潔凈實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜控制器的設(shè)計(jì)案例

摘要：介紹了一種主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)柜的排風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此裝置包括微控制單元、執(zhí)行器單元、傳感器輸入單元、顯示單元和操作單元5大部分，使通風(fēng)柜具有智能化、變風(fēng)量控制功能。通風(fēng)量的大小完全由電腦控制,操作簡單,保證排出有害氣體的效果始終處于最佳狀態(tài),不僅能精確地控制排風(fēng)量,還可以降低能耗、減小噪聲,甚至無噪聲工作（有多種工作狀態(tài)）。該裝置可有效地應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)科和普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。 

通風(fēng)柜控制器是通風(fēng)柜上面的微電腦控制器。利用微機(jī)執(zhí)行繁雜的邏輯計(jì)算與控制，來管理通風(fēng)柜上的各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況。與利用傳感器器取出通風(fēng)柜各項(xiàng)物理參數(shù)以供操作者使用。利用微機(jī)可以極大提高各種設(shè)備的運(yùn)行可靠性與簡化系統(tǒng)設(shè)備的繁雜性。本設(shè)計(jì)采用的是PID控制，使排風(fēng)風(fēng)速能穩(wěn)定在用戶設(shè)定的面風(fēng)速。由于采用了液晶顯示器，操作簡單，直觀。多種工作模式（待機(jī)、強(qiáng)制排風(fēng)、有人/無人排風(fēng)）使本裝置更節(jié)能實(shí)用。采用了先進(jìn)的風(fēng)速標(biāo)定方法，能更精確地檢測實(shí)際風(fēng)速，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的排風(fēng)控制。 

