曾建榮 王首智 曹玲玲 李 燕

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（清華大學(xué) 工程物理系 北京 100084）

3（成都工業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院 成都 611730）

小型數(shù)控式相對濕度控制裝置研制

曾建榮1王首智2曹玲玲3李 燕1

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（清華大學(xué) 工程物理系 北京 100084）

3（成都工業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院 成都 611730）

相對濕度(Relative humidity, RH)是很多實驗過程的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)之一，RH控制對同步輻射在線實驗尤為重要?；趩纹瑱C的動態(tài)控制，研制了一套便于加載至同步輻射實驗線站在線使用的小型數(shù)控式RH控制裝置。該裝置使用微型氣泵抽取潮濕空氣和干燥空氣分別構(gòu)建了加濕和除濕兩個通道對控濕腔體內(nèi)RH進行動態(tài)平衡。采用模糊控制算法通過單片機實時控制RH的變化。該裝置能將RH控制在20%-94%，誤差為±1.0%；能以固定速度控制RH穩(wěn)定上升(20%-90%)或穩(wěn)定下降(90%-20%)，誤差為±1.5%；能在濕度上升、穩(wěn)定和下降三個工作模式之間快速切換，可滿足同步輻射在線實驗對濕度控制的多種需求。

同步輻射，相對濕度，數(shù)控

利用XS128單片機進行濕度精確檢測及其控制的智能化方法研究，制作了一套便于加載到同步輻射實驗線站使用的小型數(shù)控式濕度控制裝置。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 整體設(shè)計

裝置由控濕腔、傳感器、加/除濕通道、單片機、計算機和線纜組成，通過干、濕空氣流動達到動態(tài)平衡來控制RH的變化（圖1）。傳感器監(jiān)控腔體內(nèi)RH并通過單片機與目標RH值進行比較，采用模糊控制算法得到控制信息。脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)驅(qū)動模塊根據(jù)控制信息調(diào)控加濕氣泵A或除濕氣泵B的轉(zhuǎn)速，從而改變腔體內(nèi)RH平衡值。調(diào)控周期與傳感器采樣周期同步，可實現(xiàn)對RH的實時控制。計算機通過MATLAB程序?qū)?shù)據(jù)進行讀取、動態(tài)顯示及儲存等。

圖1 裝置系統(tǒng)整體設(shè)計圖Fig.1 Design schema of the device system.

1.2 單片機

系統(tǒng)核心板選用美國Freescale公司MC9S12XS128型單片機。S12XS系列單片機具有雙路串行通訊接口(Serial Communication Interface, SCI)、8通道24位周期中斷計時器、8通道16位計時器、8通道PWM輸出和多達16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)等多種外圍設(shè)備。其中，兩路SCI（分別記為端口0和1）和兩路PWM是本系統(tǒng)需要使用的核心功能。使用80引腳QFP (Quad Flat Package)封裝的MC9S12XS128型單片機，具有128 KB FLASH空間，8 KB RAM (Random Access Memory)空間和8KB 數(shù)據(jù)FLASH空間。開發(fā)板采用清華大學(xué)Freescale單片機應(yīng)用開發(fā)研究中心的應(yīng)用開發(fā)板。

1.3 溫濕度傳感器

隧道運營通風(fēng)設(shè)計，洞內(nèi)分別在K103+311和K103+441處設(shè)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道。聯(lián)絡(luò)風(fēng)道內(nèi)設(shè)置軸流風(fēng)機，通過互補通風(fēng)滿足運營要求。

溫濕度傳感器采用瑞士ROTRONIC公司的HygroClip 2 (HC2)探頭，其RH測量范圍是0%-100% RH，精度±0.8% RH，采樣周期為1 s，3.3V電壓供電。該探頭提供一個數(shù)字串口，可以向外自動發(fā)送測量信號，最短發(fā)送周期為1 s。將該數(shù)字串口與單片機SCI端口1相連，使用RS232轉(zhuǎn)UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)模塊進行邏輯電平轉(zhuǎn)換。單片機采用中斷接收，1 s接收一次信號并將此作為系統(tǒng)的控制周期。

