生物安全柜能够在一定空间内防止某些危险性标本发生气溶胶扩散，常用于医疗机构的部分科室，包括感染科、病理科、检验科、静配室等 ^[1]。生物安全柜的核心技术是确保柜内一定的负压状态，通过柜内的下降气流和柜前窗口的流入气流保护医务人员的安全。配备的传统排风控制系统存在响应慢、精度低、无法自适应调节等问题，难以满足日益严格的生物安全要求。生物安全柜的柜内排风系统一旦不畅通，造成下降气流速度和流入气流速度下降，甚至气流外溢，会给医务人员及样品带来巨大的风险 ^[2]。根据我院每年生物安全柜的性能检测结果可知，其下降气流速度与流入气流速度不合格率最高。影响生物安全柜通风效果的主要部件包括进风初效过滤器、进风高效过滤器、出风高效过滤器、排风电机等 ^[3]。一方面，各种过滤器随着设备的使用时间延长会逐渐影响通风效果，另一方面，生物安全柜需把过滤后的空气排至建筑外或指定的废气处理管路，排放系统要根据科室的布局安装，当排风路径较长时可影响排风效果 ^[4-6]。基于此，本研究提出一种基于STM32F103C8T6的智能排风控制装置，利用其高性能 32 位处理器与丰富的外设接口，实现对生物安全柜气流的实时监测与精确控制。

1  装置设计

1.1  设计方案

本研究设计的一种生物安全柜智能排风控制装置，主要包括硬件设计和软件设计。硬件设计通过流速传感器监测生物安全柜下降气流速度与流入气流速度，根据流速智能排风控制装置，进一步提升生物安全柜的排风效率；软件设计通过主程序设计，包括程序初始化、按键扫描、流速采集与处理、PID 控制、液晶显示器（liquid crystal display，LCD）显示、报警等部分，实现控制装置的软件操作。

1.2  硬件设计

系统采用模块化设计架构， 由主控模块（STM32F103C8T6 最小系统）、流速检测模块、电机驱动模块、电源模块、LCD 显示模块、按键、报警模块组成，见图 1。主芯片为 STM32F103C8T6（单片机芯片，意法半导体公司）；流速传感器铂热电阻 [ 科宝德测控技术（上海）有限公司，型号：Ptl00]；电机驱动模块（Allegro MicroSystems 公司，型号：A4950）；电压转换芯片（美国微芯科技公司，型号：LM2576-5）；差分放大器（TI 公司，型号：LM393）； 低压差线性稳压器（Richtek Technology Corporation，型号：RT9193-33GB）；风速仪（TSI 公司，型号：TSI9565）；LCD（厦门龙特电子科技有限公司，型号：LCD1602）。

图 1 生物安全柜智能排风控制装置主控制器设计图

（1）主控模块。STM32F103C8T6 最小系统集成8 MHz 外部晶振与复位电路包括模数转换器（analog to digital converter，ADC）采样通道：PA8；PWM 输出：PB10（TIM2_CH3）控制排风电机；LCD 接口：PA0-PA7（数据总线），PB0-PB2（控制信号）；按键输入：PB12-PB15；报警输出：PB4（蜂鸣器）、PB3（LED指示灯）。主控制电路图见图 2。

图 2 主控制电路图

（2）流速检测模块。系统采用铂热电阻构建流速检测电路，利用 STM32F103C8T6 内置的 12 位 ADC替代传统外部 ADC 芯片，实现对流速信号的直接采集与数字化处理。其工作原理为当流体流经被加热的铂热电阻 Ptl00 时，其热量损失与流体流速呈函数关系。在低温环境下（< 100 ℃），热辐射可忽略不计，热量传递主要通过热对流实现。流速变化导致铂热电阻 Ptl00 温度改变，进而引起阻值变化。通过阻值变化转换为电压信号变化，再由 STM32F103C8T6 的ADC 采样并转换为数字量，最终通过校准算法换算为实际流速值。流速检测电路见图 3。LM393 差分放大器将电桥输出的微弱差分信号放大至 0 ~ 3 V，匹配 STM32F103C8T6 的 ADC 输入范围。输出端的RC 低通滤波器电路（R4 = 10 kΩ，C1 = 0.1 μF）滤除高频噪声，截止频率约为 159 Hz。该设计通过硬件与软件的协同优化，实现对生物安全柜内气流速度的高精度检测，为智能控制提供可靠数据基础。

