通(tong)(tong)風(feng)柜(ju)(ju)控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)是通(tong)(tong)風(feng)柜(ju)(ju)上面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微電腦控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)。利(li)(li)用微機(ji)執行(xing)(xing)繁(fan)雜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)邏輯計算與(yu)控(kong)制(zhi)(zhi)，來(lai)管理(li)通(tong)(tong)風(feng)柜(ju)(ju)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)各種機(ji)電設備(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運行(xing)(xing)情(qing)況。與(yu)利(li)(li)用傳感(gan)器(qi)器(qi)取出通(tong)(tong)風(feng)柜(ju)(ju)各項物理(li)參(can)數(shu)以供操(cao)作者(zhe)使用。利(li)(li)用微機(ji)可以極大提高(gao)各種設備(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運行(xing)(xing)可靠性(xing)與(yu)簡化(hua)系統設備(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)繁(fan)雜性(xing)。本(ben)設計采(cai)用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是PID控(kong)制(zhi)(zhi)，使排風(feng)風(feng)速(su)能穩(wen)定在用戶設定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)面風(feng)速(su)。由于采(cai)用了液晶顯(xian)示器(qi)，操(cao)作簡單，直觀。多種工作模式（待機(ji)、強制(zhi)(zhi)排風(feng)、有人/無人排風(feng)）使本(ben)裝置(zhi)更(geng)(geng)節能實用。采(cai)用了先進的(de)(de)(de)(de)(de)(de)風(feng)速(su)標(biao)定方法(fa)，能更(geng)(geng)地(di)檢測實際(ji)風(feng)速(su)，從而實現實時、準確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)排風(feng)控(kong)制(zhi)(zhi)。
1工作原理
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。 國家對通風柜面風速(su)規定標(biao)準(zhun)為：0.4~0.6 m/s。排風量(liang)（單位(wei)：m3/h）計算(suan)公式為：L=3 600×SVβ（1）式中：S為操作口開啟面積（單位(wei)：m2）；V為面風速(su)（單位(wei):m/s）；β為安全系數(shu)（1.05~1.1）。
從式（1）可以看出，對于沒有調節系統的通風(feng)柜，當操(cao)作門(men)(men)全(quan)開時，如果滿足0.3~0.5 m/s的面(mian)風(feng)速，當操(cao)作門(men)(men)開啟一半或(huo)全(quan)關閉時，面(mian)風(feng)速將超過(guo)設計(ji)值，大大影響排風(feng)及實驗效果。
因此，如何(he)有效地控(kong)制面(mian)(mian)風(feng)(feng)(feng)(feng)速是對通風(feng)(feng)(feng)(feng)柜排風(feng)(feng)(feng)(feng)的有效保障。本設計(ji)采用了(le)柜門行程及(ji)風(feng)(feng)(feng)(feng)速控(kong)制法(fa)，能使(shi)柜門處于不(bu)同高(gao)度是通風(feng)(feng)(feng)(feng)柜面(mian)(mian)風(feng)(feng)(feng)(feng)速保持在設定值。
通(tong)風(feng)(feng)柜(ju)的(de)(de)實際通(tong)風(feng)(feng)量(liang)可用下式表示：Q=SV=SWH （2）式中：S為(wei)操(cao)作口(kou)開(kai)(kai)啟面積(ji)（單(dan)位(wei)：m2）；V為(wei)面風(feng)(feng)速（單(dan)位(wei)：m/s）；W為(wei)通(tong)風(feng)(feng)柜(ju)的(de)(de)開(kai)(kai)口(kou)寬度(du)(du)（單(dan)位(wei)：m）；H為(wei)通(tong)風(feng)(feng)柜(ju)開(kai)(kai)窗(chuang)高(gao)度(du)(du)（單(dan)位(wei)：m）。