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

中圖分類號：TN91934文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2012)04008902

Design of controller for lab fume hood

CHENG Jian YU Lianzhi

（School of Optoelectronic and Computer Engineering， Shanghai University of Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： The design of an air exhaust control system mainly used in lab fume hood is introduced. This device is composed of MCU， final control unit， sensor input unit， display unit and operating unit. All of this makes the fume hood intelligent and to achieve VAV control function. The volume of ventilation is totally controlled by a computer. It is easy to operate and can guarantee the effect of discharge of harmful gas at the optimal status. It can control the air exhaust rate precisely， and reduce the power consumption and noise. The device can effectively be used in the nuclear medicine and common chemical labs.

Keywords： ARM; PID control; VAV control; air exhaust control system

收稿日期：20110915

基金項目：上海市教委創新項目（ID：10YZ103）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， 如有人無人狀態輸人、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。

圖1系統結構2.1A/D采樣及D/A輸出

A/D，D/A電路主要實現電壓轉換匹配及模擬信號濾波等功能。模擬信號分別為窗高度輸入Hx：通過拉線變阻器或者超聲波測距實時采集控制柜窗口高度，輸入信號字0~10 V范圍內線性變化，用于獲得期望風量；閥門反饋輸入f：閥門開度反饋，反應當前實時風量。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柜前扇形區域內是否有人，并將有人/無人狀態轉換為+12 V/0 V電壓值。輸出模擬信號為閥門驅動信號，線性變化的電壓控制閥門的開度。

2.2人機界面

包括鍵盤、LED指示燈和液晶顯示器，實現信息的輸入，數據顯示和報警作用。該電路由PCA9555單元單獨完成。PCA9555是24引腳的CMOS設備，它提供了I2CBus/SMBus 應用中的16位通用并行輸入/輸出口GPIO的擴展。且通訊頻率始終能達到400 kHz。按鍵采用低電平中斷觸發方式。

電源電路實現同一端口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， 實現同一端口同時輸人交流或直流電源， 適應不同環境需要。整流以后， 通過TL2575HV12IKV單元電路， 將電壓穩定到+12 V。后繼采用電壓轉化電路產生+5 V和+3.3 V電源。

2.3ModBus

ModBus串行鏈路協議是主-從協議，RTU模式在相同波特率下比ASCII模式有更高的數據吞吐量，故采用RTU模式。RTU模式是通過判斷時間間隔來區分字符和報文幀的，時長至少為3．5個字符時間的空閑間隔將報文幀區分開。同時，整個報文必須以連續的字符流發送，幀內2個字符之間的間隔小于1.5個字符時間。RTU報文幀如下所示：

起始地址功能碼數據CRC校驗結束≥3.5字符8 b8 bN×8 b16 b≥3.5字符

ModBus協議規定了20多種功能碼，本設計只用到其中幾種操作。上位機機發送讀保持寄存器（功能碼03），寫單個寄存器（功能碼06）和寫多個寄存器（功能碼16）3種命令完成對ARM的讀寫功能。下位機程序負責對上位機命令進行響應并將數據發送回主機。

3系統運行及實現

系統主要實現信息量的采集、通信、參數設置和信息顯示。根據國家通風柜對面風速0.4~0.6 m/s的標準，控制器根據通風柜窗開度Hx，閥門反饋Fb和設定風速Vf計算出閥門控制電壓Vout(fx)用以控制風速保持在這一范圍內。并且將實際風量L和風速V顯示在液晶面板上。計算公式如下式：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，為漏風調整；Hmax，Hmin為窗開度的最高和最低位置，Zmax，Zmin為其對應的電壓信號；Hx為窗開度的實際值；a，b為閥門開度與風量關系參數，根據現場標定；Fb為閥門反饋電壓。