图 3 气体流速检测电路

（3）排风电机驱动模块。基于定时器（timer，TIM） 的脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）输出控制电路，通过 A4950 电机驱动模块实现电机无级调速。系统通过 A4950 电机驱动模块驱动管道风机，其电路图见图 4。A4950 的 IN2 脚用于连接主控模块的 PWM 信号输出脚，通过 PWM 信号控制管道风机的转速；VREF 脚连接 VCC；VBB 脚连接 24 V 负载电压；OUT1 脚和 OUT2 脚用于连接管道风机；LSS 脚连接检测电阻，用于检测运行电流。LSS 脚为 H 桥的电流控制，通过精密电阻接地限制电流（过流保护），若直接接地则不限流。本次设计 RS 电阻为 0.25 Ω，限流参考电压为 VREF脚的 5 V 电压，限流电流值 =VREF/10/RS=2A。

图 4 电机驱动电路图

（4）电源模块。生物安全柜智能排风控制装置采用的输入电源电压为 24 V，为满足内部芯片供应要求，电源模块采用内置电压 DC-DC 转换电路。DC-DC 转换电路采用电压转换芯片 LM2576-5，其VIN 脚连接 24 V 电压，VOUT 脚连接稳压管 D2、电感 L11 和电容 C6 组成的滤波电路。电路图见图 5。

图 5 电压转换电路图（24 V 转 5 V）

除了 24 V 转 5 V 电路，系统还采用 RT9193-33GB 低压差线性稳压器实现 5.0 V 至 3.3 V 的电压转换，为 STM32F103C8T6 及其他核心组件提供稳定电源。该芯片具有超低压差，显著降低功耗，提升转换效率。高精度输出可满足中央处理器及精密传感器的供电需求。快速瞬态响应，内置频率补偿电路，可快速响应负载变化，确保动态过程中电压稳定。集成过流和热关断保护功能，增强系统的可靠性 ^[7]。在电路设计中，RT9193-33GB的输入端配置 10 μF 陶瓷电容与 22 μF 电解电容并联，输出端采用 10 μF 低等效串联电阻（equivalent series resistance，ESR）陶瓷电容，有效改善高频响应，并抑制输出电压波动。该方案为生物安全柜智能排风控制装置提供了稳定、低噪声的电源环境，保障了精密传感器与 MCU 的可靠运行。电路图见图 6。

图 6 电压转换电路图（5.0 V 转 3.3 V）

（5）LCD 显 示 模 块。 系 统 LCD 电 路 采 用LCD1602，用于显示运行参数，包括流速、错误代码等。LCD 电路图见图 7。

图 7 LCD 电路

1.3  软件设计

系统的软件架构主要功能模块包括：（1）系统初始化。配置系统时钟、ADC、TIM 等外设。（2）数据采集模块。定时读取流速传感器数据并进行数字滤波。（3）控制算法模块。基于 PID 算法计算最优电机转速。（4）人机交互模块。LCD 显示更新与按键处理。（5）报警处理模块。多级阈值判断与报警触发。系统的排风电机控制模块采用闭环控制算法，即采用增量式 PID 控制算法实现排风电机转速的动态调节，算法通过调节 PWM 占空比控制A4950 驱动模块，实现电机转速 0 ~ 100% 无级调节，确保气流稳定在目标区间。

系统上电后依次执行初始化配置，正常后进入主循环。主循环以 100 ms 为周期，按顺序执行数据采集、PID 控制、界面刷等新任务，并通过中断响应按键与报警事件，确保系统的实时性与可靠性。通过上述软件设计，系统实现了从数据采集、智能控制到人机交互的全流程自动化管理，可有效提升生物安全柜排风系统的智能化水平与应急响应能力。主程序运行流程见图 8。

图 8 生物安全柜智能排风控制装置主程序图

1.4  装置结构构成

系统结构主要包括电源、流速传感器、主控制器、管道排风电机 4 个部分。主控制器采用 24 V电源供电，内置 DC-DC 转换电路，满足内部各种芯片供电，按键 1 和按键 2 用于设定流速值，按键 3 用于参数确定，按键 4 用于查看错误代码和报警复位键；液晶显示屏用于显示各参数信息和错误代码信息；报警指示灯用于显示控制器运行状态 ^[8]。

