一种实验室通风柜控制器的设计

摘要：介绍了一种主要应用于实验柜的排风控制系统的设计。此装置包括微控制单元、执行器单元、传感器输入单元、显示单元和操作单元5大部分，使通风柜具有智能化、变风量控制功能。通风量的大小完全由电脑控制，操作简单，保证排出有害气体的效果始终处于最佳状态，不仅能精确地控制排风量，还可以降低能耗、减小噪声，甚至无噪声工作(有多种工作状态)。该装置可有效地应用于核医学科和普通化学实验室。
关键词：ARM；PID控制；变风量控制；排风控制系统

0 引言
通风柜控制器是通风柜上面的微电脑控制器。利用微机执行繁杂的逻辑计算与控制，来管理通风柜上的各种机电设备的运行情况。与利用传感器器取出通风柜各项物理参数以供操作者使用。利用微机可以极大提高各种设备的运行可靠性与简化系统设备的繁杂性。本设计采用的是PID控制，使排风风速能稳定在用户设定的面风速。由于采用了液晶显示器，操作简单，直观。多种工作模式(待机、强制排风、有人／无人排风)使本装置更节能实用。采用了先进的风速标定方法，能更精确地检测实际风速，从而实现实时、准确的排风控制。

1 工作原理
实验室产生的有毒有害气体必须及时排除，在衡量通风柜的标准是要满足：有害气体不能溢出也不能再柜内产生紊流。所以，面风速即通风柜窗口的平均风速，是衡量通风柜性能的主要技术参数。
国家对通风柜面风速规定标准为：0．4～0．6 m／s。排风量(单位：m3／h)计算公式为：
L=3 600×SVβ (1)
式中：S为操作口开启面积(单位：m2)；V为面风速(单位：m／s)；β为安全系数(1．05～1．1)。
从式(1)可以看出，对于没有调节系统的通风柜，当操作门全开时，如果满足0．3～0．5 m／s的面风速，当操作门开启一半或全关闭时，面风速将超过设计值，大大影响排风及实验效果。
因此，如何有效地控制面风速是对通风柜排风的有效保障。本设计采用了柜门行程及风速控制法，能使柜门处于不同高度是通风柜面风速保持在设定值。
通风柜的实际通风量可用下式表示：
Q=SV=SWH (2)
式中：S为操作口开启面积(单位：m2)；V为面风速(单位：m／s)；W为通风柜的开口宽度(单位：m)；H为通风柜开窗高度(单位：m)。采用柜门上的传感器将柜门的行程信号变送到控制器，控制器根据设定的面风速和式(2)计算出设定的风量信号，进而可以得出在当前柜门高度下，要得到设定风速所需的阀门开度。再根据风速传感器测出的实时风量并转换成相应的阀门开度的电信号。在ARM内通过PID控制得出一个输出电压，控制阀门开度，从而实现风速控制。

2 系统结构
通风柜控制器电路的主要功能是完成响应外界环境的输入，如有人无人状态输入、窗开度、反馈输入量、人工设定输入量等。通过判断和计算，输出一定的电压控制文丘里阀门，形成一个闭环控制。控制器将当前排风柜的排风量通过RS 485总线传输到补风控制器，与上位机之间通过ModBus协议通信，也采用RS 485总线形式，选用RSM 485低功耗芯片做电平转换。在实施监控和参数设置时，可以批量进行，大大简化了操作量。上位机软件可用LabVIEW或者VB开发。
硬件电路包括人机交互电路，如键盘，液晶，蜂鸣器；A／D采样电路，如有人无人A／D电路，窗开度A／D电路，反馈输入A／D电路；D／A电路；风速检测电路及串口通讯部分。系统结构如图1所示。