一種實(shí)驗室通風(fēng)柜控制器的設計

摘要：介紹了一種主要應用于實(shí)驗柜的排風(fēng)控制系統的設計。此裝置包括微控制單元、執行器單元、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(jiǎn)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(wú)噪聲工作(有多種工作狀態(tài))。該裝置可有效地應用于核醫學(xué)科和普通化學(xué)實(shí)驗室。
關(guān)鍵詞：ARM；PID控制；變風(fēng)量控制；排風(fēng)控制系統

0 引言
通風(fēng)柜控制器是通風(fēng)柜上面的微電腦控制器。利用微機執行繁雜的邏輯計算與控制，來(lái)管理通風(fēng)柜上的各種機電設備的運行情況。與利用傳感器器取出通風(fēng)柜各項物理參數以供操作者使用。利用微機可以極大提高各種設備的運行可靠性與簡(jiǎn)化系統設備的繁雜性。本設計采用的是PID控制，使排風(fēng)風(fēng)速能穩定在用戶(hù)設定的面風(fēng)速。由于采用了液晶顯示器，操作簡(jiǎn)單，直觀(guān)。多種工作模式(待機、強制排風(fēng)、有人／無(wú)人排風(fēng))使本裝置更節能實(shí)用。采用了先進(jìn)的風(fēng)速標定方法，能更精確地檢測實(shí)際風(fēng)速，從而實(shí)現實(shí)時(shí)、準確的排風(fēng)控制。

1 工作原理
實(shí)驗室產(chǎn)生的有毒有害氣體必須及時(shí)排除，在衡量通風(fēng)柜的標準是要滿(mǎn)足：有害氣體不能溢出也不能再柜內產(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。
國家對通風(fēng)柜面風(fēng)速規定標準為：0．4～0．6 m／s。排風(fēng)量(單位：m3／h)計算公式為：
L=3 600×SVβ (1)
式中：S為操作口開(kāi)啟面積(單位：m2)；V為面風(fēng)速(單位：m／s)；β為安全系數(1．05～1．1)。
從式(1)可以看出，對于沒(méi)有調節系統的通風(fēng)柜，當操作門(mén)全開(kāi)時(shí)，如果滿(mǎn)足0．3～0．5 m／s的面風(fēng)速，當操作門(mén)開(kāi)啟一半或全關(guān)閉時(shí)，面風(fēng)速將超過(guò)設計值，大大影響排風(fēng)及實(shí)驗效果。
因此，如何有效地控制面風(fēng)速是對通風(fēng)柜排風(fēng)的有效保障。本設計采用了柜門(mén)行程及風(fēng)速控制法，能使柜門(mén)處于不同高度是通風(fēng)柜面風(fēng)速保持在設定值。
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(kāi)啟面積(單位：m2)；V為面風(fēng)速(單位：m／s)；W為通風(fēng)柜的開(kāi)口寬度(單位：m)；H為通風(fēng)柜開(kāi)窗高度(單位：m)。采用柜門(mén)上的傳感器將柜門(mén)的行程信號變送到控制器，控制器根據設定的面風(fēng)速和式(2)計算出設定的風(fēng)量信號，進(jìn)而可以得出在當前柜門(mén)高度下，要得到設定風(fēng)速所需的閥門(mén)開(kāi)度。再根據風(fēng)速傳感器測出的實(shí)時(shí)風(fēng)量并轉換成相應的閥門(mén)開(kāi)度的電信號。在A(yíng)RM內通過(guò)PID控制得出一個(gè)輸出電壓，控制閥門(mén)開(kāi)度，從而實(shí)現風(fēng)速控制。

2 系統結構
通風(fēng)柜控制器電路的主要功能是完成響應外界環(huán)境的輸入，如有人無(wú)人狀態(tài)輸入、窗開(kāi)度、反饋輸入量、人工設定輸入量等。通過(guò)判斷和計算，輸出一定的電壓控制文丘里閥門(mén)，形成一個(gè)閉環(huán)控制?？刂破鲗斍芭棚L(fēng)柜的排風(fēng)量通過(guò)RS 485總線(xiàn)傳輸到補風(fēng)控制器，與上位機之間通過(guò)ModBus協(xié)議通信，也采用RS 485總線(xiàn)形式，選用RSM 485低功耗芯片做電平轉換。在實(shí)施監控和參數設置時(shí)，可以批量進(jìn)行，大大簡(jiǎn)化了操作量。上位機軟件可用LabVIEW或者VB開(kāi)發(fā)。
硬件電路包括人機交互電路，如鍵盤(pán)，液晶，蜂鳴器；A／D采樣電路，如有人無(wú)人A／D電路，窗開(kāi)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。系統結構如圖1所示。