　　1工作原理 
　　實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的有毒有害氣體必須及時(shí)排除，在衡量通風(fēng)柜的標(biāo)準(zhǔn)是要滿足：有害氣體不能溢出也不能再柜內(nèi)產(chǎn)生紊流。所以，面風(fēng)速即通風(fēng)柜窗口的平均風(fēng)速，是衡量通風(fēng)柜性能的主要技術(shù)參數(shù)。 
　　國家對(duì)通風(fēng)柜面風(fēng)速規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)為：0.4~0.6 m/s。排風(fēng)量（單位：m3/h）計(jì)算公式為：L=3 600×SVβ（1）式中：S為操作口開啟面積(單位：m2)；V為面風(fēng)速(單位:m/s)；β為安全系數(shù)（1.05~1.1）。 
　　從式（1）可以看出，對(duì)于沒有調(diào)節(jié)系統(tǒng)的通風(fēng)柜，當(dāng)操作門全開時(shí)，如果滿足0.3~0.5 m/s的面風(fēng)速，當(dāng)操作門開啟一半或全關(guān)閉時(shí)，面風(fēng)速將超過設(shè)計(jì)值，大大影響排風(fēng)及實(shí)驗(yàn)效果。 
　　因此，如何有效地控制面風(fēng)速是對(duì)通風(fēng)柜排風(fēng)的有效保障。本設(shè)計(jì)采用了柜門行程及風(fēng)速控制法，能使柜門處于不同高度是通風(fēng)柜面風(fēng)速保持在設(shè)定值。 
　　通風(fēng)柜的實(shí)際通風(fēng)量可用下式表示：Q=SV=SWH （2）式中：S為操作口開啟面積(單位：m2）；V為面風(fēng)速（單位：m/s）；W為通風(fēng)柜的開口寬度（單位：m）；H為通風(fēng)柜開窗高度（單位：m）。采用柜門上的傳感器將柜門的行程信號(hào)變送到控制器，控制器根據(jù)設(shè)定的面風(fēng)速和式（2）計(jì)算出設(shè)定的風(fēng)量信號(hào)，進(jìn)而可以得出在當(dāng)前柜門高度下，要得到設(shè)定風(fēng)速所需的閥門開度。再根據(jù)風(fēng)速傳感器測出的實(shí)時(shí)風(fēng)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的閥門開度的電信號(hào)。在ARM內(nèi)通過PID控制得出一個(gè)輸出電壓，控制閥門開度，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)速控制。 
　　2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 
　　通風(fēng)柜控制器電路的主要功能是完成響應(yīng)外界環(huán)境的輸入, 如有人無人狀態(tài)輸人、窗開度、反饋輸入量、人工設(shè)定輸入量等。通過判斷和計(jì)算, 輸出一定的電壓控制文丘里閥門, 形成一個(gè)閉環(huán)控制?？刂破鲗?dāng)前排風(fēng)柜的排風(fēng)量通過RS 485總線傳輸?shù)窖a(bǔ)風(fēng)控制器，與上位機(jī)之間通過ModBus協(xié)議通信，也采用RS 485總線形式，選用RSM 485低功耗芯片做電平轉(zhuǎn)換。在實(shí)施監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置時(shí)，可以批量進(jìn)行，大大簡化了操作量。上位機(jī)軟件可用LabVIEW或者VB開發(fā)。 
　　硬件電路包括人機(jī)交互電路，如鍵盤，液晶，蜂鳴器；A/D采樣電路，如有人無人A/D電路，窗開度A/D電路，反饋輸入A/D電路；D/A電路；風(fēng)速檢測電路及串口通訊部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 
　　圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1A/D采樣及D/A輸出 
　　A/D，D/A電路主要實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換匹配及模擬信號(hào)濾波等功能。模擬信號(hào)分別為窗高度輸入Hx：通過拉線變阻器或者超聲波測距實(shí)時(shí)采集控制柜窗口高度，輸入信號(hào)字0~10 V范圍內(nèi)線性變化，用于獲得期望風(fēng)量；閥門反饋輸入f：閥門開度反饋，反應(yīng)當(dāng)前實(shí)時(shí)風(fēng)量。0~10 V線性變化；有人/無人輸入Z：通過人體傳感器檢測通風(fēng)柜前扇形區(qū)域內(nèi)是否有人，并將有人/無人狀態(tài)轉(zhuǎn)換為+12 V/0 V電壓值。輸出模擬信號(hào)為閥門驅(qū)動(dòng)信號(hào)，線性變化的電壓控制閥門的開度。 
　　2.2人機(jī)界面 
　　包括鍵盤、LED指示燈和液晶顯示器，實(shí)現(xiàn)信息的輸入，數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警作用。該電路由PCA9555單元單獨(dú)完成。PCA9555是24引腳的CMOS設(shè)備，它提供了I2C?Bus/SMBus 應(yīng)用中的16位通用并行輸入/輸出口GPIO的擴(kuò)展。且通訊頻率始終能達(dá)到400 kHz。按鍵采用低電平中斷觸發(fā)方式。 
　　電源電路實(shí)現(xiàn)同一端口AC/DC 24V輸入，輸出直流±12 V,+5 V和+3.3 V。輸人端采用半橋整流電路, 實(shí)現(xiàn)同一端口同時(shí)輸人交流或直流電源, 適應(yīng)不同環(huán)境需要。整流以后, 通過TL2575HV?12IKV單元電路, 將電壓穩(wěn)定到+12 V。后繼采用電壓轉(zhuǎn)化電路產(chǎn)生+5 V和+3.3 V電源。 
　　2.3ModBus 
　　ModBus串行鏈路協(xié)議是主-從協(xié)議，RTU模式在相同波特率下比ASCII模式有更高的數(shù)據(jù)吞吐量，故采用RTU模式。RTU模式是通過判斷時(shí)間間隔來區(qū)分字符和報(bào)文幀的，時(shí)長至少為3．5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔將報(bào)文幀區(qū)分開。同時(shí)，整個(gè)報(bào)文必須以連續(xù)的字符流發(fā)送，幀內(nèi)2個(gè)字符之間的間隔小于1.5個(gè)字符時(shí)間。RTU報(bào)文幀如下所示： 
　　起始地址功能碼數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)結(jié)束≥3.5字符8 b8 bN×8 b16 b≥3.5字符 
　　ModBus協(xié)議規(guī)定了20多種功能碼，本設(shè)計(jì)只用到其中幾種操作。上位機(jī)機(jī)發(fā)送讀保持寄存器（功能碼03），寫單個(gè)寄存器（功能碼06）和寫多個(gè)寄存器（功能碼16）3種命令完成對(duì)ARM的讀寫功能。下位機(jī)程序負(fù)責(zé)對(duì)上位機(jī)命令進(jìn)行響應(yīng)并將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)。 
　　3系統(tǒng)運(yùn)行及實(shí)現(xiàn) 
　　系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信息量的采集、通信、參數(shù)設(shè)置和信息顯示。根據(jù)國家通風(fēng)柜對(duì)面風(fēng)速0.4~0.6 m/s的標(biāo)準(zhǔn)，控制器根據(jù)通風(fēng)柜窗開度Hx，閥門反饋Fb和設(shè)定風(fēng)速Vf計(jì)算出閥門控制電壓Vout(fx)用以控制風(fēng)速保持在這一范圍內(nèi)。并且將實(shí)際風(fēng)量L和風(fēng)速V顯示在液晶面板上。計(jì)算公式如下式：Vout(fx)=kHxWVfn－ba（3） 
　　Hx=Hmax(Zx－Zmin)Zmax－Zmin+Hmin（4） 
　　L=aFb－b（5）式中：k=0.06~0.42；n=0.6~1.4，為漏風(fēng)調(diào)整；Hmax，Hmin為窗開度的最高和最低位置，Zmax，Zmin為其對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；Hx為窗開度的實(shí)際值；a，b為閥門開度與風(fēng)量關(guān)系參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)定；Fb為閥門反饋電壓。