摘 要： 化學實驗室需要排放實驗產生的有毒有害氣體，并保證實驗室內的正常空氣壓力和室內熱量。本文介紹了某高校化學實驗室通風控制系統的設計，詳細說明了排風柜控制器和補風控制器的硬件和軟件設計，為實驗室排風系統提供了思路和方法。
關鍵詞： 通風柜；變風量控制；ARM7
在化學實驗過程中，容易產生一些氣體、蒸汽或粉塵等有害物質，這些物質嚴重影響實驗人員的安全和舒適。為此，通常在實驗平臺安裝排風通風柜。本文依據國家排風柜標準，針對某高校化學實驗室、采用NXP公司的ARM7 LPC2312作為MCU，設計了實驗室通風柜的變風量控制電路。
1 系統總體設計
本通風柜系統主要根據實驗室的試驗臺分布情況進行設計。該實驗室共有3個房間，每個房間安裝有4～5個實驗臺。每個試驗臺工作狀態不同，如有人否、實驗臺面罩的開合程度等。為了滿足國家排風柜對面風速0.4 m/s～0.6 m/s的標準，需要對每個實驗臺進行單獨的排風控制。同時，由于多個通風柜同時向外排風，會引起室內外的壓差和室內空調系統的能量損失，因此對每個房間安裝一臺補風裝置。整個實驗室通風系統如圖1所示。
2 硬件設計
通風柜系統主要由兩類控制器電路組成。一類是每個排風柜都配備的排柜控制器電路，另一類是每個房間中幾個排風柜共用的補風控制器電路。
2.1 通風柜控制器電路
通風柜控制器電路的主要功能是完成響應外界環境的輸入，如有人無人狀態輸入、面罩開合程度、反饋輸入量、人工設定輸入量等。通過判斷和計算，輸出一定的電壓控制文丘里閥門，形成一個閉環控制，同時控制器將當前排風柜的排風量通過RS-485總線傳輸到補風控制器。
硬件電路主要包括人機交互部分，如鍵盤、八段碼顯示、蜂鳴器等；AD電路部分，如面罩開度AD電路、反饋輸入AD電路等；DA電路及串口通信部分，包括RS232通信電路和RS485通信電路。系統框圖如圖2所示。
通風柜控制器電路使用的MCU為NXP公司的LPC2132，該處理器是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16 bit ARM7TDMI-STM，并帶有64 KB的嵌入式高速Flash存儲器。片內含有寬范圍的串行通信接口、片內16 KB的SRAM、多個32 bit定時器、1個10 bit 8路ADC、10 bit DAC、PWM通道和47個GPIO，以及多達9個邊沿或電平觸發的外部中斷，使它們特別適用于工業控制。
2.1.1 電源電路
電源電路實現同一端口AC 24 V或DC 24 V輸入，輸出直流±12 V、+5 V和+3.3 V。輸入端采用半橋整流電路，實現同一端口同時輸入交流或直流電源，適應不同環境需要。整流以后，通過TL2575HV-12IKV單元電路，將電壓穩定到+12 V。TL2575系列芯片為簡單步降開關穩壓器，轉換效率高達88%，解決了78XX系列LDO型穩壓器件的壓差大發熱大的問題。電路后繼采用ICL7662CBA電壓轉化電路產生-12V電源，TL2575HV-05IKV和AS1117L產生+5 V和+3.3 V電源。電源電路見圖3。
2.1.2 AD、DA電路
AD、DA電路主要實現模擬信號濾波、電壓轉換匹配等功能。模擬輸入信號分別為有人/無人狀體輸入ZPS，該信號通過紅外感應工作臺前扇形區域內的狀態，并將有人/無人狀態轉換為+12 V或0 V的電壓值；面罩開度輸入VS，該信號是反應工作臺窗口打開高度的信號，通過一個連接在窗戶的線拉變阻器獲得，輸入信號分別從0 V～10 V線性變化；風量反饋輸入FB，該信號是由文丘里閥反饋的通風風量信號0 V～10 V線性變化，正常情況下與風量輸出信號相等；其他輸入信號，如壓差信號、電源狀態信號等。輸出模擬信號為文丘里閥的驅動信號Vout， 0 V～10 V的電壓輸入對應該閥門的不同開度。部分模擬電路見圖4。
2.1.3 人機交互電路
人機交互電路主要實現信息的輸入、數據顯示以及警示作用。該電路使用ZLG7289單元電路完成4 bit
8段碼的顯示和鍵盤的輸入。ZLG7289A采用串行接口，可同時驅動8 bit共陰式數碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片。該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能。
2.1.4 其他電路
除上述單元電路以外，通風柜控制器還包含數據存儲電路、復位電路、RS-232通信電路和RS-485通信電路等。
復位電路和數據存儲電路時用CAT1025實現。CAT1025電源電路能準確監視電源供電情況、可手動復位，含有2 kbit的EEPROM，與LPC2132的通信采用I2C總線，通信頻率始終能達400 kHz。EEPROM主要存儲用戶設置的一些參數和控制器的校準參數，如用戶設定面風速、實時顯示類型、控制柜的高度和寬度等。
RS-485通信電路主要用于通風柜控制器與補風控制器之間的通信。每個實驗室房間的補風控制器通過RS-485獲得該房間每個通風柜的排風量，控制補風系統統一向各通風柜送風，以彌補通風柜排風帶來的房間壓差和房間熱量的流失。RS-485通信電路主要用RSM485CT隔離收發器模塊，該模塊將電源隔離、電氣隔離、RS-485接口芯片、總線保護器件集于一身。
2.2 補風控制器電路
補風控制器電路主要是通過RS-485總線獲取排風柜的排風量信息，通過運算輸入電壓控制補風閥門的開度。電路的硬件部分類似于排風柜控制器，包括人機交互部分(如鍵盤、八段碼顯示、蜂鳴器等)、DA電路部分、RS-232通信電路和RS-485通信電路等。
3 軟件設計
本通風柜控制系統軟件包括排風柜控制器軟件設計和補風控制器軟件設計。補風柜控制器是累加各排風柜的排風量，然后輸出電壓控制補風閥門以彌補室內被排出的空氣。排風柜控制器則是根據人工設定及實時檢測信息控制排風量，其算法相對復雜。這里以排風控制軟件設計為例進行介紹。
排風柜控制器要依據面罩高度Vs、反饋量Fb和其他設定量實時計算排風量的大小，即計算出文丘里閥的控制電壓值Vout，并將實際的排風量S或面風速v顯示在面板上。閥門控制電壓Vout、面罩高度Vs和排風量S計算公式如式(1)～式(3)所示。
其中，k1=0.06～0.42；k2=0.4；W為面罩寬度(實際測量值)；q為是否待機的相關設定值；n=0.6～1.4，為漏風調整值；hmax和hmin為面罩的最高位置和最低位置；Zmax和Zmin為面罩最高和最低位置的相應電壓值；Zs為面罩實際位置；Fb為風量反饋電壓；a=860，為風量值與電壓值的對應關系。
軟件設計主要實現信息量的采集、通信、參數設置和信息顯示。軟件框圖見圖5。
本文介紹的基于ARM芯片設計的排風控制系統，很好地解決了化學實驗室毒害氣體的排放，排風柜控制系統保證了實驗人員的安全，對實驗室的補風控制減少了實驗室室內能量的損失。通過長時間的工作運行，證明了該排風系統的可行性和有效性。此系統對于其他實驗室的氣體排放有一定的參考作用。
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