1.4 加濕通道與除濕通道

加濕通道由加濕氣泵向控濕腔抽入濕潤空氣（經(jīng)由水產(chǎn)生）以達到加濕目的，除濕通道由除濕氣泵向控濕腔抽入干燥空氣（經(jīng)由干燥劑產(chǎn)生）以達到降濕目的。錐形瓶采用軟木塞封口，便于開啟更換水和干燥劑。裝置采用循環(huán)式充氣抽氣，既提高加濕除濕效率，又避免與周圍環(huán)境的交互影響。

氣泵選用成都氣海機電制造公司的PK4512微型真空泵，工作電壓為24 V，峰值流量12 L·min-1，平均流量實測在8.5-10 L·min-1。因氣泵工作電壓遠高于單片機供電電壓，采用24 V電位器正反轉(zhuǎn)大功率調(diào)速板，通過輸入單片機的PWM信號對輸出電壓的占空比進行調(diào)節(jié)。

1.5 外形設(shè)計

濕度控濕腔采用聚丙烯塑料制作，體積為29.5cm×23.0 cm×18.5 cm，可通過控制氣泵占空比達到靈活控濕腔內(nèi)RH的目的。單片機的數(shù)碼管顯示模塊可以實時顯示控濕腔體內(nèi)的RH值，按鍵可以控制單片機控制系統(tǒng)的啟停以及工作模式，電位器可以設(shè)置RH的目標值。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 MATLAB

單片機與計算機之間同樣采用串口通訊，將SCI端口0轉(zhuǎn)USB接口后與計算機連接，在計算機安裝驅(qū)動后即可識別為RS232串口。使用MATLAB的serial函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)，并使用instrcallback函數(shù)進行中斷接收，中斷周期與單片機中斷周期一致，依此達到時鐘信號的匹配。單片機向計算機發(fā)送接收的當前RH信息、RH偏差、RH變化率、加濕氣泵和除濕氣泵的占空比，計算機將接收到的數(shù)據(jù)進行儲存和動態(tài)繪圖，以此實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測的功能。

2.2 模糊控制算法

模糊控制是工程控制中一種重要的方法[5-7]。 RH的變化具有很強的時滯性[5]，PID (Proportion Integration Differentiation)算法對參數(shù)依賴嚴重，此處采用帶有死區(qū)的模糊控制算法[6,8]。RH與目標濕度的偏差分為7類：極低(-∞，-1)、較低(-1，-0.5)、偏低(-0.5，-0.2)、正好(-0.2，0.3)、偏高(0.3，0.5)、較高(0.5，1)、極高(1，∞)；RH變化率分為6類：極小(-∞，-0.15)、較小(-0.15，-0.08)、偏小(-0.08，0)、偏大(0，0.08)、較大(0.08，0.15)、極大(0.15，∞)；加濕控制依據(jù)占空比分為8類：0 (0%)、1 (5%)、 2 (10%)、3 (24%)、4 (50%)、5 (70%)、6 (90%)，7 (100%)；除濕控制依據(jù)占空比分為8類：0 (0%)、1 (3%)、2 (8%)、3 (20%)、4 (50%)、5 (60%)、6 (80%)、7 (100%)；對每種場景采用不同的控制策略（表1）。為加快RH到達目標值的速度，在RH偏差大于3%時，設(shè)置加/除濕氣泵滿功率運行。

表1 模糊控制策略Table1 Fuzzy control strategy.

3 主要性能測試與討論

3.1 控濕腔內(nèi)溫度變化對RH的影響

在裝置控濕過程中隨機抽取幾個時間點對控濕腔內(nèi)的溫、濕度進行測量，結(jié)果如表2所示。

表2 控濕腔內(nèi)濕度控制過程中的溫度變化Table2 Temperature changes in the chamber during the RH controlling.

