木质地采暖地板缓释性能检测设备的设计与开发

张砚东， 赵子宇， 李 宁， 周世玉， 周玉成

(山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南 250101)

随着我国社会经济的快速发展，人们的生活水平不断提高，对冬季室内采暖的舒适性要求也越来越高。与传统的暖气片、空调等采暖方式相比，地板辐射采暖方式具有温度均匀、节省空间、环保清洁、高效节能等优点[1]，因此逐渐替代了传统采暖方式，成为越来越多人的选择。木质地板因具有外形雅观、保温性好、缓和冲击、质轻而强、耐久性强等优点[2]，成为地采暖装修的首选铺地材料，并已广泛应用到住宅、办公和公共场所等地点，成为木地板行业飞速发展的重要因素。然而，目前在国内市场，消费者在选择和购买木质地板时，仅仅能对其外观颜色、品牌种类等进行选择，而对于木质地板的舒适程度和节能程度，因无具体的评价标准，无法成为消费者考虑的选项。

研究木质地板的热特性是分析和评价其舒适性、节能性等指标的基础，目前国内外学者已做了大量的研究工作。Daniela Sova等[3]通过类比木材细胞的几何形状建立了三种电阻电路模型，用于测定木材细胞的有效横向和纵向导热系数，并通过实验验证了模型的可行性。ukasz Czajkowski等[4]采用原始量热法测定未处理的和热改性后的欧洲山毛榉木的密度、比热、体积比热容和导热系数，以探究热处理对于山毛榉木热性能的影响。何金存等[5]为研究木质地采暖地板的导热效能，使用地板导热规律分析仪对不同类型的多款地板进行了实验，分别对测试样品的厚度尺寸、密度、含水率及导热效能进行测定，并分析不同因素对导热效能的影响。周世玉等[6]以传热反问题为研究目标，以地采暖地板的蓄热性能为研究对象进行试验与反演计算，运用神经网络进行模型的建立并借助了CFD模拟手段，反复训练完成的模型拟合度极高，对不同材种地采暖地板的蓄热性能能够做到有效的测定。

但是目前研究大多数是针对木质地板的导热性能和蓄热性能，对缓释性能的研究很少。木质地板将吸收的下方热水管的热量缓慢释放到室内以实现热量的传递，从而达到采暖的目的[7]，本文将木质地板释放热量的速率定义为缓释性能。木质地板的缓释性能决定了其释放热量速率的快慢，直接影响着室内采暖的舒适度[8]。若能对木质地板的缓释性能进行量化，则可以更加直观地评价木质地板的性能，从而使消费者在选择与购买时有了可以依靠的标准，然而目前国内外还未开发出检测木质地板缓释性能的设备。

因此，根据模拟木质地板缓慢释放热量过程的环境，本文设计了基于密闭绝热球形检测腔的木质地板缓释性能检测设备。同时，对该设备的控制系统进行硬件设计与软件设计，以实现对设备各个执行部件的控制、高精度数据的采集等功能。此设备通过密闭绝热球形检测腔对木质地板样品进行实验，并在人机交互界面实时显示获得的温度场数据，通过对此数据进行计算，可以得到其对应木质地板的缓释性能值。

1 设备结构及工作原理

1.1 设备结构设计

1.1.1 主体结构设计

木质地板缓释性能检测设备外部主要由整机机体、检测封盖以及操作面板三大部分组成。整机机体使用Solid Works软件进行自主设计，制作完成的设备外观如图1所示。检测封盖位于机体右上方，为检测腔的保温防尘罩，其设计为翻盖式，以便于实验操作。操作面板位于机体左上方，由工控机与控制面板组成。控制面板安装有复位、电源、加热、真空、制冷与水泵共六个控制其对应执行部件功能的按键。同时，在整机机体前侧安装真空压力表用于实时读取检测腔内真空值。设备内部主要由密闭绝热球形检测腔、检测腔冷热循环系统、真空系统及电控系统组成。设备内部主要由密闭绝热球形检测腔、检测腔冷热循环系统、真空系统及电控系统组成。密闭绝热球形检测腔的下腔体固定在凹型底座上方，底座下方放置水箱、制冷压缩机、电加热器、循环水泵、真空泵等部件，并在一侧装配配电箱以保证设备的正常运行和系统的电气安全，设备内部结构如图2所示。

