建筑外窗保溫性能檢測(cè)裝置測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1概述

建筑耗能數(shù)量大，比例高，發(fā)達(dá)國(guó)家建筑用能比例一般為全國(guó)總能耗的30％～40％，所占能耗比重很大。在我國(guó)，建筑能耗占全社會(huì)總能耗的27.6％，而民用建筑能耗中住宅能耗占60％。與之對(duì)應(yīng)，建筑節(jié)能潛力巨大。

建筑節(jié)能，冬季建筑外窗散熱是一個(gè)大問(wèn)題。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑外窗保溫性能分級(jí)及檢測(cè)方法》(GB／T8484―2002)，要求檢測(cè)建筑外窗的傳熱系數(shù)，判定建筑外窗的保溫性能等級(jí)。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中采用的檢測(cè)設(shè)備如圖1所示。


該裝置是基于穩(wěn)定傳熱原理，采用標(biāo)定熱箱法檢測(cè)窗戶(hù)保溫性能。試件一側(cè)為熱箱，模擬采暖建筑冬季室內(nèi)氣候條件，另一側(cè)為冷箱，模擬冬季室外氣候條件。在對(duì)試件縫隙進(jìn)行密封處理，試件兩側(cè)各自保持穩(wěn)定的空氣溫度、氣流速度和熱輻射條件下，測(cè)量熱箱中電暖氣的發(fā)熱量，減去通過(guò)熱箱外壁和試件框的熱損失，除以試件面積與兩側(cè)空氣溫差的乘積，即可計(jì)算出試件的傳熱系數(shù)K值(K值為在穩(wěn)定傳熱條件下，外窗兩側(cè)空氣溫差為1℃，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的傳熱量以W／(m2·K)計(jì)。試件傳熱系數(shù)K值按下式計(jì)算：



式中：Q為電暖氣的發(fā)熱功率；M1△θ1為熱箱外壁的熱損失；M2△θ2為試件框的熱損失；S·Λ·△θ3為填充板的熱損失；A為試件的面積；△t試件兩側(cè)的溫差。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

國(guó)標(biāo)中要求熱箱空氣溫度的設(shè)定范圍為18℃～20℃，冷箱空氣溫度的設(shè)定范圍為-19℃～-21℃，所以裝置中需要兩臺(tái)溫度控制儀表，分別用來(lái)控制熱室和冷室內(nèi)的溫度。另外，檢測(cè)過(guò)程中需要用到多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的溫度值和電暖氣的加熱功率，故裝置中還需要一臺(tái)32路溫度巡檢儀表和一臺(tái)功率計(jì)。以上智能儀表作為整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的從機(jī)部分，主機(jī)部分為通用微型計(jì)算機(jī)，兩者通過(guò)半雙工RS-232／RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)接口通信，采用雙絞線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)傳輸。在這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，作為下位機(jī)的智能儀表完成測(cè)量控制功能，便于快速構(gòu)造系統(tǒng)并保證測(cè)控精度。

由于從機(jī)部分的儀表較多，并且通信協(xié)議和通信接口不一致，故系統(tǒng)采用多串口通信。功率計(jì)為RS-232接口，故單獨(dú)為其分配一個(gè)串口；32路溫度巡檢儀和兩個(gè)溫度控制儀為RS-485接口，而PC一般只有RS-232接口，需要RS-232／RS-485接口轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)的總體硬件框圖如圖2所示。巡檢儀按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)外接的溫度傳感器采用銅一康銅熱電偶，要求的溫度測(cè)點(diǎn)很多，所以同類(lèi)溫度測(cè)點(diǎn)的熱電偶可以并聯(lián)。具體裝置尺寸及材質(zhì)、熱箱外壁和試件框熱流系數(shù)標(biāo)定、試件框的面積劃分、溫度測(cè)點(diǎn)的分布、熱電偶的篩選和校驗(yàn)等詳細(xì)要求請(qǐng)參見(jiàn)有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件總體框圖如圖3所示。它充分利用了Windows系統(tǒng)允許多進(jìn)程、多線(xiàn)程的編程特點(diǎn)，開(kāi)辟了兩個(gè)線(xiàn)程；還利用了VC++的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，把有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操作完全封裝類(lèi)中。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有下位機(jī)數(shù)據(jù)采集、主界面顯示、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史曲線(xiàn)顯示、檢測(cè)結(jié)果測(cè)定、檢測(cè)報(bào)告和歷史報(bào)告記錄的瀏覽及打印、數(shù)據(jù)庫(kù)清理及維護(hù)等。

