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，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)。該裝置可有效地應用于核醫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

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設備的繁雜性。本設計采用的是PID控制，使排風風速能穩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，從而實現實時、準確的排風控制。

1 工作原理
實驗室產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產生紊流。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。
國家對通風柜面風速規定標準為：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(1．05～1．1)。
從式(1)可以看出，對于沒有調節系統的通風柜，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。再根據風速傳感器測出的實時風量并轉換成相應的閥門開度的電信號。在ARM內通過PID控制得出一個輸出電壓，控制閥門開度，從而實現風速控制。

2 系統結構
通風柜控制器電路的主要功能是完成響應外界環境的輸入，如有人無人狀態輸入、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，形成一個閉環控制?？刂破鲗斍芭棚L柜的排風量通過RS 485總線傳輸到補風控制器，與上位機之間通過ModBus協議通信，也采用RS 485總線形式，選用RSM 485低功耗芯片做電平轉換。在實施監控和參數設置時，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。
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。系統結構如圖1所示。