摘 要： 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室需要排放實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的有毒有害氣體，并保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的正常空氣壓力和室內(nèi)熱量。本文介紹了某高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)說(shuō)明了排風(fēng)柜控制器和補(bǔ)風(fēng)控制器的硬件和軟件設(shè)計(jì)，為實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)系統(tǒng)提供了思路和方法。
關(guān)鍵詞： 通風(fēng)柜；變風(fēng)量控制；ARM7
在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，容易產(chǎn)生一些氣體、蒸汽或粉塵等有害物質(zhì)，這些物質(zhì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)人員的安全和舒適。為此，通常在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安裝排風(fēng)通風(fēng)柜。本文依據(jù)國(guó)家排風(fēng)柜標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)某高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、采用NXP公司的ARM7 LPC2312作為MCU，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜的變風(fēng)量控制電路。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本通風(fēng)柜系統(tǒng)主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)臺(tái)分布情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)室共有3個(gè)房間，每個(gè)房間安裝有4～5個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。每個(gè)試驗(yàn)臺(tái)工作狀態(tài)不同，如有人否、實(shí)驗(yàn)臺(tái)面罩的開(kāi)合程度等。為了滿足國(guó)家排風(fēng)柜對(duì)面風(fēng)速0.4 m/s～0.6 m/s的標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行單獨(dú)的排風(fēng)控制。同時(shí)，由于多個(gè)通風(fēng)柜同時(shí)向外排風(fēng)，會(huì)引起室內(nèi)外的壓差和室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的能量損失，因此對(duì)每個(gè)房間安裝一臺(tái)補(bǔ)風(fēng)裝置。整個(gè)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。
2 硬件設(shè)計(jì)
通風(fēng)柜系統(tǒng)主要由兩類控制器電路組成。一類是每個(gè)排風(fēng)柜都配備的排柜控制器電路，另一類是每個(gè)房間中幾個(gè)排風(fēng)柜共用的補(bǔ)風(fēng)控制器電路。
2.1 通風(fēng)柜控制器電路
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(wú)人狀態(tài)輸入、面罩開(kāi)合程度、反饋輸入量、人工設(shè)定輸入量等。通過(guò)判斷和計(jì)算，輸出一定的電壓控制文丘里閥門，形成一個(gè)閉環(huán)控制，同時(shí)控制器將當(dāng)前排風(fēng)柜的排風(fēng)量通過(guò)RS-485總線傳輸?shù)窖a(bǔ)風(fēng)控制器。
硬件電路主要包括人機(jī)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(kāi)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(tǒng)框圖如圖2所示。
通風(fēng)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(gè)支持實(shí)時(shí)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(chǔ)器。片內(nèi)含有寬范圍的串行通信接口、片內(nèi)16 KB的SRAM、多個(gè)32 bit定時(shí)器、1個(gè)10 bit 8路ADC、10 bit DAC、PWM通道和47個(gè)GPIO，以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，使它們特別適用于工業(yè)控制。
2.1.1 電源電路
電源電路實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)同一端口同時(shí)輸入交流或直流電源，適應(yīng)不同環(huán)境需要。整流以后，通過(guò)TL2575HV-12IKV單元電路，將電壓穩(wěn)定到+12 V。TL2575系列芯片為簡(jiǎn)單步降開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)88%，解決了78XX系列LDO型穩(wěn)壓器件的壓差大發(fā)熱大的問(wèn)題。電路后繼采用ICL7662CBA電壓轉(zhuǎn)化電路產(chǎn)生-12V電源，TL2575HV-05IKV和AS1117L產(chǎn)生+5 V和+3.3 V電源。電源電路見(jiàn)圖3。
2.1.2 AD、DA電路