图 9 生物安全柜智能排风控制装置结构示意图

2  临床验证

2.1  装置安装与性能测试

（1）将铂热电阻流速传感器固定于生物安全柜下降气流出风口及前窗进风口，确保测量点覆盖关键气流路径；排风电机驱动模块与外部管道风机连接，并通过 24 V 电源供电 ^[9]。安装示意图见图 10。（2）当流速传感器检测的流速低于设定流速时，主控器控制管道排风电机转速变快，提升排风速率，进而提升生物安全柜的下降气流速度和流入气流速度。依据 GB 41918—2022《生物安全柜》^[10] 及 YY/T 1540—2017《医用 Ⅱ 级生物安全柜核查指南》^[11]，生物安全柜的下降气流速度为 0.25 ~ 0.50 m/s，Ⅱ A1 等级的生物安全柜流入气流速度≥ 0.40 m/s，Ⅱ A2、Ⅱ B1、Ⅱ B2 等级的流入气流速度≥ 0.50 m/s。静态性能测试为：在空载条件下，启动生物安全柜并稳定运行 30 min，使用风速仪（精度 ±0.01 m/s）同步测量柜内气流流速，验证系统检测精度与显示一致性。稳定性测试为：连续运行装置 72 h，每小时采集并记录 1 次流速数据、电机功耗及报警次数，评估系统的长期可靠性。

图 10 生物安全柜智能控制排风装置安装示意图

2.2  验证方法

系统在性能测试过程中，设定下降气流流速报警限位 0.30 m/s，Ⅱ A1 等级生物安全柜的流入气流流速报警限位 0.45 m/s，Ⅱ A2、Ⅱ B1、Ⅱ B2 等级生物安全柜流入气流流速报警限位 0.55 m/s。当生物安全柜触动报警限位时，一方面控制管道排风电机转速，进而提升下降气流流速和流入气流流速，提升生物安全柜的通风效率；另一方面提醒医务人员及工程师，及时对生物安全柜进行提前干预，做好预防性维护保养工作，包括更换过滤器、检测风机等 ^[12]。

本项目采用的生物安全柜（苏州安泰空气技术有限公司， 型号：BSC-1604IIA2-E）等级为Ⅱ A2，已使用 2 年。检验科对 3 台生物安全柜（分别设定为 1、2、3 号）进行临床试用，检测其下降气流流速和流入气流流速，每天检测 1 次，检测时间为 1 个月，共计 30 次。以未安装本系统检测的数据为对照组，安装本系统检测的数据为实验组。

2.3  统计学处理

采用 SPSS 23.0 统计软件进行数据分析。计量资料以 x ±s 表示，采用 t 检验。P< 0.05 为差异有统计学意义。

2.4  结果

实验组 3 台生物安全柜的下降气流流速与流入气流流速均高于对照组（P< 0.05），见表 1、表 2。

表 1 两组生物安全柜下降气流流速比较（m/L，x ±s）

表 2 两组生物安全柜流入气流流速比较（m/L，x ±s）

3  讨论

生物安全柜作为生物实验室与医疗机构的核心防护设备，主要确保医务人员免受有害气溶胶的暴露，确保样品免受外部空气的污染，确保实验室和外部环境排出的气体不会造成污染。因此，生物安全柜通风系统性能直接关系到操作人员、实验样本及环境的安全 ^[13]。因此，本研究设计智能排风控制装置，旨在通过 STM32F103C8T6 微控制器实现气流的精准监测与动态调节，从而提升生物安全柜的生物安全防护水平。硬件层面，采用内置 ADC 替代传统外部模数转换芯片，结合铂热电阻传感器与差分放大电路，满足 ISO 14644—1 Class 5 级洁净度要求 ^[14]。软件层面，基于增量式 PID 控制算法的闭环调节机制，实现排风电机转速平滑控制，以及风速的稳定控制。系统采用的报警机制与 LCD 显示 /声光提示结合，以确保准确报警，进一步发现设备潜在风险。

临床测试结果显示，实验组生物安全柜的下降气流流速与流入气流流速均高于对照组（P < 0.05）。由于生物安全柜在传统控制的运行过程中，进风初效过滤器、进风高效过滤器、出风高效过滤器等过滤器会随着使用时间的延长而被堵塞，影响排风风速，而进风风机、排风风机、管道排风风机的转速固定，因此，生物安全柜的下降流速和进入流速会渐渐下降，进而增加医务人员和样品感染的风险。

