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實驗室通風櫃控制器的設計

 

通風櫃控制器是通風櫃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,來管理通風櫃上的各種機電設備的運行情況。與利用傳感器器取出通風櫃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、准確的排風控制。 
  1工作原理 
  實驗室産生的有毒有害氣體必須及時排除,在衡量通風櫃的標准是要滿足:有害氣體不能溢出也不能再櫃內産生紊流。所以,面風速即通風櫃窗口的平均風速,是衡量通風櫃性能的主要技術參數。 
  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,如何有效地控制面風速是對通風櫃排風的有效保障。本設計采用了櫃門行程及風速控制法,能使櫃門處于不同高度是通風櫃面風速保持在設定值。 
  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系統結構 
  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, 如有人无人状态输人、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电路主要实现电压转换匹配及模拟信号滤波等功能。模拟信号分别为窗高度输入Hx:通过拉线变阻器或者超声波测距实时采集控制柜窗口高度,输入信号字0~10 V范围内线性变化,用于获得期望风量;阀门反馈输入f:阀门开度反馈,反应当前实时风量。0~10 V线性变化;有人/无人输入Z:通过人体传感器检测通风柜前扇形区域内是否有人,并将有人/无人状态转换为+12 V/0 V电压值。输出模拟信号为阀门驱动信号,线性变化的电压控制阀门的开度。 
  2.2人機界面 
  包括键盘、LED指示灯和液晶显示器,实现信息的输入,数据显示和报警作用。该电路由PCA9555单元单独完成。PCA9555是24引脚的CMOS设备,它提供了I2C睟us/SMBus 应用中的16位通用并行输入/输出口GPIO的扩展。且通讯频率始终能达到400 kHz。按键采用低电平中断触发方式。 
  电源电路实现同一端口AC/DC 24V输入,输出直流±12 V,+5 V和+3.3 V。输人端采用半桥整流电路, 实现同一端口同时输人交流或直流电源, 适应不同环境需要。整流以后, 通过TL2575HV12IKV单元电路, 将电压稳定到+12 V。后继采用电压转化电路产生+5 V和+3.3 V电源。 
  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,時長至少爲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: 
  起始地址功能码数据CRC校验结束≥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並將數據發送回主機。 
  3系統運行及實現 
  系统主要实现信息量的采集、通信、参数设置和信息显示。根据国家通风柜对面风速0.4~0.6 m/s的标准,控制器根据通风柜窗开度Hx,阀门反馈Fb和设定风速Vf计算出阀门控制电压Vout(fx)用以控制风速保持在这一范围内。并且将实际风量L和风速V显示在液晶面板上。计算公式如下式: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,爲漏風調整;Hmax,Hmin爲窗開度的最高和最低位置,Zmax,Zmin爲其對應的電壓信號;Hx爲窗開度的實際值;a,b爲閥門開度與風量關系參數,根據現場標定;Fb爲閥門反饋電壓。 

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