图1 木质地板缓释性能检测设备外观

图2 木质地板缓释性能检测设备内部结构

1.1.2 密闭绝热球形检测腔结构设计

密闭绝热球形检测腔是设备的核心部分，检测腔由两个半球形金属腔体组成，分别为上腔体和下腔体，并配备夹紧装置。上、下腔体内外壁之间均设有夹层可用于真空抽取，并在腔体内部均匀布置保温层用于隔绝热量传递。上腔体通过内含的DS18B20温度传感器阵列实现对数据的采集，下腔体通过内含的加热装置实现对木质地板试件的加热，夹紧装置则用于夹紧上、下腔体以防漏气。密闭绝热球形检测腔实体图与内部结构如图3、4所示。本次研究选用温度传感器型号为DS18B20，使用了75个传感器组成5×5×3的DS18B20温度传感器阵列，任一传感器内部的ROM中都有一个编码，使得每个传感器都有唯一的ID号，方便实验数据的采集。DS18B20温度传感器与其他温度传感器不同之处在于其使用了独特的单线接口方式，一条口线便可实现与微处理器之间的双向通讯。DS18B20温度传感器可以测量温度范围为-55 ℃到+125 ℃之间，测量误差为±0.5 ℃，最高12位分辨率时最大工作周期为750 ms，内置EEPROM功能，在断电的情况下也能将实验数据保存，完全符合实验需求。同时，该温度传感器还具有体积小巧使用方便、适合于恶劣环境的现场温度测量、硬件价格便宜等特点[9]，因此本次研究选用该型号的温度传感器。

图3 密闭绝热球形检测腔实体

图4 密闭绝热球形检测腔内部结构1.腔体外壁；2.腔体内壁；3.腔体夹层；4.密封胶圈；5.保温层；6.石棉网；7.试件托盘；8.被测样品；9.温度传感器阵列

1.2 工作原理

将尺寸一定的木质地板样品放入密闭绝热球形检测腔内的试件托盘上，可根据实验需求使用真空系统对检测腔内部进行真空抽取。设定实验温度后，设备采用自适应模糊PID控制算法[10]，控制电加热器的热量输出，使被测的木质地板样品达到设定温度。随后，检测腔内的温度会随着木质地板测试样品缓慢释放热量而逐渐升高，并最终达到稳态。同时，检测腔上腔体内部的DS18B20传感器阵列会实时处理与采集温度数据，完成后通过RS232通讯端口将获得的温度场数据传送到工控机，同时在人机交互界面显示75个传感器的实时温度数据，通过计算此数据可以得到对应木质地板的缓释性能值。

当检测腔内部温度达到平衡时，即检测腔内每分钟温度变化率不超过5%时[11]，木质地板样品释放到检测腔内的热量Q与检测腔内部温度达到平衡时所需时间之比为缓释性能值Hs，即Hs=Δt。其中，木质地板样品释放的热量Q等于检测腔内空气吸收的热量Q空和温度传感器吸收的热量Q传之和[12]，即Q=Q空+Q传。空气吸收热量Q空等于75个DS18B20温度传感器中的每一个所在小空间吸收的热量总和，通过使用均质材料热量计算公式Q1=C空·ρ空·v·ΔT可以计算得到每个单独空间吸收的热量。其中，C空和ρ空分别为空气比热容与密度，v表示小空间体积，ΔT表示该传感器实验前后的温度差。传感器吸收热量Q传等于75个DS18B20温度传感器吸收热量总和，每一传感器吸收热量为Q2=C感·m·ΔT，其中C感为传感器比热容，m为传感器质量，ΔT为该传感器实验前后温度差。

2 控制系统设计

木质地板缓释性能检测设备控制系统是由本课题组自行研发的主控制器、电控系统以及人机交互系统组成。通过对主控制器上的STC15F2K60S2单片机进行编程，完成对电加热器、循环水泵、真空泵等执行部件的控制，并可以实现对设备的自动和手动两种控制方式。主控制器通过RS232通讯端口与工控机相连，使用者可通过人机交互系统进行参数设定，主控制器根据参数设置完成相应的动作，即可实现通过人机交互界面控制设备。

2.1 控制系统硬件设计

2.1.1 主控制器设计

主控制器是控制系统的核心部件，承担着主控作用，控制各子系统工作。子系统主要包括信号采集系统、动作逻辑系统、水箱制冷与加热系统、循环水系统、真空系统等。本设备主控制器由课题组自主研发，单片机选用芯片型号为STC15F2K60S2，内置EEPROM功能。晶振选用11.059 2 MHz，可得到精确的通信波特率。主控制器的输入供电电压为直流24 V，功率为15 W，设有12路和9路开关量输入与输出、2路模拟量输入、1路脉宽调制输出与1路RS232通信端口。本次研究中，端口并未全部用到，使用了7路和4路开关量输入与输出，2路模拟量输入，其余备用。主控制器电路设计PCB图与实物如图5与图6所示，电路板正反两面均做了覆铜处理，有效地提高了电路的抗电磁干扰能力，制作完成后的主控制器封盖后安装在配电箱上。