從表2可知，在263 min內(nèi)，RH發(fā)生大跨度的變化，而溫度變化的最大值僅為0.5 °C。由不同溫度下純水的飽和蒸汽壓計算公式：PW=610.7× 107.5T/(T+237.3)可知[9-10]，由于溫度變化，RH會產(chǎn)生的相對誤差最大為2.3%?？紤]到控濕腔內(nèi)溫度隨時間的變化比較緩慢，可以忽略溫度對RH控制的影響。

3.2 RH恒值穩(wěn)定控制

RH穩(wěn)定控制目標為：RH可以穩(wěn)定在20%-100%之間任意值，波動在±1.0% RH。將除濕氣泵關(guān)閉，加濕氣泵滿功率運行，實測RH最大可達到94%（圖2）。RH未能達到100%的主要原因有：測試用水里面含有微量無機鹽，從理論上限制了RH達到100%；裝置主要用于提供在線實驗樣品濕度環(huán)境，為方便更換樣品，其氣密性要求較低，干、濕空氣通道存在微量氣漏；此外濕度過高，傳感器的測量精度會進一步下降，也會影響控制效果。

圖2 最大加濕功率下RH的變化Fig.2 RH change using maximum humidification power.

隨機選取RH為21%、33%、44%、53%、64%、76%和88%共7個點進行控制測試（圖3）。

圖3 RH穩(wěn)定在不同值時隨時間變化曲線Fig.3 RH change with time when it is held on different values.

圖4 均勻加濕時RH變化情況(a)和與目標值的偏差(b)Fig.4 RH change (a) and deviation from RH control (b) when it is increased at a constant speed.

可以看出，RH在80%以下時，系統(tǒng)可以在60 s內(nèi)達到目標穩(wěn)定值；濕度較高時（例如88%），達到目標穩(wěn)定值的時間加長至180 s。除了RH值為21%和53%時波動較大(＞1%)之外，在其余RH值時波動在±1.0%之間。結(jié)果表明，裝置系統(tǒng)對固定RH的恒值控制較為穩(wěn)定，并且達到目標控制值所需時間較短（3 min以內(nèi)）。

3.3 RH均勻上升控制

RH均勻上升控制測試從20%開始，以0.5%·min-1的速度上升至90%（圖4）。從圖4(a)可知，RH整體變化趨勢與目標曲線一致，但從圖4(b)的細節(jié)上可以看出，實際濕度圍繞著目標曲線發(fā)生劇烈的震蕩，在RH為中等大小時這種現(xiàn)象尤為明顯。從偏差的數(shù)值上看，0-2000 s (21.0%-36.3% RH)，偏差穩(wěn)定在-1.8%-0.5%，2000-5000 s (36.3%-61.1% RH)期間，偏差達到-2.5%-0.5%，5000-8000 s (61.1%-86.5% RH)，偏差達到-2%-0%，8000 s (RH＞86.5%)以后，偏差達到-1.5%-0.5%。

從圖4(b)還可以看出，RH動態(tài)值與目標值相比有相對穩(wěn)定的系統(tǒng)性差值，約為-1%，此時，RH總體在±1.5%范圍內(nèi)波動。從RH均勻下降的控制測試中也可以看到類似的現(xiàn)象，與目標值相比，實際值系統(tǒng)性的偏小，這表明在RH控制時，同樣轉(zhuǎn)速的加濕氣泵和除濕氣泵，除濕氣泵的作用更大。

