通(tong)(tong)風(feng)(feng)(feng)柜(ju)(ju)(ju)控(kong)制器(qi)(qi)是通(tong)(tong)風(feng)(feng)(feng)柜(ju)(ju)(ju)上面的(de)微電腦控(kong)制器(qi)(qi)。利用(yong)微機(ji)執行繁雜的(de)邏輯計算與控(kong)制，來(lai)管(guan)理通(tong)(tong)風(feng)(feng)(feng)柜(ju)(ju)(ju)上的(de)各(ge)種機(ji)電設備的(de)運行情況(kuang)。與利用(yong)傳感(gan)器(qi)(qi)器(qi)(qi)取(qu)出通(tong)(tong)風(feng)(feng)(feng)柜(ju)(ju)(ju)各(ge)項物理參數以供操作(zuo)者使(shi)(shi)用(yong)。利用(yong)微機(ji)可以極(ji)大(da)提高各(ge)種設備的(de)運行可靠性(xing)與簡(jian)化(hua)系統設備的(de)繁雜性(xing)。本(ben)設計采(cai)用(yong)的(de)是PID控(kong)制，使(shi)(shi)排(pai)風(feng)(feng)(feng)風(feng)(feng)(feng)速能穩定在(zai)用(yong)戶設定的(de)面風(feng)(feng)(feng)速。由于采(cai)用(yong)了(le)液(ye)晶顯示器(qi)(qi)，操作(zuo)簡(jian)單，直觀。多種工作(zuo)模式(shi)（待機(ji)、強制排(pai)風(feng)(feng)(feng)、有人(ren)/無人(ren)排(pai)風(feng)(feng)(feng)）使(shi)(shi)本(ben)裝置更節能實(shi)(shi)用(yong)。采(cai)用(yong)了(le)先(xian)進的(de)風(feng)(feng)(feng)速標定方法，能更地檢(jian)測實(shi)(shi)際風(feng)(feng)(feng)速，從而實(shi)(shi)現實(shi)(shi)時、準確的(de)排(pai)風(feng)(feng)(feng)控(kong)制。
1工作原理(li)
實驗室產生的有毒有害氣體必須及時排除，在衡量實驗室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(jia)對通風(feng)(feng)柜面風(feng)(feng)速(su)規定標(biao)準為(wei)(wei)：0.4~0.6 m/s。排(pai)風(feng)(feng)量（單(dan)位：m3/h）計算(suan)公式(shi)為(wei)(wei)：L=3 600×SVβ（1）式(shi)中：S為(wei)(wei)操作(zuo)口開啟面積（單(dan)位：m2）；V為(wei)(wei)面風(feng)(feng)速(su)（單(dan)位:m/s）；β為(wei)(wei)安全系(xi)數（1.05~1.1）。
從式（1）可以看(kan)出，對于沒有調節系統的通風柜，當(dang)操(cao)作門全(quan)開(kai)時，如果(guo)滿足0.3~0.5 m/s的面風速(su)(su)，當(dang)操(cao)作門開(kai)啟(qi)一半或(huo)全(quan)關閉(bi)時，面風速(su)(su)將(jiang)超過設計(ji)值，大(da)大(da)影響(xiang)排風及實(shi)驗效(xiao)果(guo)。
因此，如(ru)何有效(xiao)地(di)控(kong)制(zhi)(zhi)面(mian)風速(su)(su)是對通風柜(ju)排風的(de)有效(xiao)保(bao)障。本設計采(cai)用了柜(ju)門行程及風速(su)(su)控(kong)制(zhi)(zhi)法，能使柜(ju)門處于不同高度(du)是通風柜(ju)面(mian)風速(su)(su)保(bao)持在(zai)設定值。
通(tong)風(feng)(feng)柜(ju)(ju)(ju)(ju)的(de)(de)實(shi)際通(tong)風(feng)(feng)量可(ke)用下式(shi)(shi)(shi)表示：Q=SV=SWH （2）式(shi)(shi)(shi)中(zhong)：S為(wei)(wei)操作口(kou)(kou)開啟面(mian)積（單位：m2）；V為(wei)(wei)面(mian)風(feng)(feng)速(su)(su)（單位：m/s）；W為(wei)(wei)通(tong)風(feng)(feng)柜(ju)(ju)(ju)(ju)的(de)(de)開口(kou)(kou)寬度（單位：m）；H為(wei)(wei)通(tong)風(feng)(feng)柜(ju)(ju)(ju)(ju)開窗高(gao)度（單位：m）。