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實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜控制器

 更新時間:2013-06-26 點(diǎn)擊量:5618

 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(jī)執(zhí)行繁雜的邏輯計算與控制,來管理通風(fēng)柜上的各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況。與利用傳感器器取出通風(fēng)柜各項(xiàng)物理參數(shù)以供操作者使用。利用微機(jī)可以極大提高各種設(shè)備的運(yùn)行可靠性與簡化系統(tǒng)設(shè)備的繁雜性。本設(shè)計采用的是PID控制,使排風(fēng)風(fēng)速能穩(wěn)定在用戶設(shè)定的面風(fēng)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(jī)、強(qiáng)制排風(fēng)、有人/無人排風(fēng))使本裝置更節(jié)能實(shí)用。采用了先進(jìn)的風(fēng)速標(biāo)定方法,能更地檢測實(shí)際風(fēng)速,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時、準(zhǔn)確的排風(fēng)控制。 

  1工作原理 
  實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的有毒有害氣體必須及時排除,在衡量實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜的標(biāo)準(zhǔn)是要滿足:有害氣體不能溢出也不能再柜內(nèi)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(shù)。 
  國家對通風(fēng)柜面風(fēng)速規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)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為操作口開啟面積(單位:m2);V為面風(fēng)速(單位:m/s);β為安全系數(shù)(1.05~1.1)。 
  從式(1)可以看出,對于沒有調(diào)節(jié)系統(tǒng)的通風(fēng)柜,當(dāng)操作門全開時,如果滿足0.3~0.5 m/s的面風(fēng)速,當(dāng)操作門開啟一半或全關(guān)閉時,面風(fēng)速將超過設(shè)計值,大大影響排風(fēng)及實(shí)驗(yàn)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(shè)計采用了柜門行程及風(fēng)速控制法,能使柜門處于不同高度是通風(fēng)柜面風(fēng)速保持在設(shè)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為操作口開啟面積(單位:m2);V為面風(fēng)速(單位:m/s);W為通風(fēng)柜的開口寬度(單位:m);H為通風(fēng)柜開窗高度(單位:m)。采用柜門上的傳感器將柜門的行程信號變送到控制器,控制器根據(jù)設(shè)定的面風(fēng)速和式(2)計算出設(shè)定的風(fēng)量信號,進(jìn)而可以得出在當(dāng)前柜門高度下,要得到設(shè)定風(fēng)速所需的閥門開度。再根據(jù)風(fēng)速傳感器測出的實(shí)時風(fēng)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的閥門開度的電信號。在ARM內(nèi)通過PID控制得出一個輸出電壓,控制閥門開度,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)速控制。 
  2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 
  通風(fēng)柜控制器電路的主要功能是完成響應(yīng)外界環(huán)境的輸入, 如有人無人狀態(tài)輸人、窗開度、反饋輸入量、人工設(shè)定輸入量等。通過判斷和計算, 輸出一定的電壓控制文丘里閥門, 形成一個閉環(huán)控制。控制器將當(dāng)前排風(fēng)柜的排風(fēng)量通過RS 485總線傳輸?shù)窖a(bǔ)風(fēng)控制器,與上位機(jī)之間通過ModBus協(xié)議通信,也采用RS 485總線形式,選用RSM 485低功耗芯片做電平轉(zhuǎn)換。在實(shí)施監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置時,可以批量進(jìn)行,大大簡化了操作量。上位機(jī)軟件可用LabVIEW或者VB開發(fā)。 
  硬件電路包括人機(jī)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(fēng)速檢測電路及串口通訊部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 
  圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1A/D采樣及D/A輸出 
  A/D,D/A電路主要實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)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:通過拉線變阻器或者超聲波測距實(shí)時采集控制柜窗口高度,輸入信號字0~10 V范圍內(nèi)線性變化,用于獲得期望風(fēng)量;閥門反饋輸入f:閥門開度反饋,反應(yīng)當(dāng)前實(shí)時風(fēng)量。0~10 V線性變化;有人/無人輸入Z:通過人體傳感器檢測通風(fēng)柜前扇形區(qū)域內(nèi)是否有人,并將有人/無人狀態(tài)轉(zhuǎn)換為+12 V/0 V電壓值。輸出模擬信號為閥門驅(qū)動信號,線性變化的電壓控制閥門的開度。 
  2.2人機(jī)界面 
  包括鍵盤、LED指示燈和液晶顯示器,實(shí)現(xiàn)信息的輸入,數(shù)據(jù)顯示和報警作用。該電路由PCA9555單元單獨(dú)完成。PCA9555是24引腳的CMOS設(shè)備,它提供了I2CBus/SMBus 應(yīng)用中的16位通用并行輸入/輸出口GPIO的擴(kuò)展。且通訊頻率始終能達(dá)到400 kHz。按鍵采用低電平中斷觸發(fā)方式。 
  電源電路實(shí)現(xiàn)同一端口AC/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(xiàn)同一端口同時輸人交流或直流電源, 適應(yīng)不同環(huán)境需要。整流以后, 通過TL2575HV12IKV單元電路, 將電壓穩(wěn)定到+12 V。后繼采用電壓轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)吞吐量,故采用RTU模式。RTU模式是通過判斷時間間隔來區(qū)分字符和報文幀的,時長至少為3.5個字符時間的空閑間隔將報文幀區(qū)分開。同時,整個報文必須以連續(xù)的字符流發(fā)送,幀內(nèi)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: 
  起始地址功能碼數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)結(jié)束≥3.5字符8 b8 bN×8 b16 b≥3.5字符 
  ModBus協(xié)議規(guī)定了20多種功能碼,本設(shè)計只用到其中幾種操作。上位機(jī)機(jī)發(fā)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(jī)程序負(fù)責(zé)對上位機(jī)命令進(jìn)行響應(yīng)并將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)。 
  3系統(tǒng)運(yùn)行及實(shí)現(xiàn) 
  系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信息量的采集、通信、參數(shù)設(shè)置和信息顯示。根據(jù)國家通風(fēng)柜對面風(fēng)速0.4~0.6 m/s的標(biāo)準(zhǔn),控制器根據(jù)通風(fēng)柜窗開度Hx,閥門反饋Fb和設(shè)定風(fēng)速Vf計算出閥門控制電壓Vout(fx)用以控制風(fēng)速保持在這一范圍內(nèi)。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(diào)整;Hmax,Hmin為窗開度的zui高和zui低位置,Zmax,Zmin為其對應(yīng)的電壓信號;Hx為窗開度的實(shí)際值;a,b為閥門開度與風(fēng)量關(guān)系參數(shù),根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)定;Fb為閥門反饋電壓。
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