图11 显示、 键盘及报警电路设计Fig.11 Design of display, keyboard and alarm circuit

2.4 地下车库通风系统软件设计

温度、 CO浓度等数据的采集、 发送、 处理、 显示和报警等功能都需软件设计实现。本设计编程语言采用C语言, 开发工具为CCS(Code Composer Studio)。

上位机软件设计。上位机主程序的工作是在完成串口初化后, 根据键入的命令决定发送和接收相应的数据。主机设有定点和巡回检测从站工作状态两种工作方式, 在巡回检测时, 主站能任意设定要查询的从站数量、 从站号； 可显示从站传输的从站号、 CO 浓度和报警情况； 收到从站的报警信号后, 能发出声音警报, 报警状态可手动解除。上位机主程序的流程图如图12所示。

图12 上位机主程序流程图 图13 下位机主程序框图 Fig.12 Block diagram of the upper computer Fig.13 Block diagram of the lower computer

下位机软件设计。下位机程序主框图如图13所示。下位机软件主要是完成 CO 浓度的检测、 显示和智能控制, 发送、 接收数据的功能。主程序根据上位机命令或键盘响应进行下位机各项操作的调度及监控。控制器模块有包括CO浓度参数采集与处理程序、 自动控制判决程序及相关控制程序等多个子模块。参数采集与处理模块完成CO浓度的采集与处理等控制； 然后由控制判决程序做出控制选择； 再由控制程序输出控制信号。串口通信监控模块完成上下位机数据的接收与发送, 并按照通信协议对上位机命令进行“翻译”, 并完成相关操作。

3 系统搭建与实验结果分析

图14 系统实物图Fig.14 The physical map of the system

图14为地下车库通风控制系统调试环境及实物图。电脑安装DSP(Digital Signal Processing)芯片的开发软件CCS, 用于程序的编写及调试； 板卡下层为控制器, 上层为驱动器；仿真器连接电脑和控制器, 用于在线调试程序和将程序写入DSP芯片RAM； 控制器接收CO传感器反馈数据, 根据CO浓度发出相应的控制指令, 经驱动器功率放大驱动电机运转； 电位器值反馈给控制器用于计算电机转速。

地下车库在 24 h内CO浓度曲线对比如图15所示。通过对比可见, 实时智能控制风扇产生诱导射流的排风量比传统采用固定换气次数的排风量少50%, 尤其在非峰值时间, 其排风量仅为传统采用固定换气次数的排风量的1/7左右。在相同时间段车库内CO浓度稀释到准许浓度范围内。可见, 使用智能控制诱导射流排风的方法能够取得很好的节能效果。

a 使用传统排气方法 b 使用智能诱导射流排气方法图15 地下车库24 h CO浓度曲线Fig.15 The CO concentration contrast curve of undergroud garage in 24 h

4 结 语

为实现对住宅小区以及商业楼地下停车库 CO气体浓度自动检测、 调节和联网控制, 设计了基于TMS320F2812的地下车库通风控制系统, 完成了系统的硬件设计和软件调度, 通过现场实验证明, 智能控制诱导射流排风的方法具有较好的节能效果。

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