一種實驗室通風柜控制器的設計

摘要：介紹了一種主要應用于實驗柜的排風控制系統(tǒng)的設計。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，使通風柜具有智能化、變風量控制功能。通風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))。該裝置可有效地應用于核醫(yī)學科和普通化學實驗室。
關鍵詞：ARM；PID控制；變風量控制；排風控制系統(tǒng)

0 引言
通風柜控制器是通風柜上面的微電腦控制器。利用微機執(zhí)行繁雜的邏輯計算與控制，來管理通風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柜各項物理參數(shù)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化系統(tǒng)設備的繁雜性。本設計采用的是PID控制，使排風風速能穩(wěn)定在用戶設定的面風速。由于采用了液晶顯示器，操作簡單，直觀。多種工作模式(待機、強制排風、有人／無人排風)使本裝置更節(jié)能實用。采用了先進的風速標定方法，能更精確地檢測實際風速，從而實現(xiàn)實時、準確的排風控制。

1 工作原理
實驗室產(chǎn)生的有毒有害氣體必須及時排除，在衡量通風柜的標準是要滿足：有害氣體不能溢出也不能再柜內(nèi)產(chǎn)生紊流。所以，面風速即通風柜窗口的平均風速，是衡量通風柜性能的主要技術參數(shù)。
國家對通風柜面風速規(guī)定標準為：0．4～0．6 m／s。排風量(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)的通風柜，當操作門全開時，如果滿足0．3～0．5 m／s的面風速，當操作門開啟一半或全關閉時，面風速將超過設計值，大大影響排風及實驗效果。
因此，如何有效地控制面風速是對通風柜排風的有效保障。本設計采用了柜門行程及風速控制法，能使柜門處于不同高度是通風柜面風速保持在設定值。
通風柜的實際通風量可用下式表示：
Q=SV=SWH (2)
式中：S為操作口開啟面積(單位：m2)；V為面風速(單位：m／s)；W為通風柜的開口寬度(單位：m)；H為通風柜開窗高度(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)設定的面風速和式(2)計算出設定的風量信號，進而可以得出在當前柜門高度下，要得到設定風速所需的閥門開度。再根據(jù)風速傳感器測出的實時風量并轉(zhuǎn)換成相應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)風速控制。

2 系統(tǒng)結構
通風柜控制器電路的主要功能是完成響應外界環(huán)境的輸入，如有人無人狀態(tài)輸入、窗開度、反饋輸入量、人工設定輸入量等。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。控制器將當前排風柜的排風量通過RS 485總線傳輸?shù)窖a風控制器，與上位機之間通過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)設置時，可以批量進行，大大簡化了操作量。上位機軟件可用LabVIEW或者VB開發(fā)。
硬件電路包括人機交互電路，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；風速檢測電路及串口通訊部分。系統(tǒng)結構如圖1所示。