一種實驗室通風(fēng)柜控制器的設(shè)計

摘要：介紹了一種主要應(yīng)用于實驗柜的排風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計。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)實驗室。
關(guān)鍵詞：ARM；PID控制；變風(fēng)量控制；排風(fēng)控制系統(tǒng)

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(jī)執(zhí)行繁雜的邏輯計算與控制，來管理通風(fēng)柜上的各種機(jī)電設(shè)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(shù)以供操作者使用。利用微機(jī)可以極大提高各種設(shè)備的運行可靠性與簡化系統(tǒng)設(shè)備的繁雜性。本設(shè)計采用的是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)、強制排風(fēng)、有人／無人排風(fēng))使本裝置更節(jié)能實用。采用了先進(jìn)的風(fēng)速標(biāo)定方法，能更精確地檢測實際風(fēng)速，從而實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確的排風(fēng)控制。

1 工作原理
實驗室產(chǎn)生的有毒有害氣體必須及時排除，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，對于沒有調(diào)節(jié)系統(tǒng)的通風(fēng)柜，當(dāng)操作門全開時，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，面風(fēng)速將超過設(shè)計值，大大影響排風(fēng)及實驗效果。
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(shè)計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變送到控制器，控制器根據(jù)設(shè)定的面風(fēng)速和式(2)計算出設(shè)定的風(fēng)量信號，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)速傳感器測出的實時風(fēng)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的閥門開度的電信號。在ARM內(nèi)通過PID控制得出一個輸出電壓，控制閥門開度，從而實現(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)輸入、窗開度、反饋輸入量、人工設(shè)定輸入量等。通過判斷和計算，輸出一定的電壓控制文丘里閥門，形成一個閉環(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。在實施監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置時，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。