中国是人造板生产和消费大国，2010年产量已达1.53亿m³，连续多年位居世界第一(钱小瑜，2011)，人造板产品广泛应用于家具制造、室内装饰等方面，与人们的生活息息相关。然而90%以上的人造板生产过程中要使用脲醛树脂等含醛胶黏剂(顾继友，2006)，其产品在使用过程中会缓慢释放游离甲醛，威胁着人类的身体健康，甚至有致癌的危险。世界各国对甲醛给人体带来的危害都高度重视，相继以法律的形式规定室内空气中甲醛浓度的限量值，并且将人造板的甲醛释放量作为产品质量高低的重要指标。

目前国内检测人造板甲醛释放量比较有代表性的方法有干燥器法、穿孔萃取法、气体分析法和1 m³气候箱法(朱海欧等，2009)。1 m³气候箱法与前3种方法相比，能够模拟室内自然气候环境，检测结果准确可靠，接近实际使用状况(程放等，2005)，在GB 18580—2001中规定其用于法律仲裁。但是1 m³气候箱容积有限，无法检测整体家具。我国当前检测家具甲醛释放量主要依据GB 18584—2001，先对家具进行破坏性取样，然后使用24 h干燥器法测定其甲醛释放量。这种方法以部分代替整体，无法真实反映整体家具的甲醛释放情况，而且属于破坏性检测，经济性差。

欧美等发达国家则广泛应用气候室法对整体家具进行甲醛释放量检测，已经制定了相关标准，并将其确定为唯一的仲裁方法(司琳琳等，2010;ASTM，1996;CEN，2004)。气候室法与1 m³气候箱法检测原理基本相同，只是容积更大，有22，30，50 m³等几种规格，能够直接检测整体家具。在这方面我国相关的研究较少，缺少设备与标准。从国外进口的设备普遍采用计算机与可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)的系统架构，技术上完全依赖国外的产品，成本较高。所以，研究经济实用的气候室控制系统对开发国产气候室设备具有迫切的现实意义。本研究设计开发了基于ATmega 2560微处理器的气候室控制系统，介绍了系统的硬件组成与软件设计。本系统将为气候室设备的推广使用提供有力的技术支持。

气候室法检测甲醛的原理是将一定表面积的人造板或家具放入温度、相对湿度、空气流速和空气交换率控制在一定值的气候室内，甲醛从人造板或家具中释放出来后与室内空气混合，定期抽取室内的空气，使抽出的空气通过盛有蒸馏水的吸收瓶，这时空气中的甲醛全部溶于水;然后测定吸收液中的甲醛含量及抽取的空气体积，计算出每立方米空气中的甲醛含量。

气候室的主要技术参数为:

容积: 30 m³，允差±1%。

温度可调范围: 23～28 ℃，精度为±0.5 ℃。

相对湿度可调范围: 45%～55%，精度为±3%。空气流速: 0.3～0.8 m·s^-1，精度为±0.05 m·s^-1。

空气交换率:(0.5±0.05)h^-1。

此外，在检测过程中不能出现水雾和结露现象，否则将会吸收甲醛影响检测结果。

气候室由检测室、控温系统、调湿与空气交换系统、空气循环系统和控制系统5部分组成。

检测室是模拟人造板及其制品实际使用环境的主体部分，样品的甲醛释放量检测即在检测室内进行。

控温系统以水为热媒，水箱中的水经加热或制冷后泵入到检测室内的热交换器中，通过热交换控制室内的温度，最后循环回到水箱中。

调湿与空气交换系统的作用是向检测室送入一定流量、一定温度的清洁饱和湿空气，控制检测室内的相对湿度和空气交换率。

空气循环系统要保证送入室内的新空气与原有的空气能充分并均匀地混合，还要保证通过样品表面的空气流速符合要求。

控制系统是气候室的核心。空气交换率由气体流量计调节进入气候室的新空气量，风速由调压器对风机进行调压调速，这2个参数设置好后，只需要对气泵和风机进行开关控制即可。气候室的重点问题是对温湿度的精确控制，故控制系统的主要功能是:

1)采集检测室内温度和相对湿度等参数;

2)将采集的温湿度与设定值进行比较，从而控制相应执行部件的通断，实现对系统参数的精确控制;

3)实时数据与历史曲线的显示，数据的存储;

4)系统运行状态的监控与保护。

控制系统主要包括以下5部分:人机交互系统、主控制器、温湿度检测系统、执行机构和系统软件。

人机交互系统由触摸屏、人机交互界面和外围辅助电路组成。触摸屏可以设定系统参数、实时显示状态参数以及显示历史曲线。通过RS232接口与主控制器实时通信。人机交互界面包括初始化界面、参数设定界面、实时监控界面和历史曲线界面。