采用柜(ju)(ju)(ju)(ju)門(men)上的(de)(de)傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)將(jiang)柜(ju)(ju)(ju)(ju)門(men)的(de)(de)行程信號(hao)變送到控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)(qi)，控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)(qi)根據設定(ding)(ding)的(de)(de)面(mian)風(feng)(feng)速(su)(su)和式(shi)(shi)(shi)（2）計算出設定(ding)(ding)的(de)(de)風(feng)(feng)量信號(hao)，進而可(ke)以得出在(zai)當前柜(ju)(ju)(ju)(ju)門(men)高(gao)度下，要(yao)得到設定(ding)(ding)風(feng)(feng)速(su)(su)所需的(de)(de)閥(fa)門(men)開度。再根據風(feng)(feng)速(su)(su)傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)測出的(de)(de)實(shi)時風(feng)(feng)量并轉換成相應(ying)的(de)(de)閥(fa)門(men)開度的(de)(de)電信號(hao)。在(zai)ARM內通(tong)過PID控(kong)制(zhi)得出一個輸出電壓，控(kong)制(zhi)閥(fa)門(men)開度，從而實(shi)現風(feng)(feng)速(su)(su)控(kong)制(zhi)。
2系統結構(gou)
通(tong)風柜(ju)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器電(dian)路的(de)(de)主要(yao)功能是完成響應外界環境(jing)的(de)(de)輸(shu)(shu)入(ru), 如有人無人狀態輸(shu)(shu)人、窗開度、反饋輸(shu)(shu)入(ru)量、人工設定輸(shu)(shu)入(ru)量等。通(tong)過(guo)判斷和計(ji)算(suan), 輸(shu)(shu)出一定的(de)(de)電(dian)壓控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)文丘里閥門, 形成一個閉環控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)。控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器將當前排風柜(ju)的(de)(de)排風量通(tong)過(guo)RS 485總線傳輸(shu)(shu)到補風控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器，與上位(wei)機之間通(tong)過(guo)ModBus協議(yi)通(tong)信，也(ye)采用RS 485總線形式，選用RSM 485低功耗芯(xin)片做電(dian)平(ping)轉換。在實施監控(kong)(kong)和參數設置時，可以批量進行，大大簡化了操作量。上位(wei)機軟件可用LabVIEW或者(zhe)VB開發。
硬件(jian)電(dian)(dian)(dian)路(lu)包(bao)括人(ren)(ren)機交互電(dian)(dian)(dian)路(lu)，如鍵盤，液(ye)晶(jing)，蜂鳴器；A/D采樣電(dian)(dian)(dian)路(lu)，如有人(ren)(ren)無人(ren)(ren)A/D電(dian)(dian)(dian)路(lu)，窗(chuang)開度(du)A/D電(dian)(dian)(dian)路(lu)，反(fan)饋(kui)輸(shu)入A/D電(dian)(dian)(dian)路(lu)；D/A電(dian)(dian)(dian)路(lu)；風速檢測電(dian)(dian)(dian)路(lu)及串口通訊部分(fen)。系(xi)統結構如圖1所示。
圖1系統結構(gou)2.1A/D采樣(yang)及D/A輸出
A/D，D/A電(dian)路主要實(shi)(shi)現電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換匹配及模擬(ni)信(xin)號(hao)濾波(bo)等功能。模擬(ni)信(xin)號(hao)分別為窗高(gao)(gao)度輸(shu)入(ru)(ru)Hx：通過(guo)拉線(xian)變阻器(qi)或者超聲(sheng)波(bo)測距實(shi)(shi)時采集控制(zhi)柜窗口高(gao)(gao)度，輸(shu)入(ru)(ru)信(xin)號(hao)字0~10 V范圍內線(xian)性變化(hua)，用于獲得期(qi)望風量(liang)；閥(fa)門(men)(men)(men)反饋輸(shu)入(ru)(ru)f：閥(fa)門(men)(men)(men)開(kai)度反饋，反應當前實(shi)(shi)時風量(liang)。0~10 V線(xian)性變化(hua)；有(you)人(ren)/無人(ren)輸(shu)入(ru)(ru)Z：通過(guo)人(ren)體傳感器(qi)檢測通風柜前扇形區(qu)域內是否有(you)人(ren)，并將有(you)人(ren)/無人(ren)狀態轉(zhuan)換為+12 V/0 V電(dian)壓(ya)值。輸(shu)出模擬(ni)信(xin)號(hao)為閥(fa)門(men)(men)(men)驅動(dong)信(xin)號(hao)，線(xian)性變化(hua)的電(dian)壓(ya)控制(zhi)閥(fa)門(men)(men)(men)的開(kai)度。