采用柜(ju)門上的(de)(de)傳感器(qi)將柜(ju)門的(de)(de)行程信號變(bian)送到(dao)控制(zhi)器(qi)，控制(zhi)器(qi)根(gen)據(ju)設(she)(she)(she)定(ding)的(de)(de)面風(feng)(feng)速和式（2）計算出(chu)(chu)設(she)(she)(she)定(ding)的(de)(de)風(feng)(feng)量(liang)信號，進(jin)而(er)可以(yi)得出(chu)(chu)在當前柜(ju)門高(gao)度(du)(du)下，要(yao)得到(dao)設(she)(she)(she)定(ding)風(feng)(feng)速所(suo)需的(de)(de)閥(fa)(fa)門開(kai)(kai)度(du)(du)。再根(gen)據(ju)風(feng)(feng)速傳感器(qi)測出(chu)(chu)的(de)(de)實時風(feng)(feng)量(liang)并(bing)轉(zhuan)換成相(xiang)應的(de)(de)閥(fa)(fa)門開(kai)(kai)度(du)(du)的(de)(de)電信號。在ARM內(nei)通(tong)過(guo)PID控制(zhi)得出(chu)(chu)一個輸出(chu)(chu)電壓，控制(zhi)閥(fa)(fa)門開(kai)(kai)度(du)(du)，從(cong)而(er)實現風(feng)(feng)速控制(zhi)。
2系統結構(gou)
通(tong)(tong)風(feng)柜控(kong)制(zhi)器電(dian)路的主要(yao)功能是完成(cheng)響應(ying)外界環境的輸入(ru), 如有人無(wu)人狀態(tai)輸人、窗(chuang)開度、反(fan)饋輸入(ru)量(liang)、人工設定輸入(ru)量(liang)等。通(tong)(tong)過(guo)判斷和(he)計算, 輸出一(yi)定的電(dian)壓控(kong)制(zhi)文丘(qiu)里閥(fa)門(men), 形成(cheng)一(yi)個閉環控(kong)制(zhi)。控(kong)制(zhi)器將當前排(pai)風(feng)柜的排(pai)風(feng)量(liang)通(tong)(tong)過(guo)RS 485總(zong)線(xian)傳輸到(dao)補風(feng)控(kong)制(zhi)器，與上(shang)位機(ji)之間(jian)通(tong)(tong)過(guo)ModBus協議(yi)通(tong)(tong)信，也采用(yong)RS 485總(zong)線(xian)形式，選用(yong)RSM 485低功耗芯片(pian)做(zuo)電(dian)平(ping)轉換。在(zai)實施(shi)監控(kong)和(he)參(can)數設置時，可(ke)以批量(liang)進行，大大簡化了操作量(liang)。上(shang)位機(ji)軟(ruan)件可(ke)用(yong)LabVIEW或(huo)者VB開發。
硬件電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)包括人機交互電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)，如(ru)(ru)鍵盤，液晶，蜂鳴器(qi)；A/D采樣電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)，如(ru)(ru)有(you)人無(wu)人A/D電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)，窗開度(du)A/D電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)，反(fan)饋輸入A/D電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)；D/A電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)；風速檢測電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)及(ji)串口通訊部分。系統結構如(ru)(ru)圖1所(suo)示。
圖1系統結構2.1A/D采樣及D/A輸出
A/D，D/A電(dian)路(lu)主要(yao)實現電(dian)壓轉換匹(pi)配(pei)及(ji)模擬(ni)信(xin)號(hao)濾波等功能(neng)。模擬(ni)信(xin)號(hao)分(fen)別為窗高度輸入Hx：通過拉線(xian)(xian)變(bian)(bian)阻器或者超聲波測(ce)距實時采集控制(zhi)柜窗口高度，輸入信(xin)號(hao)字0~10 V范圍內線(xian)(xian)性變(bian)(bian)化(hua)(hua)，用于獲(huo)得期望風量(liang)；閥門(men)(men)反(fan)饋(kui)輸入f：閥門(men)(men)開(kai)度反(fan)饋(kui)，反(fan)應當前(qian)實時風量(liang)。0~10 V線(xian)(xian)性變(bian)(bian)化(hua)(hua)；有(you)人(ren)/無人(ren)輸入Z：通過人(ren)體傳感器檢(jian)測(ce)通風柜前(qian)扇形區(qu)域內是否(fou)有(you)人(ren)，并將有(you)人(ren)/無人(ren)狀態(tai)轉換為+12 V/0 V電(dian)壓值。輸出模擬(ni)信(xin)號(hao)為閥門(men)(men)驅動信(xin)號(hao)，線(xian)(xian)性變(bian)(bian)化(hua)(hua)的電(dian)壓控制(zhi)閥門(men)(men)的開(kai)度。
