洁净区环境质量控制系统的设计开题报告

全文总字数：5204字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景及选题意义

近年来，现代科技的发展和新一轮工业革命的不断深入，数字化、智能化技术不断改变着制造业的生产模式和产业形态，在高新技术产品的加工生产过程中，如何满足加工的精密化、产品的微型化，高质量、高可靠性的需求等问题，对电子工业洁净室的环境质量检测及控制提出了更高的要求。洁净室内对空气悬浮粒子浓度有严格要求，室内其他有关参数如温度、湿度、压力等也需按要求进行控制。不论是封闭式还是开放式的洁净区，室内的环境参数质量都会无规律的实时变化，而为了使洁净区内的生产活动正常进行以及产品质量得到保障，那么就必须采用相应的检测系统实时采集环境质量参数如温湿度、压差等质量数据，使得相关质量参数处于较为稳定的规定范围内。

为了实现高水平的监测和调控洁净区内的温湿度、压差等参数，维持洁净区内环境质量稳定，质量信息采集是其中十分重要的一环，洁净区工作空间较大，为了能准确采集工作区内的环境质量参数的实时数据，需要在洁净区内出入口以及在室内均匀分布温湿度传感器、压差传感器等多个检测节点检测，在传感技术、通信技术和计算机技术网络下发展而成的无线传感网络技术是一种全新的信息获取和处理技术。基于zigbee技术的无线传感器网络应用在zigbee联盟和ieee802.15.4组织的推动下，结合其他的无线技术可以实现一定距离内的无线数据传输，使得检测系统的硬件外围电路更加简洁，数据传输更加准确高效。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计的基本内容和目标

2.1.1系统的设计要求

本设计系统的对象为生产工艺无温湿度要求的洁净室，即该洁净区的温湿度要求为国家共同标准，与生产工艺无关。

表1洁净室的温湿度范围

此次系统设计以夏季为参考，即温度的控制范围为24℃—26℃，湿度的控制范围为50%—70%，控制精度分别是：温度为±1℃，湿度为±1%。

本洁净区环境质量系统通过温湿度传感器监测当前的环境质量数据，传输至ZigBee节点，传感器和ZigBee组成信息采集模块，ZigBee节点通过无线传输将信息数据传输至ZigBee协调器，ZigBee协调器将信息数据传输至MCU微控制器，微控制器由主控芯片中的8051模块提供，ZigBee协调器和MCU构成系统的信息处理模块，MCU外接温湿度调节外围电路，形成信息调节模块，该模块主要的调节参数为温湿度，根据传感器检测到的参数值，对当前洁净区的温湿度进行调整，例如：当检测到的温度高于系统设定的温度范围时，温湿度模块启动空调，洁净区的温度降低至设定范围内。

图1 洁净区环境质量控制系统结构图

2.2拟采用技术方案及措施

首先阅读研究近五年关于洁净区的环境质量控制或楼宇环境质量控制系统设计的文献资料，获取目前技术较为实际成熟的设计方法作为参考，结合电子工业生产洁净区的实际净高以及长宽等因素确定相应的数据传输方案以及传感器的分布，根据设计方案对传感器、主控芯片和其他元器件进行选型，搭建硬件电路和数据传输网的组建，然后对系统进行软件设计，编写相应的控制程序，将系统的软件和硬件整合仿真调试，使系统达到设计要求。

在洁净区环境质量检测系统的设计中，需要特别关注的一点是洁净区的空间范围相对较大，要想获取洁净区内当前在一定允许误差范围内的较为准确的数据信息，传感器需在出入口以及工作区内按照一定的标准较为均匀分布，这样由各个不同区域的质量信息汇集成的数据信息才有意义，才对后续调节装置的执行有准确的控制，为了将传感器采集到的信息传输至数据处理模块，传输方式分为有线传输和无线传输，有线传输的原理较为简单，但是外围电路复杂，并不适用于实际应用；实际中我们在这种环境质量控制系统中主要采用无线传输，而其中最适宜的为ZigBee技术，ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4协议的短距离、低功耗、低成本的无线通信技术，其技术特点具体表现在功耗低、成本低、可靠性高、容量大、时延小、传输范围小。依据洁净区设计规范的消防防火要求，电子工业生产洁净区属于丙类洁净区，净空一般为5米，长为30米，宽为20米，温湿度传感器在洁净区内的分布如图2所示，可知两相邻传感器节点间隔10米，满足ZigBee的传输距离范围，因此ZigBee技术相较于其他短距离无线传输技术（蓝牙、WIFI）而言具有硬件成本低廉、传输距离在洁净区环境范围之内、同时应用简单方便，更加适合应用于洁净区环境质量监测系统的无线传输。

图2 洁净区温湿度传感器分布平面图

本系统主要由数据采集部分、汇聚数据信息至ZigBee协调器部分、数据处理部分、数据调节控制部分组成。

数据采集部分由传感器和ZigBee节点构成，分布于洁净区内的传感器监测当前环境质量参数值，传感器将相对应的模拟量传输至ZigBee节点，数据采集部分中有多个传感器节点，以使洁净区内的环境质量参数监测更加准确；汇聚数据信息至ZigBee协调器部分的内容为ZigBee节点将监测到的温湿度的模拟量无线传输至ZigBee协调器；数据处理部分为ZigBee协调器将数据信息传输至MCU，MCU将接收到的相应数据信息与程序预先设定的标准值进行比较，输出相应的调节量；数据调节部分由电机、继电器、温湿度控制模块等构成，根据MCU输出的调节信息量控制改善装置的运行，使洁净区温湿度处于标准范围内。

此系统设计中的主控芯片采用的是CC2530，是一种由TI公司设计的能够完全兼容IEEE802.15.4协议的片上系统，主要由CPU和内存系列模块，外部设备、时钟和电源管理的相关模块，以及无线收发模块构成。CC2530芯片上集成了增强型8051CPU功能使得芯片系统功能更为强大，拥有32、64、128、256KB四种不同的闪存内存。该芯片拥有兼容IEEE802.15.4协议的一个无线收发器装置，RF内核可以控制和管理无线通信模块，芯片还具有一个可以与外部设备通信连接的接口，通过这个接口芯片可以对外发出指令，控制外部设备的运行状态。

ZigBee中的MCU通过将传感器检测到的参数值与系统程序设定的标准范围相比较，输出一定的控制量，经过D/A转换，控制启动相应的空调设备、加湿除湿装置，对洁净区的温湿度实现反馈控制，使洁净区的温湿度处于设定范围内。

3. 研究计划与安排

1-3周：外文翻译，开题报告撰写

4-5周：系统设计要求分析，设计方案的选择与论证

6-8周：系统硬件选型与设计

4. 参考文献（12篇以上）

[1]潘晓贝.基于zigbee的温湿度无线采集系统设计[j].电子测试,2018,(18):9-12.

[2]万本太.国内外环境监测工作现状及其发展趋势[j].中国环境监测,1995,(06)

[3]田云. 药厂洁净室楼宇空调控制系统的应用研究[d].北京工业大学,2018.