图5 主控制器电气原理PCB图

图6 主控制器实物

2.1.2 电控系统设计

设备控制电路主要包括电源电路、主控制器电路、继电接触电路以及末端执行部件等，其中电源电路由220 V交流电与24 V直流电供电电路。主控制器电路为电控系统的核心部分，采用本课题组自主开发的主控制器电路板作为电控系统的主控制器电路。继电接触电路包括：交流接触器、继电器、空气开关、固态继电器等，末端执行部件包括制冷压缩机、电加热器、循环水泵、真空泵、PT100温度传感器等。控制电路的电气原理图如图7所示。在实际布线时遵循两个原则，一是避免强电线路与弱点线路的互相影响，二是按照各功能执行部件的使用功率来配备相应的交流接触器、继电器与固态继电器。

图7 木质地板缓释设备电气控制原理图

2.2 控制系统软件设计

主控制器的运行程序使用Keil uVision软件进行开发。Keil uVision是使用率最高的单片机应用开发软件，以C语言与汇编语言为主要语言，可以按照单片机的数据手册对多种不同型号的单片机进行程序编写，通过程序可对单片机内的计时器与寄存器直接进行操作。在程序编写完成后可以把程序代码转换为hex可执行文件并将其导入单片机内部，从而实现对单片机的控制。

本次研究中，设计与开发完成的程序可以实现加热装置温度控制、循环水泵动作、真空泵动作、部分温度传感器数据采集、通讯等功能。主程序框架有系统初始化模块、自动模式模块、手动模式模块、系统自检模块、数据交换模块等部分组成。系统启动后首先进入初始化模块，初始化完成后程序进入指令等待状态。本设备选用RS232端口通讯，并利用接收中断获取上位机发送的功能指令。主控制器若要实现上位机对下位机各种功能的控制，需要拟定通信协议，通讯协议如图8所示。通信协议由数据报头、数据命令码和数据报尾组成。在实际使用中，上位机需要将数据报头、数据命令码和数据报尾同时发送到单片机I/O口，对应I/O口在收到指令后，会实行此命令码相应的功能，同时返回数据作为通信成功的标志。

3 人机交互系统设计

人机交互界面作为人机交互的重要窗口，实现着操作员对运行设备状态的观察和控制。本文开发的与木质地板缓释性能检测设备相匹配的人机交互界面，是基于微软的MFC框架进行的，开发语言为C++，开发集成环境为Visual Studio 2019。当新建一MFC工程时，开发环境会自动搭建好框架，并封装好相应控件，这样开发人员在使用时就可以直接生成界面，使用已经封装好的控件进行界面布局。设计与开发完成的人机交互界面由自动界面和手动界面组成，分别对应设备自动与手动两种控制方式。

3.1 自动界面

自动界面由监测区、检测区、显示区、设定区和命令区共五部分组成。监测区可以监测真空泵、制冷压缩机、循环水泵等执行部件的状态。检测区可以检测水箱温度、真空压力值、占空比等数据。显示区显示的是检测腔内75个温度传感器的实时温度数据。设定区可以设定控制器串口、波特率、传感器阵列串口、试件温度与PID参数。点击命令区的开始按钮，主控制器根据参数设置完成相应的动作，即可实现设备的自动运行。自动界面的设定区与命令区设计图如图9所示。

图9 自动界面设计图

3.2 手动界面

手动界面由监测区、调试区和图像显示区组成。监测区可以监测水箱温度、腔内温度、真空压力值、占空比等数据。调试区可以对真空泵、制冷压缩机、循环水泵等功能执行部件进行手动开关操作。图像显示区则将试件温度通过曲线的形式实时显示。手动界面的调试区设计图如图10所示。

图10 手动界面设计图

4 结论

本文根据模拟木质地板缓慢释放热量过程的环境，设计出了一种基于密闭绝热球形检测腔的木质地板缓释性能检测设备。同时，对设备的结构与工作原理、控制系统硬件与软件设计、人机交互界面设计等方面进行了研究与设计，目前已完成了设备样机的搭建与制作。本文提出的木质地采暖地板缓释性能检测设备可以实现对木质地板缓释性能的检测，为消费者在选择与购买木质地板时增加了新的参考选项，为木质地板检测体系的完善提供了一种先进的仪器，并为木质地板行业产品的标准制定提供了数据支持。