摘 要： 化学实验室需要排放实验产生的有毒有害气体，并保证实验室内的正常空气压力和室内热量。本文介绍了某高校化学实验室通风控制系统的设计，详细说明了排风柜控制器和补风控制器的硬件和软件设计，为实验室排风系统提供了思路和方法。
关键词： 通风柜；变风量控制；ARM7
在化学实验过程中，容易产生一些气体、蒸汽或粉尘等有害物质，这些物质严重影响实验人员的安全和舒适。为此，通常在实验平台安装排风通风柜。本文依据国家排风柜标准，针对某高校化学实验室、采用NXP公司的ARM7 LPC2312作为MCU，设计了实验室通风柜的变风量控制电路。
1 系统总体设计
本通风柜系统主要根据实验室的试验台分布情况进行设计。该实验室共有3个房间，每个房间安装有4～5个实验台。每个试验台工作状态不同，如有人否、实验台面罩的开合程度等。为了满足国家排风柜对面风速0.4 m/s～0.6 m/s的标准，需要对每个实验台进行单独的排风控制。同时，由于多个通风柜同时向外排风，会引起室内外的压差和室内空调系统的能量损失，因此对每个房间安装一台补风装置。整个实验室通风系统如图1所示。
2 硬件设计
通风柜系统主要由两类控制器电路组成。一类是每个排风柜都配备的排柜控制器电路，另一类是每个房间中几个排风柜共用的补风控制器电路。
2.1 通风柜控制器电路
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，如有人无人状态输入、面罩开合程度、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，同时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。
硬件电路主要包括人机交互部分，如键盘、八段码显示、蜂鸣器等；AD电路部分，如面罩开度AD电路、反馈输入AD电路等；DA电路及串口通信部分，包括RS232通信电路和RS485通信电路。系统框图如图2所示。
通风柜控制器电路使用的MCU为NXP公司的LPC2132，该处理器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 bit ARM7TDMI-STM，并带有64 KB的嵌入式高速Flash存储器。片内含有宽范围的串行通信接口、片内16 KB的SRAM、多个32 bit定时器、1个10 bit 8路ADC、10 bit DAC、PWM通道和47个GPIO，以及多达9个边沿或电平触发的外部中断，使它们特别适用于工业控制。
2.1.1 电源电路
电源电路实现同一端口AC 24 V或DC 24 V输入，输出直流±12 V、+5 V和+3.3 V。输入端采用半桥整流电路，实现同一端口同时输入交流或直流电源，适应不同环境需要。整流以后，通过TL2575HV-12IKV单元电路，将电压稳定到+12 V。TL2575系列芯片为简单步降开关稳压器，转换效率高达88%，解决了78XX系列LDO型稳压器件的压差大发热大的问题。电路后继采用ICL7662CBA电压转化电路产生-12V电源，TL2575HV-05IKV和AS1117L产生+5 V和+3.3 V电源。电源电路见图3。
2.1.2 AD、DA电路
AD、DA电路主要实现模拟信号滤波、电压转换匹配等功能。模拟输入信号分别为有人/无人状体输入ZPS，该信号通过红外感应工作台前扇形区域内的状态，并将有人/无人状态转换为+12 V或0 V的电压值；面罩开度输入VS，该信号是反应工作台窗口打开高度的信号，通过一个连接在窗户的线拉变阻器获得，输入信号分别从0 V～10 V线性变化；风量反馈输入FB，该信号是由文丘里阀反馈的通风风量信号0 V～10 V线性变化，正常情况下与风量输出信号相等；其他输入信号，如压差信号、电源状态信号等。输出模拟信号为文丘里阀的驱动信号Vout， 0 V～10 V的电压输入对应该阀门的不同开度。部分模拟电路见图4。
2.1.3 人机交互电路
人机交互电路主要实现信息的输入、数据显示以及警示作用。该电路使用ZLG7289单元电路完成4 bit
8段码的显示和键盘的输入。ZLG7289A采用串行接口，可同时驱动8 bit共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能。
2.1.4 其他电路
除上述单元电路以外，通风柜控制器还包含数据存储电路、复位电路、RS-232通信电路和RS-485通信电路等。
复位电路和数据存储电路时用CAT1025实现。CAT1025电源电路能准确监视电源供电情况、可手动复位，含有2 kbit的EEPROM，与LPC2132的通信采用I2C总线，通信频率始终能达400 kHz。EEPROM主要存储用户设置的一些参数和控制器的校准参数，如用户设定面风速、实时显示类型、控制柜的高度和宽度等。
RS-485通信电路主要用于通风柜控制器与补风控制器之间的通信。每个实验室房间的补风控制器通过RS-485获得该房间每个通风柜的排风量，控制补风系统统一向各通风柜送风，以弥补通风柜排风带来的房间压差和房间热量的流失。RS-485通信电路主要用RSM485CT隔离收发器模块，该模块将电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片、总线保护器件集于一身。
2.2 补风控制器电路
补风控制器电路主要是通过RS-485总线获取排风柜的排风量信息，通过运算输入电压控制补风阀门的开度。电路的硬件部分类似于排风柜控制器，包括人机交互部分(如键盘、八段码显示、蜂鸣器等)、DA电路部分、RS-232通信电路和RS-485通信电路等。
3 软件设计
本通风柜控制系统软件包括排风柜控制器软件设计和补风控制器软件设计。补风柜控制器是累加各排风柜的排风量，然后输出电压控制补风阀门以弥补室内被排出的空气。排风柜控制器则是根据人工设定及实时检测信息控制排风量，其算法相对复杂。这里以排风控制软件设计为例进行介绍。
排风柜控制器要依据面罩高度Vs、反馈量Fb和其他设定量实时计算排风量的大小，即计算出文丘里阀的控制电压值Vout，并将实际的排风量S或面风速v显示在面板上。阀门控制电压Vout、面罩高度Vs和排风量S计算公式如式(1)～式(3)所示。
其中，k1=0.06～0.42；k2=0.4；W为面罩宽度(实际测量值)；q为是否待机的相关设定值；n=0.6～1.4，为漏风调整值；hmax和hmin为面罩的最高位置和最低位置；Zmax和Zmin为面罩最高和最低位置的相应电压值；Zs为面罩实际位置；Fb为风量反馈电压；a=860，为风量值与电压值的对应关系。
软件设计主要实现信息量的采集、通信、参数设置和信息显示。软件框图见图5。
本文介绍的基于ARM芯片设计的排风控制系统，很好地解决了化学实验室毒害气体的排放，排风柜控制系统保证了实验人员的安全，对实验室的补风控制减少了实验室室内能量的损失。通过长时间的工作运行，证明了该排风系统的可行性和有效性。此系统对于其他实验室的气体排放有一定的参考作用。
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