3.1多線(xiàn)程

系統(tǒng)軟件的進(jìn)程分成兩個(gè)線(xiàn)程：主線(xiàn)程(用戶(hù)界面線(xiàn)程)和通信線(xiàn)程(輔助線(xiàn)程)。主線(xiàn)程定時(shí)啟動(dòng)通信線(xiàn)程，通信線(xiàn)程執(zhí)行完一次通信任務(wù)后掛起。主線(xiàn)程能夠提供界面和用戶(hù)交互，通常用于處理用戶(hù)輸入并響應(yīng)各種事件和消息，而通信線(xiàn)程主要用來(lái)進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。主線(xiàn)程由AppWizard生成，下面主要介紹通信線(xiàn)程的設(shè)計(jì)。

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程，需要調(diào)用函數(shù)AfxBeginThread。該函數(shù)因參數(shù)重載不同而具有兩種版本，分別對(duì)應(yīng)輔助線(xiàn)程和用戶(hù)界面線(xiàn)程。無(wú)論是輔助線(xiàn)程還是用戶(hù)界面線(xiàn)程，都需要指定額外的參數(shù)以修改優(yōu)先級(jí)、堆棧大小、創(chuàng)建標(biāo)志和安全特性等。函數(shù)AfxBeginThread返回指向CWinThread類(lèi)對(duì)象的指針。同樣，在CMain-View的構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用AfxBeginThread函數(shù)：



在啟動(dòng)通信線(xiàn)程之前，必須為線(xiàn)程的主程序編寫(xiě)一個(gè)全局函數(shù)。這個(gè)函數(shù)應(yīng)該返回一個(gè)UINT，它應(yīng)該以一個(gè)32位值(聲明為IPVOID)作為參數(shù)。在啟動(dòng)線(xiàn)程的時(shí)候，可以使用這個(gè)參數(shù)來(lái)傳遞任何東西，在A(yíng)fxBeginThread函數(shù)中傳遞的是this->GetDocument()(文檔類(lèi)的指針)，這樣就可以在輔助線(xiàn)程中使用文檔類(lèi)的數(shù)據(jù)。在輔助線(xiàn)程中，要采集下位機(jī)數(shù)據(jù)，然后掛起線(xiàn)程，等待定時(shí)器OnTimer函數(shù)恢復(fù)線(xiàn)程。

3.2串口通信

輔助線(xiàn)程的主要工作是PC通過(guò)串口采集下位機(jī)數(shù)據(jù)，PC機(jī)的Windows操作系統(tǒng)不提倡應(yīng)用程序直接控制硬件，而是通過(guò)Windows操作系統(tǒng)提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，結(jié)合本系統(tǒng)多串口通信的特點(diǎn)，使用Visual C++6.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下封裝好的串口類(lèi)CSerialPort來(lái)設(shè)計(jì)串口通信。本系統(tǒng)使用兩個(gè)串口，串口3用于與功率計(jì)之間的通信，串口4用于與巡檢儀及溫控儀之間的通信。

從機(jī)通信協(xié)議以巡檢儀為例簡(jiǎn)述如下：波特率設(shè)置為2 400 bit／s，幀格式為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。巡檢儀采用ASCII碼傳輸，其下傳命令幀格式如表1所示，儀表返回?cái)?shù)據(jù)幀如圖4所示。每個(gè)通道的測(cè)量值為16位二進(jìn)制，最高位為測(cè)量值的符號(hào)標(biāo)志位，1為負(fù)，0為正。接收到返回?cái)?shù)據(jù)后，在程序中按照協(xié)議對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。

