摘要：介紹了一種主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)柜的排風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(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(yīng)用于核醫(yī)學(xué)科和普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

關(guān)鍵詞：ARM； PID控制； 變風(fēng)量控制； 排風(fēng)控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN91934文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(xiàng)目：上海市教委創(chuàng)新項(xiàng)目（ID：10YZ103）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(jì)算與控制，來(lái)管理通風(fēng)柜上的各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況。與利用傳感器器取出通風(fēng)柜各項(xiàng)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(yùn)行可靠性與簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)備的繁雜性。本設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，直觀。多種工作模式（待機(jī)、強(qiáng)制排風(fēng)、有人/無(wú)人排風(fēng)）使本裝置更節(jié)能實(shí)用。采用了先進(jìn)的風(fēng)速標(biāo)定方法，能更精確地檢測(cè)實(shí)際風(fēng)速，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的排風(fēng)控制。

1工作原理

實(shí)驗(yàn)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(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(guó)家對(duì)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(jì)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(shù)（1.05~1.1）。

從式（1）可以看出，對(duì)于沒(méi)有調(diào)節(jié)系統(tǒng)的通風(fēng)柜，當(dāng)操作門全開(kāi)時(shí)，如果滿足0.3~0.5 m/s的面風(fēng)速，當(dāng)操作門開(kāi)啟一半或全關(guān)閉時(shí)，面風(fēng)速將超過(guò)設(shè)計(jì)值，大大影響排風(fēng)及實(shí)驗(yàn)效果。

因此，如何有效地控制面風(fēng)速是對(duì)通風(fēng)柜排風(fēng)的有效保障。本設(shè)計(jì)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(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）。采用柜門上的傳感器將柜門的行程信號(hào)變送到控制器，控制器根據(jù)設(shè)定的面風(fēng)速和式（2）計(jì)算出設(shè)定的風(fēng)量信號(hào)，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(kāi)度。再根據(jù)風(fēng)速傳感器測(cè)出的實(shí)時(shí)風(fēng)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的閥門開(kāi)度的電信號(hào)。在ARM內(nèi)通過(guò)PID控制得出一個(gè)輸出電壓，控制閥門開(kāi)度，從而實(shí)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(wú)人狀態(tài)輸人、窗開(kāi)度、反饋輸入量、人工設(shè)定輸入量等。通過(guò)判斷和計(jì)算， 輸出一定的電壓控制文丘里閥門， 形成一個(gè)閉環(huán)控制?？刂破鲗?dāng)前排風(fēng)柜的排風(fēng)量通過(guò)RS 485總線傳輸?shù)窖a(bǔ)風(fēng)控制器，與上位機(jī)之間通過(guò)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(shí)施監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置時(shí)，可以批量進(jìn)行，大大簡(jiǎn)化了操作量。上位機(jī)軟件可用LabVIEW或者VB開(kāi)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(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(cè)電路及串口通訊部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1A/D采樣及D/A輸出

A/D，D/A電路主要實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換匹配及模擬信號(hào)濾波等功能。模擬信號(hào)分別為窗高度輸入Hx：通過(guò)拉線變阻器或者超聲波測(cè)距實(shí)時(shí)采集控制柜窗口高度，輸入信號(hào)字0~10 V范圍內(nèi)線性變化，用于獲得期望風(fēng)量；閥門反饋輸入f：閥門開(kāi)度反饋，反應(yīng)當(dāng)前實(shí)時(shí)風(fēng)量。0~10 V線性變化；有人/無(wú)人輸入Z：通過(guò)人體傳感器檢測(cè)通風(fēng)柜前扇形區(qū)域內(nèi)是否有人，并將有人/無(wú)人狀態(tài)轉(zhuǎn)換為+12 V/0 V電壓值。輸出模擬信號(hào)為閥門驅(qū)動(dòng)信號(hào)，線性變化的電壓控制閥門的開(kāi)度。

2.2人機(jī)界面

包括鍵盤、LED指示燈和液晶顯示器，實(shí)現(xiàn)信息的輸入，數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警作用。該電路由PCA9555單元單獨(dú)完成。PCA9555是24引腳的CMOS設(shè)備，它提供了I2CBus/SMBus 應(yīng)用中的16位通用并行輸入/輸出口GPIO的擴(kuò)展。且通訊頻率始終能達(dá)到400 kHz。按鍵采用低電平中斷觸發(fā)方式。

電源電路實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)同一端口同時(shí)輸人交流或直流電源， 適應(yīng)不同環(huán)境需要。整流以后， 通過(guò)TL2575HV12IKV單元電路， 將電壓穩(wěn)定到+12 V。后繼采用電壓轉(zhuǎn)化電路產(chǎn)生+5 V和+3.3 V電源。

2.3ModBus

ModBus串行鏈路協(xié)議是主-從協(xié)議，RTU模式在相同波特率下比ASCII模式有更高的數(shù)據(jù)吞吐量，故采用RTU模式。RTU模式是通過(guò)判斷時(shí)間間隔來(lái)區(qū)分字符和報(bào)文幀的，時(shí)長(zhǎng)至少為3．5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔將報(bào)文幀區(qū)分開(kāi)。同時(shí)，整個(gè)報(bào)文必須以連續(xù)的字符流發(fā)送，幀內(nèi)2個(gè)字符之間的間隔小于1.5個(gè)字符時(shí)間。RTU報(bào)文幀如下所示：

起始地址功能碼數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)結(jié)束≥3.5字符8 b8 bN×8 b16 b≥3.5字符

ModBus協(xié)議規(guī)定了20多種功能碼，本設(shè)計(jì)只用到其中幾種操作。上位機(jī)機(jī)發(fā)送讀保持寄存器（功能碼03），寫(xiě)單個(gè)寄存器（功能碼06）和寫(xiě)多個(gè)寄存器（功能碼16）3種命令完成對(duì)ARM的讀寫(xiě)功能。下位機(jī)程序負(fù)責(zé)對(duì)上位機(jī)命令進(jìn)行響應(yīng)并將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)。

3系統(tǒng)運(yùn)行及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信息量的采集、通信、參數(shù)設(shè)置和信息顯示。根據(jù)國(guó)家通風(fēng)柜對(duì)面風(fēng)速0.4~0.6 m/s的標(biāo)準(zhǔn)，控制器根據(jù)通風(fēng)柜窗開(kāi)度Hx，閥門反饋Fb和設(shè)定風(fēng)速Vf計(jì)算出閥門控制電壓Vout(fx)用以控制風(fēng)速保持在這一范圍內(nèi)。并且將實(shí)際風(fēng)量L和風(fēng)速V顯示在液晶面板上。計(jì)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(fēng)調(diào)整；Hmax，Hmin為窗開(kāi)度的最高和最低位置，Zmax，Zmin為其對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；Hx為窗開(kāi)度的實(shí)際值；a，b為閥門開(kāi)度與風(fēng)量關(guān)系參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定；Fb為閥門反饋電壓。