人机交互界面程序流程图如图 1所示。

	图 1 人机交互界面程序流程 Fig. 1 Program flowchart of HMI (Human Machine Interface)

主控制器以ATMEL公司的ATmega2560微处理器为核心，负责与人机交互系统进行串口通信和控制外围功能模块。ATmega2560微处理器片内资源丰富、接口强大、性能好、功耗低，有着很好的稳定性和灵活性。主控制器的外围功能模块包括电源模块、模拟量输入/输出模块、开关量输入/输出模块、外部扩展Flash模块和系统保护电路。

1)电源模块通过滤波电容滤除噪音，减少纹波，可以有效抑制干扰，提高直流电压的稳定性。

2)模拟量输入模块采用ATmega2560内部自带的ADC对变送输入的温湿度信号进行A/D转换。模拟量输出模块采用PWM输出功能，经简单变换即可实现数模转换。

3)开关量输入/输出模块采用光电耦合隔离，以隔离开关量控制过程中产生的电磁干扰信号。

4)外部扩展Flash模块。ATmega2560内部集成了EEPROM数据存储器，但是容量太小，无法满足数据存储要求。控制器扩展了4 M的Nor Flash，可以保存检测过程中得到的大量试验数据。

5)系统保护电路可以在意外断电时，触发控制器的外部中断，使得系统能存储当前的运行参数(如运行时间和温、湿度曲线)，以便恢复供电后能迅速开始检测工作。

温湿度检测使用JWSL-2AT型温湿度变送器，其采取传感、变送一体化设计，采用专用温度补偿电路和线性化处理电路，性能可靠，使用寿命长，响应速度快。检测室内布置6个传感器，分别检测上、中、下3个方位的温度和相对湿度。考虑到系统精度和信号采集速度要求，采用ATmege2560内部自带的ADC对变送输入信号进行A/D转换，用于程序的比较、显示和存储。

执行机构由继电器、固态调压器、24 V开关电源、熔断器和其他开关等组成。继电器执行开关量输出，固态调压器执行模拟量输出。并设计有状态指示电路，使用LED指示灯指示系统运行状态。

1)控温系统由加热管和制冷机组控制水温，由水泵将一定温度的水泵入到检测室内的热交换器中。其中，加热管由固态调压器控制，制冷机组和水泵由继电器控制。

2)调湿与空气交换系统使用动态露点法调湿，加热管和制冷机组控制水温，水泵控制水体循环，气泵将产生的饱和湿空气泵入到检测室内进行调湿和空气交换。其中，加热管由固态调压器控制，制冷机组、水泵和气泵由继电器控制。

3)空气循环系统的风机采用调压调速控制风速。循环风机由继电器控制。

系统结构图如图 2所示。

	图 2 系统结构 Fig. 2 Chart of system structure

系统软件按照模块化设计思想，划分为功能单一、结构清晰的不同子程序，以方便编译与修改。系统软件在ICCAVR编译环境下，使用C语言进行开发。程序包括初始化子程序、串口通信子程序、模拟信号采集子程序、模拟量输出子程序、开关量控制子程序、数据存储子程序和人机交互子程序7个部分。

模拟信号采集子程序将采集到的6个点的温、湿度值进行平均计算，得到检测室内的平均温、湿度，以便与设定值进行比较。

气候室具有大滞后、非线性的系统特性，传统的PID调节较难精确控制系统的温度和相对湿度(周玉成等，2003)。模糊控制系统能够更有效地控制含有不确定性的、并且用常规非线性控制理论难以处理的受控对象，它不需要受控对象的精确数学模型，系统的鲁棒性强、稳定性好(彭勇刚等，2006;韦巍等，2008)。本系统软件的模拟量输出子程序采用模糊控制算法，首先建立模糊控制表存放于存储器中，在控制过程中，程序根据模糊量化的温度或相对湿度误差及误差变化值，查表获得控制输出量化值，再进行精确化计算就可以直接控制固态调压器了。

系统软件控制流程图如图 3所示。

	图 3 系统软件控制流程 Fig. 3 Flowchart of software system

系统的运行效果如图 4所示，设备运行初始温度为9 ℃，参数设定为温度23 ℃，相对湿度45%。检测室的温、湿度约7 h达到稳定。

	图 4 系统运行曲线 Fig. 4 System operation curve

该控制系统具有如下特点:

1)选择高性能、低功耗的ATmega2560微处理器作为控制器核心，外围电路设计简单，使得整个系统具有很好的稳定性和灵活性，而成本仅为PLC控制系统的1/3左右。

2)系统软件采用模块化设计，完成相应的功能模块，方便系统的调试、维护和修改。气候室的温、湿度控制使用模糊控制算法，控制精度高，超调小。经国家标准物质研究中心认证，温度精度为±0.5 ℃，相对湿度精度≤±3%，满足甲醛检测气候室的温、湿度控制要求。