与传统控制系统相比，本装置在流速控制方面能够进一步提升生物安全柜的安全性能。尽管在环境适应性、通信扩展性及能耗优化方面仍有改进空间，但该装置通过智能预警与预测性维护为医疗机构提供了主动式安全防护方案，尤其适用于高风险病原体操作、基因编辑等对气流稳定性要求较高的场景，有助于进一步提升生物安全柜的性能 ^[15-17]。

综上所述，本研究针对目前生物安全柜通风系统存在的缺陷，设计一种智能排风控制装置，不仅能够实时检测生物安全柜的通风流速，还能够提升通风效率 ^[18-19]。其安装简单，使用便捷，通过闭环反馈机制动态调整电机转速，确保柜内气流稳定在安全范围内，对于提升生物安全柜的性能、减少相互感染风险具有较大的应用价值。

【参考文献】 

［1］赵辉 . 生物安全柜现场测试常见问题剖析 [J]. 中国医院建筑与装备，2023，24（6）：75-78.

［2］程环，刘松竹，何春泽，等 . Ⅱ级生物安全柜校准装置的研建 [J]. 化学分析计量，2022，31（5）： 64-71.

［3］王梓权，刘思渊，甄啸啸，等 . 生物安全柜防护性能评价用标准物质研制 [J]. 计量学报，2023，44（3）：334-340.

［4］王会如， 王霖， 战玢 . 深度解析在用Ⅱ级生物安全柜现状 [J]. 中国医疗器械信息，2019，25（5）：43-47.

［5］刘巍，王冠杰，侯丰田，等 . 某机构 A2 型Ⅱ级生物安全柜使用现状分析 [J]. 机电信息，2022，（16）：44-47.

［6］许新建，张志芳，汤栋生，等 . 医用生物安全柜质量控制的研 究 [J]. 中国医学装 备，2017，14（11）：44-46.

［7］胡云斌，胡永贵，周前能 . 一种缓冲器阻抗动态调整的 LDO[J]. 微电子学，2017，47（6）：772-776.

［8］姜涛 . 生物安全柜常见故障维修及维护保养 [J]. 设备管理与维修，2021（21）：62-63.

［9］李凯，李东玥，宋强 . 浅谈 JJF1815—2020 标准Ⅱ级生物安全柜检测性能测试与维护保养 [J]. 中国设备工程，2023，（4）：181-183.

［10］国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.生物安全柜：GB 41918—2022[S]. 北京：中国标准出版社，2022.

［11］国家药品监督管理局 . 医用Ⅱ级生物安全柜核查指南：YY/T 1540—2017[S]. 北京： 中国标准出版社，2017.

［12］张灿有，夏辉，成君 . Ⅱ级生物安全柜在结核病实验室中的检测及报告要求 [J]. 中国防痨杂志，2020，42（9）：903-909.

［13］王磊，李静，张涛 . Ⅱ级生物安全柜气流组织优化与性能测试研究 [J]. 中国医疗设备，2022，37（8）：56-60.

［14］国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.洁净室及相关受控环境 第1部分：按粒子浓度划分空气洁净度等级： GB/T 25915.1—2021[S]. 北京：中国标准出版社，2021.

［15］李峰， 张伟， 陈立 . 基于 STM32F103 的生物安全柜风速智能监控系统设计 [J]. 自动化与仪表，2022， 37（5）：32-36.

［16］王海涛，刘洋，赵敏 . 增量式 PID 在洁净室压差控制中的动态响应优化 [J]. 控制工程，2021，28（8）：1497-1502.

［17］周晓燕，黄志强，吴帆 . 基于多级阈值报警的生物安全设备风险预警系统 [J]. 中国医疗设备，2020， 35（12）：108-112.

［18］吴建华，林雪梅，郑涛 . 智能生物安全柜在多中心临床应用中的稳定性与安全效益分析 [J]. 中国医学装备，2023，20（7）：89-93.

［19］张启航，周敏，王哲 . 生物安全设备智能化转型对高风险病原体操作的防护升级研究 [J]. 中国医疗器械杂志，2022，46（4）：378-382

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