AD、DA電路主要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)濾波、電壓轉(zhuǎn)換匹配等功能。模擬輸入信號(hào)分別為有人/無(wú)人狀體輸入ZPS，該信號(hào)通過(guò)紅外感應(yīng)工作臺(tái)前扇形區(qū)域內(nèi)的狀態(tài)，并將有人/無(wú)人狀態(tài)轉(zhuǎn)換為+12 V或0 V的電壓值；面罩開(kāi)度輸入VS，該信號(hào)是反應(yīng)工作臺(tái)窗口打開(kāi)高度的信號(hào)，通過(guò)一個(gè)連接在窗戶的線拉變阻器獲得，輸入信號(hào)分別從0 V～10 V線性變化；風(fēng)量反饋輸入FB，該信號(hào)是由文丘里閥反饋的通風(fēng)風(fēng)量信號(hào)0 V～10 V線性變化，正常情況下與風(fēng)量輸出信號(hào)相等；其他輸入信號(hào)，如壓差信號(hào)、電源狀態(tài)信號(hào)等。輸出模擬信號(hào)為文丘里閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vout， 0 V～10 V的電壓輸入對(duì)應(yīng)該閥門的不同開(kāi)度。部分模擬電路見(jiàn)圖4。
2.1.3 人機(jī)交互電路
人機(jī)交互電路主要實(shí)現(xiàn)信息的輸入、數(shù)據(jù)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(shí)驅(qū)動(dòng)8 bit共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)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(fēng)柜控制器還包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、復(fù)位電路、RS-232通信電路和RS-485通信電路等。
復(fù)位電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路時(shí)用CAT1025實(shí)現(xiàn)。CAT1025電源電路能準(zhǔn)確監(jiān)視電源供電情況、可手動(dòng)復(fù)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(dá)400 kHz。EEPROM主要存儲(chǔ)用戶設(shè)置的一些參數(shù)和控制器的校準(zhǔn)參數(shù)，如用戶設(shè)定面風(fēng)速、實(shí)時(shí)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(fēng)柜控制器與補(bǔ)風(fēng)控制器之間的通信。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室房間的補(bǔ)風(fēng)控制器通過(guò)RS-485獲得該房間每個(gè)通風(fēng)柜的排風(fēng)量，控制補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)統(tǒng)一向各通風(fēng)柜送風(fēng)，以彌補(bǔ)通風(fēng)柜排風(fēng)帶來(lái)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(fā)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(hù)器件集于一身。
2.2 補(bǔ)風(fēng)控制器電路
補(bǔ)風(fēng)控制器電路主要是通過(guò)RS-485總線獲取排風(fēng)柜的排風(fēng)量信息，通過(guò)運(yùn)算輸入電壓控制補(bǔ)風(fēng)閥門的開(kāi)度。電路的硬件部分類似于排風(fēng)柜控制器，包括人機(jī)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(shè)計(jì)
本通風(fēng)柜控制系統(tǒng)軟件包括排風(fēng)柜控制器軟件設(shè)計(jì)和補(bǔ)風(fēng)控制器軟件設(shè)計(jì)。補(bǔ)風(fēng)柜控制器是累加各排風(fēng)柜的排風(fēng)量，然后輸出電壓控制補(bǔ)風(fēng)閥門以彌補(bǔ)室內(nèi)被排出的空氣。排風(fēng)柜控制器則是根據(jù)人工設(shè)定及實(shí)時(shí)檢測(cè)信息控制排風(fēng)量，其算法相對(duì)復(fù)雜。這里以排風(fēng)控制軟件設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。
排風(fēng)柜控制器要依據(jù)面罩高度Vs、反饋量Fb和其他設(shè)定量實(shí)時(shí)計(jì)算排風(fēng)量的大小，即計(jì)算出文丘里閥的控制電壓值Vout，并將實(shí)際的排風(fēng)量S或面風(fēng)速v顯示在面板上。閥門控制電壓Vout、面罩高度Vs和排風(fēng)量S計(jì)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(shí)際測(cè)量值)；q為是否待機(jī)的相關(guān)設(shè)定值；n=0.6～1.4，為漏風(fēng)調(diào)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(yīng)電壓值；Zs為面罩實(shí)際位置；Fb為風(fēng)量反饋電壓；a=860，為風(fēng)量值與電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
軟件設(shè)計(jì)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。軟件框圖見(jiàn)圖5。
本文介紹的基于ARM芯片設(shè)計(jì)的排風(fēng)控制系統(tǒng)，很好地解決了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室毒害氣體的排放，排風(fēng)柜控制系統(tǒng)保證了實(shí)驗(yàn)人員的安全，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的補(bǔ)風(fēng)控制減少了實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)能量的損失。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工作運(yùn)行，證明了該排風(fēng)系統(tǒng)的可行性和有效性。此系統(tǒng)對(duì)于其他實(shí)驗(yàn)室的氣體排放有一定的參考作用。
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