摘要：介紹了一種主要應用于實(shí)驗柜的排風(fēng)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(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)）。該裝置可有效地應用于核醫學(xué)科和普通化學(xué)實(shí)驗室。 

通風(fēng)柜控制器是通風(fēng)柜上面的微電腦控制器。利用微機執行繁雜的邏輯計算與控制，來(lái)管理通風(fēng)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(fēng)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(jiǎn)化系統設備的繁雜性。本設計采用的是PID控制，使排風(fēng)風(fēng)速能穩定在用戶(hù)設定的面風(fēng)速。由于采用了液晶顯示器，操作簡(jiǎn)單，直觀(guān)。多種工作模式（待機、強制排風(fēng)、有人/無(wú)人排風(fēng)）使本裝置更節能實(shí)用。采用了先進(jìn)的風(fēng)速標定方法，能更精確地檢測實(shí)際風(fēng)速，從而實(shí)現實(shí)時(shí)、準確的排風(fēng)控制。 

　　1工作原理 
　　實(shí)驗室產(chǎn)生的有毒有害氣體必須及時(shí)排除，在衡量通風(fēng)柜的標準是要滿(mǎn)足：有害氣體不能溢出也不能再柜內產(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。 
　　國家對通風(fēng)柜面風(fēng)速規定標準為：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(kāi)啟面積(單位：m2)；V為面風(fēng)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(méi)有調節系統的通風(fēng)柜，當操作門(mén)全開(kāi)時(shí)，如果滿(mǎn)足0.3~0.5 m/s的面風(fēng)速，當操作門(mén)開(kāi)啟一半或全關(guān)閉時(shí)，面風(fēng)速將超過(guò)設計值，大大影響排風(fēng)及實(shí)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。本設計采用了柜門(mén)行程及風(fēng)速控制法，能使柜門(mén)處于不同高度是通風(fēng)柜面風(fēng)速保持在設定值。 
　　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(mén)上的傳感器將柜門(mén)的行程信號變送到控制器，控制器根據設定的面風(fēng)速和式（2）計算出設定的風(fēng)量信號，進(jìn)而可以得出在當前柜門(mén)高度下，要得到設定風(fēng)速所需的閥門(mén)開(kāi)度。再根據風(fēng)速傳感器測出的實(shí)時(shí)風(fēng)量并轉換成相應的閥門(mén)開(kāi)度的電信號。在A(yíng)RM內通過(guò)PID控制得出一個(gè)輸出電壓，控制閥門(mén)開(kāi)度，從而實(shí)現風(fēng)速控制。 
　　2系統結構 
　　通風(fēng)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(wú)人狀態(tài)輸人、窗開(kāi)度、反饋輸入量、人工設定輸入量等。通過(guò)判斷和計算, 輸出一定的電壓控制文丘里閥門(mén), 形成一個(gè)閉環(huán)控制?？刂破鲗斍芭棚L(fēng)柜的排風(fēng)量通過(guò)RS 485總線(xiàn)傳輸到補風(fēng)控制器，與上位機之間通過(guò)ModBus協(xié)議通信，也采用RS 485總線(xiàn)形式，選用RSM 485低功耗芯片做電平轉換。在實(shí)施監控和參數設置時(shí)，可以批量進(jìn)行，大大簡(jiǎn)化了操作量。上位機軟件可用LabVIEW或者VB開(kāi)發(fā)。 
　　硬件電路包括人機交互電路，如鍵盤(pán)，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(shí)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(guò)拉線(xiàn)變阻器或者超聲波測距實(shí)時(shí)采集控制柜窗口高度，輸入信號字0~10 V范圍內線(xiàn)性變化，用于獲得期望風(fēng)量；閥門(mén)反饋輸入f：閥門(mén)開(kāi)度反饋，反應當前實(shí)時(shí)風(fēng)量。0~10 V線(xiàn)性變化；有人/無(wú)人輸入Z：通過(guò)人體傳感器檢測通風(fēng)柜前扇形區域內是否有人，并將有人/無(wú)人狀態(tài)轉換為+12 V/0 V電壓值。輸出模擬信號為閥門(mén)驅動(dòng)信號，線(xiàn)性變化的電壓控制閥門(mén)的開(kāi)度。 
　　2.2人機界面 
　　包括鍵盤(pán)、LED指示燈和液晶顯示器，實(shí)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(fā)方式。 
　　電源電路實(shí)現同一端口A(yíng)C/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)現同一端口同時(shí)輸人交流或直流電源, 適應不同環(huán)境需要。整流以后, 通過(guò)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(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模式有更高的數據吞吐量，故采用RTU模式。RTU模式是通過(guò)判斷時(shí)間間隔來(lái)區分字符和報文幀的，時(shí)長(cháng)至少為3．5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔將報文幀區分開(kāi)。同時(shí)，整個(gè)報文必須以連續的字符流發(fā)送，幀內2個(gè)字符之間的間隔小于1.5個(gè)字符時(shí)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(xié)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(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ARM的讀寫(xiě)功能。下位機程序負責對上位機命令進(jìn)行響應并將數據發(fā)送回主機。 
　　3系統運行及實(shí)現 
　　系統主要實(shí)現信息量的采集、通信、參數設置和信息顯示。根據國家通風(fēng)柜對面風(fēng)速0.4~0.6 m/s的標準，控制器根據通風(fēng)柜窗開(kāi)度Hx，閥門(mén)反饋Fb和設定風(fēng)速Vf計算出閥門(mén)控制電壓Vout(fx)用以控制風(fēng)速保持在這一范圍內。并且將實(shí)際風(fēng)量L和風(fēng)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(fēng)調整；Hmax，Hmin為窗開(kāi)度的最高和最低位置，Zmax，Zmin為其對應的電壓信號；Hx為窗開(kāi)度的實(shí)際值；a，b為閥門(mén)開(kāi)度與風(fēng)量關(guān)系參數，根據現場(chǎng)標定；Fb為閥門(mén)反饋電壓。