使用CSerialPort類(lèi)實(shí)現(xiàn)雙串口通信，先要在對(duì)象所有者窗口類(lèi)頭文件(.H)中聲明兩個(gè)CSerialPort的對(duì)象，然后調(diào)用該類(lèi)的InitPort函數(shù)(主要完成串口號(hào)選擇、波特率設(shè)置等串口的初始化設(shè)置)，并啟動(dòng)監(jiān)視串口的工作線(xiàn)程。之后串口接到數(shù)據(jù)后，會(huì)以消息的形式發(fā)送到串口的所有者窗口中，只要在該窗口中加入對(duì)這些消息的響應(yīng)即可。

  數(shù)據(jù)發(fā)送可以使用CSerialPort：：WriteToPort(char*string)函數(shù)，鑒于本系統(tǒng)中的通信協(xié)議都采用BYTE數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行傳送，故把該函數(shù)修改為Serial-Port：：WriteToPort(BYTE bWriteBuffer[]，int nWfite-BufferSize)，bWriteBuffer[]為要發(fā)送的數(shù)據(jù)，nWfite-BufferSize為要發(fā)送的字節(jié)個(gè)數(shù)。

數(shù)據(jù)接收需要添加消息響應(yīng)函數(shù)，首先要在對(duì)象所有者窗口類(lèi)頭文件(.H)中加入串口接收的響應(yīng)函數(shù)聲明。由于沒(méi)有自動(dòng)的消息映射機(jī)制，必須在消息映射機(jī)制的標(biāo)志處手工添加：



然后在該窗口類(lèi)的CPP文件中添加消息映射：

ON_MESSAGE(WM_COMM_RXCHAR，OnCommunication)

最后加入消息處理函數(shù)OnCommunication，在其中進(jìn)行相應(yīng)的接收數(shù)據(jù)處理即可。

3.3其他部分

系統(tǒng)除了基本測(cè)試功能的設(shè)計(jì)外，還增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)、檢測(cè)報(bào)告的打印等功能。

3.3.1數(shù)據(jù)庫(kù)

ODBC(開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)連接)為不同的數(shù)據(jù)庫(kù)資源提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，是目前Windows應(yīng)用程序中應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)接口，已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了方便ODBC使用，MFC針對(duì)ODBC原始的簡(jiǎn)單的函數(shù)型API，建立了一些抽象類(lèi)：CDatabase、CRecordset和CRecordView，分別用來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、記錄集和記錄視圖。MFC的ODBC類(lèi)與數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系如圖5所示。



本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果3張表，故相應(yīng)用到3個(gè)CRecordset的派生類(lèi)，通過(guò)這些派生類(lèi)的對(duì)象調(diào)用類(lèi)中的成員函數(shù)，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的添加、編輯、刪除、查詢(xún)等操作。

3.3.2打印

如果單純使用Windows的API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)打印任務(wù)，程序的編寫(xiě)將會(huì)變得非常繁瑣，而利用MFC提供的打印和打印預(yù)覽的應(yīng)用程序框架將會(huì)使打印任務(wù)難度大大降低。要有效使用打印的話(huà)，必須理解函數(shù)調(diào)用的順序以及知道哪個(gè)函數(shù)需要被重載。

1)打印機(jī)的設(shè)備環(huán)境和OnDraw()函數(shù)

當(dāng)程序在打印機(jī)上打印的時(shí)候，它使用了一個(gè)CDC類(lèi)的設(shè)備環(huán)境對(duì)象。這個(gè)對(duì)象由應(yīng)用程序框架構(gòu)造，并把它作為參數(shù)傳遞給視圖的OnDraw函數(shù)。如果應(yīng)用程序要將顯示結(jié)果在打印機(jī)上打印出來(lái)，OnDraw()函數(shù)便擔(dān)負(fù)著雙重任務(wù)。如果正在顯示，OnPaint函數(shù)便調(diào)用OnDraw，并且設(shè)備環(huán)境是顯示器環(huán)境。如果正在打印，OnDraw由另一個(gè)CView虛函數(shù)OnPrint調(diào)用，用一個(gè)打印機(jī)設(shè)備環(huán)境作為參數(shù)。