3.4 RH均勻下降控制

RH均勻下降控制從90%開始，以-0.5%·min-1的速度下降至20%，實驗結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)可知，RH整體變化趨勢與目標曲線一致。但從圖5(b)的細節(jié)上可以看出，實際RH圍繞著目標曲線發(fā)生劇烈的震蕩，在RH較低時這種現(xiàn)象尤為明顯。從偏差的數(shù)值上看，0-3000 s (86.1%-63.5% RH)，偏差穩(wěn)定在-1%-0.5%，3000-5000 s (63.5%-47.5% RH)期間，偏差達到-1.5%-1.5%，5000-7500 s (47.5%-26.1% RH)，偏差達到-1%-1.5%，7500 s (RH＜26.1%)以后，偏差達到-1.5%-1%。整體來看，偏差在-1%-1%之間，某些時刻可以達到-1.5%-1.5%。從圖5(b)可知，在某些RH范圍段，偏差較小。這表明不同RH的情況下控制策略可以做出一些局部微調(diào)以達到最佳控制效果。例如，RH偏高(＞80%)或偏低(＜30%)時，可將“偏高”、“較高”、“極高”的分類標準區(qū)間進一步擴大以減小震蕩。

圖5 均勻除濕時RH隨時間變化情況(a)和與目標值的偏差(b)Fig.5 RH change (a) and deviation from RH control (b) when it is decreased at a constant speed.

3.5 RH控制工作模式切換

RH控制有三種工作模式：穩(wěn)定速度上升、固定在設(shè)定值和穩(wěn)定速度下降。裝置系統(tǒng)在實驗過程中，可以通過單片機的復(fù)位進行重新設(shè)置，從而選取RH控制的工作模式，具有很大的靈活性。上升和下降速度也可以根據(jù)需要通過改變設(shè)定值而靈活選用。

4 結(jié)語

本文研制了一套可以加載到同步輻射線站上的小型數(shù)控式RH控制裝置。該裝置能將RH控制在20%-94%，誤差在±1.0%；能以穩(wěn)定速率（實測時選取為0.5%·min-1）控制RH從20%穩(wěn)定上升至90%，或從90%穩(wěn)定下降至20%，誤差為±1.5%。裝置工作時溫度變化小于0.5 °C，對RH的影響可以忽略。該裝置可以在RH上升、固定和下降模式之間靈活切換；連續(xù)工作時間可維持在3 h以上，控制數(shù)據(jù)可以動態(tài)顯示和實時存儲；具有較好的準確性、靈活性和可靠性。本裝置可滿足同步輻射在線實驗對濕度進行精確控制的多種需求。

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An NC-type relative humidity control device for in-situ experiments

ZENG Jianrong1WANG Shouzhi2CAO Lingling3LI Yan1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
3(School of Electronic Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China)

Background:Relative humidity (RH) is one of the key environmental parameters in many experimental processes, and RH control is particularly important for in-situ synchrotron radiation experiments. However, there is no suitable commercial RH control equipment available for such experiments. Purpose: Based on the dynamic control of microcontroller, this study aims to develop an integrated set of numerically controlled (NC) RH control device, which can be conveniently loaded on the synchrotron radiation end-stations. Methods: A moisture channel and another dry air channel are connected to the sample chamber for humidification and dehumidification respectively. The dynamic equilibrium of RH at various values is controlled by the microcontroller using a fuzzy algorithm. Results: This device can hold the RH with an error of ±1.0% at any set value from 20% to 94%. It also can increase the RH from 20% to 90% and decrease the RH from 90% to 20% with an error of ±1.5% at a constant speed. Conclusion: This device can provide RH controlling environment with three switchable operation modes including RH holding, increasing and decreasing. It can meet various requirements of humidity control in kinds of synchrotron radiation in-situ experiments.

Synchrotron radiation, Relative humidity, Numerical control

ZENG Jianrong, male, born in 1985, graduated from University of Chinese Academy of Sciences with a doctoral degree in 2013, focusing on

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.010103

No.11305242)資助

曾建榮，男，1985年出生，2013年于中國科學(xué)院大學(xué)獲博士學(xué)位，研究領(lǐng)域為同步輻射技術(shù)及其應(yīng)用

2016-11-07，

2016-12-21

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11305242)

synchrotron radiation and its application, E-mail: zengjianrong@sinap.ac.cn

Received date: 2016-11-07, accepted date: 2016-12-21