2.2人機(ji)界面
包(bao)括鍵盤、LED指示(shi)燈和液晶顯(xian)示(shi)器，實現信(xin)息的輸入(ru)，數據(ju)顯(xian)示(shi)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(bei)，它提(ti)供了I2CBus/SMBus 應用中的16位通(tong)用并行輸入(ru)/輸出(chu)口(kou)GPIO的擴展。且通(tong)訊頻率始終(zhong)能達到400 kHz。按鍵采用低電平中斷觸發方式。
電(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)路(lu)實(shi)現同一(yi)(yi)端口AC/DC 24V輸入，輸出(chu)直(zhi)流(liu)±12 V,+5 V和+3.3 V。輸人端采用(yong)半(ban)橋整流(liu)電(dian)(dian)路(lu), 實(shi)現同一(yi)(yi)端口同時(shi)輸人交流(liu)或直(zhi)流(liu)電(dian)(dian)源(yuan), 適(shi)應不同環境需要。整流(liu)以(yi)后, 通過TL2575HV12IKV單元(yuan)電(dian)(dian)路(lu), 將電(dian)(dian)壓穩定到+12 V。后繼采用(yong)電(dian)(dian)壓轉化(hua)電(dian)(dian)路(lu)產(chan)生(sheng)+5 V和+3.3 V電(dian)(dian)源(yuan)。
2.3ModBus
ModBus串行鏈(lian)路協議是(shi)(shi)主-從(cong)協議，RTU模(mo)式在相同波特率下(xia)比ASCII模(mo)式有更高(gao)的數據吞吐量，故采用RTU模(mo)式。RTU模(mo)式是(shi)(shi)通過判斷時間(jian)間(jian)隔來(lai)區分字符(fu)和報文(wen)幀的，時長至少為(wei)3．5個(ge)字符(fu)時間(jian)的空(kong)閑間(jian)隔將(jiang)報文(wen)幀區分開。同時，整個(ge)報文(wen)必須(xu)以連續的字符(fu)流(liu)發(fa)送，幀內(nei)2個(ge)字符(fu)之間(jian)的間(jian)隔小于(yu)1.5個(ge)字符(fu)時間(jian)。RTU報文(wen)幀如下(xia)所示：
起始地(di)址(zhi)功能碼數(shu)據CRC校(xiao)驗結束(shu)≥3.5字(zi)符8 b8 bN×8 b16 b≥3.5字(zi)符
ModBus協議(yi)規定了(le)20多(duo)種(zhong)功(gong)能(neng)碼(ma)，本設(she)計只用到其中幾種(zhong)操作。上位(wei)機(ji)機(ji)發送(song)讀(du)保持寄(ji)(ji)存(cun)器(qi)（功(gong)能(neng)碼(ma)03），寫單個(ge)寄(ji)(ji)存(cun)器(qi)（功(gong)能(neng)碼(ma)06）和寫多(duo)個(ge)寄(ji)(ji)存(cun)器(qi)（功(gong)能(neng)碼(ma)16）3種(zhong)命(ming)令完成對ARM的讀(du)寫功(gong)能(neng)。下位(wei)機(ji)程序負(fu)責對上位(wei)機(ji)命(ming)令進(jin)行響應并將數據發送(song)回主(zhu)機(ji)。
3系統運行及(ji)實現
系統主要實現信(xin)息量(liang)的(de)采集(ji)、通(tong)信(xin)、參數設(she)置(zhi)和(he)信(xin)息顯示(shi)。根(gen)據國家通(tong)風(feng)(feng)(feng)柜對面風(feng)(feng)(feng)速(su)(su)(su)0.4~0.6 m/s的(de)標準，控制(zhi)器(qi)根(gen)據通(tong)風(feng)(feng)(feng)柜窗開度Hx，閥門(men)反饋Fb和(he)設(she)定風(feng)(feng)(feng)速(su)(su)(su)Vf計算出(chu)閥門(men)控制(zhi)電壓Vout（fx）用以控制(zhi)風(feng)(feng)(feng)速(su)(su)(su)保(bao)持(chi)在(zai)這一范圍內。并且將實際(ji)風(feng)(feng)(feng)量(liang)L和(he)風(feng)(feng)(feng)速(su)(su)(su)V顯示(shi)在(zai)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(shi)中：k=0.06~0.42；n=0.6~1.4，為(wei)(wei)漏風調整；Hmax，Hmin為(wei)(wei)窗(chuang)開度(du)的(de)zui高和zui低位置，Zmax，Zmin為(wei)(wei)其對(dui)應(ying)的(de)電(dian)壓信(xin)號；Hx為(wei)(wei)窗(chuang)開度(du)的(de)實際值(zhi)；a，b為(wei)(wei)閥門開度(du)與風量關系參數，根(gen)據現場標定；Fb為(wei)(wei)閥門反饋電(dian)壓。
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