2)CView：：OnPrint函數(shù)

從上面可以看到，基類(lèi)的OnPrint函數(shù)調(diào)用OnDraw函數(shù)，并且OnDraw函數(shù)既可以使用顯示器設(shè)備環(huán)境，也可以使用打印機(jī)設(shè)備環(huán)境。在調(diào)用OnPrint函數(shù)之前，將會(huì)設(shè)置映射模式?？梢灾剌dOnPrint函數(shù)來(lái)打印那些未顯示的項(xiàng)目，諸如標(biāo)題、頁(yè)碼等。在重載的OnPrint函數(shù)中，可以選擇不調(diào)用OnDraw函數(shù)，來(lái)支持打印邏輯，這樣就使打印邏輯與顯示邏輯分開(kāi)。

4系統(tǒng)功能及其實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能較多，下面主要介紹主界面、測(cè)量界面功能的實(shí)現(xiàn)。

4.1主界面

國(guó)標(biāo)規(guī)定熱箱中溫度波動(dòng)幅度不大于0.1℃，冷箱中溫度波動(dòng)幅度不大于0.3℃，并且上述溫度的波動(dòng)不再是單向的，才表示傳熱過(guò)程穩(wěn)定，然后方可進(jìn)行后續(xù)的測(cè)量，所以設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行后的主界面如圖6所示。圖中，左側(cè)實(shí)時(shí)顯示熱箱、冷箱、試件框等溫度測(cè)點(diǎn)的溫度值，右側(cè)繪制熱箱內(nèi)溫度、冷箱內(nèi)溫度和供電電壓的曲線(xiàn)，具體某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)還可以通過(guò)時(shí)間游標(biāo)來(lái)查看，并且在后臺(tái)程序中對(duì)國(guó)標(biāo)所要求的溫度條件進(jìn)行判斷，如果滿(mǎn)足，則彈出消息框給出提示，便可進(jìn)入其他界面進(jìn)行下一步的檢測(cè)。

4.2測(cè)量界面

傳熱過(guò)程穩(wěn)定之后，每隔30 min測(cè)量一次參數(shù)：電暖氣加熱功率、熱箱空氣平均溫度、冷箱空氣平均溫度、熱箱外壁內(nèi)外表面面積加權(quán)平均溫度之差、試件框熱側(cè)冷側(cè)表面面積加權(quán)平均溫度之差和填充板兩表面的平均溫差，共測(cè)6次。測(cè)量界面設(shè)計(jì)如圖7所示。進(jìn)入該界面后將每隔30 min自動(dòng)測(cè)量一次上述參數(shù)，測(cè)量完畢后將彈出消息框給出提示。設(shè)計(jì)中為了實(shí)際檢測(cè)方便，增加了“手動(dòng)測(cè)量”按鈕，點(diǎn)擊一次該按鈕將測(cè)量一次。測(cè)量完畢后點(diǎn)擊“計(jì)算結(jié)果”按鈕，將進(jìn)行參數(shù)求平均并計(jì)算檢測(cè)結(jié)果。另外，根據(jù)用戶(hù)需要增加了打印當(dāng)前數(shù)據(jù)的功能，點(diǎn)擊后進(jìn)行各參數(shù)及檢測(cè)結(jié)果的打印。測(cè)量完畢后，點(diǎn)擊“報(bào)告編輯”即進(jìn)入檢測(cè)報(bào)告編輯界面，進(jìn)行報(bào)告編輯及榆測(cè)記錄保存等操作。


5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了建筑外窗保溫性能檢測(cè)系統(tǒng)的組成，并在Visual c++6.0平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了多串口通信、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)繪制、數(shù)據(jù)庫(kù)操作等功能。實(shí)際應(yīng)用中表明，該檢測(cè)系統(tǒng)操作方便，界面簡(jiǎn)潔直觀(guān)，檢測(cè)過(guò)程穩(wěn)定，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值?？紤]到成本及產(chǎn)品化的要求，溫度測(cè)量與控制功能也可通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的儀表實(shí)現(xiàn)，有關(guān)工作目前正在進(jìn)行。