2.2人機界面
包括鍵(jian)盤、LED指(zhi)示(shi)(shi)燈和(he)液晶顯(xian)示(shi)(shi)器，實(shi)現信息的(de)輸入，數據顯(xian)示(shi)(shi)和(he)報(bao)警作用(yong)。該電(dian)路(lu)由PCA9555單元單獨(du)完成。PCA9555是(shi)24引(yin)腳的(de)CMOS設備，它(ta)提(ti)供了I2CBus/SMBus 應用(yong)中(zhong)的(de)16位(wei)通(tong)(tong)用(yong)并行輸入/輸出口GPIO的(de)擴展。且通(tong)(tong)訊頻率始終能達到(dao)400 kHz。按鍵(jian)采用(yong)低(di)電(dian)平中(zhong)斷觸發方(fang)式。
電(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)路(lu)實(shi)現同(tong)一端(duan)口AC/DC 24V輸(shu)(shu)入(ru)，輸(shu)(shu)出直(zhi)流(liu)(liu)±12 V,+5 V和(he)(he)+3.3 V。輸(shu)(shu)人(ren)端(duan)采用(yong)(yong)半橋整(zheng)流(liu)(liu)電(dian)(dian)路(lu), 實(shi)現同(tong)一端(duan)口同(tong)時輸(shu)(shu)人(ren)交流(liu)(liu)或直(zhi)流(liu)(liu)電(dian)(dian)源(yuan), 適應不同(tong)環境需要(yao)。整(zheng)流(liu)(liu)以后(hou)(hou), 通過TL2575HV12IKV單元電(dian)(dian)路(lu), 將電(dian)(dian)壓穩定到+12 V。后(hou)(hou)繼采用(yong)(yong)電(dian)(dian)壓轉化電(dian)(dian)路(lu)產生(sheng)+5 V和(he)(he)+3.3 V電(dian)(dian)源(yuan)。
2.3ModBus
ModBus串行鏈路協議是主-從協議，RTU模(mo)式在相(xiang)同波特率下(xia)(xia)比ASCII模(mo)式有更高的數(shu)據(ju)吞吐量，故(gu)采用RTU模(mo)式。RTU模(mo)式是通過判斷時(shi)(shi)(shi)間間隔(ge)(ge)來區(qu)分(fen)字(zi)符(fu)和報文(wen)幀(zhen)的，時(shi)(shi)(shi)長(chang)至少(shao)為3．5個(ge)字(zi)符(fu)時(shi)(shi)(shi)間的空閑間隔(ge)(ge)將報文(wen)幀(zhen)區(qu)分(fen)開。同時(shi)(shi)(shi)，整(zheng)個(ge)報文(wen)必須以(yi)連續的字(zi)符(fu)流發送，幀(zhen)內2個(ge)字(zi)符(fu)之間的間隔(ge)(ge)小于1.5個(ge)字(zi)符(fu)時(shi)(shi)(shi)間。RTU報文(wen)幀(zhen)如下(xia)(xia)所示(shi)：
起(qi)始地址(zhi)功能碼(ma)數據(ju)CRC校(xiao)驗(yan)結束≥3.5字(zi)符8 b8 bN×8 b16 b≥3.5字(zi)符
ModBus協議規定了20多種功(gong)能碼(ma)，本設計只用到其中幾種操作。上位機(ji)(ji)機(ji)(ji)發送(song)讀(du)保(bao)持寄存器(qi)（功(gong)能碼(ma)03），寫單個(ge)寄存器(qi)（功(gong)能碼(ma)06）和寫多個(ge)寄存器(qi)（功(gong)能碼(ma)16）3種命令完(wan)成對(dui)ARM的讀(du)寫功(gong)能。下位機(ji)(ji)程(cheng)序負(fu)責對(dui)上位機(ji)(ji)命令進行響應并將(jiang)數據發送(song)回主機(ji)(ji)。
3系統運(yun)行及實現
系統主要(yao)實現(xian)信息量(liang)的(de)采集、通(tong)信、參數設(she)置和信息顯示(shi)。根據(ju)國家通(tong)風柜(ju)對面(mian)風速0.4~0.6 m/s的(de)標(biao)準，控制(zhi)(zhi)器根據(ju)通(tong)風柜(ju)窗開度(du)Hx，閥(fa)門反饋Fb和設(she)定風速Vf計算出閥(fa)門控制(zhi)(zhi)電壓Vout（fx）用(yong)以控制(zhi)(zhi)風速保持在這一范圍內。并且將(jiang)實際風量(liang)L和風速V顯示(shi)在液晶面(mian)板上(shang)。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(wei)漏風調(diao)整；Hmax，Hmin為(wei)窗開(kai)度的(de)zui高和zui低位置，Zmax，Zmin為(wei)其(qi)對應的(de)電壓(ya)信(xin)號；Hx為(wei)窗開(kai)度的(de)實際值；a，b為(wei)閥(fa)門(men)(men)開(kai)度與風量(liang)關(guan)系參(can)數，根據現場標定；Fb為(wei)閥(fa)門(men)(men)反饋電壓(ya)。
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