摘 要：介紹了一種氣體流量的精密測量與自動控制裝置，采用單片機作為微控制器，選用流量傳感器、獨立按鍵、12864液晶等作為輔助設(shè)備，實現(xiàn)氣體流量數(shù)據(jù)的實時采集、顯示和處理，并建立人機界面友好的流量測量和控制系統(tǒng)。試驗表明，該裝置具有控制精度高、實時性好、反應(yīng)速度快，功耗低，價格低廉等優(yōu)點，適用于小流量氣體的測量與控制。

關(guān)鍵詞：單片機 氣體流量 實時采集 人機交互 自動控制

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0009-02

氣體質(zhì)量流量控制器（MFC）是一種能夠?qū)怏w流量進行測量與控制的設(shè)備。隨著真空領(lǐng)域和半導體行業(yè)的發(fā)展，氣體流量控制器的重要性更加突顯出來，它的主要作用是對氣體的流量進行精確地檢測和控制，以達到工藝要求。在半導體制作過程中，如分子束外延、等離子刻蝕、擴散等關(guān)鍵工藝，都要求對氣體的流量進行嚴格的控制。氣體流量控制器在現(xiàn)代新能源新材料領(lǐng)域中應(yīng)用也非常廣泛，如在單晶硅、多晶硅、非晶硅、太陽能集熱管以及太陽能電池等的生產(chǎn)制造過程中，也需要通過氣體流量控制器來對氣體的流量進行精確的計量和嚴格的控制。

1 工作原理

總體設(shè)計方案如圖1所示，被檢測的氣體通過一個流量傳感器，傳感器實時采集流量數(shù)據(jù)，并送到A/D轉(zhuǎn)換器，即可得到數(shù)字化的流量信息，再與設(shè)定值進行比較，根據(jù)比較所得的差值，控制舵機的轉(zhuǎn)向，通過齒輪傳動進而調(diào)節(jié)閥門的開度大小，實現(xiàn)流量的自動控制。該裝置以單片機作為核心控制芯片，采用PID控制算法，并提供基本的人機交互界面，配備有12864液晶顯示屏和獨立按鍵，通過LCD顯示器輸出氣體的瞬時流量和累積流量。

2 設(shè)計方案及選材

2.1 電源部分

本裝置總的供電系統(tǒng)如圖2所示。

2.1.1 穩(wěn)壓電路

本裝置采用8～10 V的蓄電池作為電源，由于單片機、舵機和A/D轉(zhuǎn)換芯片（ADC0804）所需電壓均為5 V，因此在蓄電池后，需加穩(wěn)壓電路使其電壓降低才能達到各部分對電壓的要求。

本裝置采用線性LM2940穩(wěn)壓芯片，其具有紋波小、轉(zhuǎn)換效率高、電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。其部分參數(shù)如下：輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；輸出電壓5 V；輸出電流1A；輸出電流1A時，最小輸入輸出電壓差小于0.8 V；最大輸入電壓26 V；工作溫度 -40 ℃～+125 ℃；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護、電池反接和反插入保護電路。

2.1.2 傳感器供電電路

因為流量傳感器的工作電壓為8～18 V，故蓄電池可以直接給傳感器供電，如圖2所示。

2.2 控制部分

控制系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖3所示。

2.2.1 單片機芯片的選擇

以STC89C52芯片作為微處理器，其主要特點：低功耗、高性能，具有8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，3個16位定時器/計數(shù)器，最高運作頻率35 MHz等等?；谄湟陨瞎δ芴匦?，該芯片可以很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計的需要。

2.2.2 流量傳感器的選擇

選擇美國矽翔微機電系統(tǒng)公司生產(chǎn)的FSG4003熱式質(zhì)量流量傳感器進行氣體流量的數(shù)據(jù)采集，該傳感器的主要特點：靈敏度高，有極小的始動流量；傳感器芯片采用熱質(zhì)量流量計量，無需溫度壓力補償，保證了傳感器的高精度計量；在單個芯片上實現(xiàn)了多個傳感器集成，使傳感器的量程比大大提高；零點穩(wěn)定度高，低功耗，響應(yīng)時間快等。這一傳感器適用于各類清潔氣體，獨特的封裝技術(shù)使之可用于各類管徑，成本低、易安裝，可替代容積式或壓差式的傳統(tǒng)流量傳感器。其性能指標見表1。

流量傳感器采集的模擬信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為單片機可以處理的數(shù)字信息。再按照圖4中的轉(zhuǎn)化關(guān)系，就可計算出氣體的質(zhì)量流量，進而通過液晶顯示器顯示出來。

2.2.3 人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)可以分為2個獨立的小模塊，即鍵盤信號識別和LCD顯示，本裝置選擇獨立按鍵作為外部輸入，12864液晶顯示流量信息。人機交互系統(tǒng)的核心主要任務(wù)有3個：第一是設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。第二是控制系統(tǒng)狀態(tài)。第三是通過顯示器輸出計量結(jié)果和系統(tǒng)狀態(tài)信息。

2.2.4 自動控制閥部件

本裝置通過齒輪傳動把舵機和調(diào)節(jié)閥連接起來，如圖5所示。

3.3 程序設(shè)計部分

其主流程圖如圖6所示。計算任務(wù)和控制任務(wù)是流量控制裝置的一個核心任務(wù)，根據(jù)流量傳感器采集的流量參數(shù)計算出流量信息，并根據(jù)PID算法完成對流量閥開度的調(diào)節(jié)。

3.3.1 PID算法

PID算法是目前一般控制領(lǐng)域中經(jīng)常使用的自動控制算法，它依據(jù)給定的設(shè)定值，反饋值，以及比例系數(shù)，積分和微分時間，計算出一定的控制量，使被控對象能保持在設(shè)定的工作范圍，并且可以自動的消除外部擾動。該裝置采用PID算法作為控制流量的主要算法。下面介紹PID算法的實現(xiàn)以及其離散化的過程和依據(jù)。

位置式PID算法在時域的傳遞函數(shù)表達式：

對上式中的微分和積分進行近似

式中：為離散點的個數(shù)。

于是傳遞函數(shù)可以簡化為：

其中：

用經(jīng)驗法確定了一組調(diào)節(jié)參數(shù)：，，。

3.3.2 本裝置可實現(xiàn)兩個的功能

功能1：氣體以恒定的流速輸出。通過按鍵設(shè)定流量值，控制器把瞬時流量值和設(shè)定值進行比較。若該差值大于瞬時流量穩(wěn)定度，控制器就會發(fā)出命令，驅(qū)動舵機正旋或反旋來調(diào)節(jié)閥門，使瞬時流量值接近或等于設(shè)定值。

功能2：氣體輸出某一恒定質(zhì)量的氣體。通過按鍵設(shè)定總流量值，控制器通過積分運算計算出累積流量，并設(shè)定值進行比較，當累積流量等于設(shè)定值時，控制器發(fā)出命令，驅(qū)動舵機關(guān)閉閥門。

4 結(jié)語

基于真空領(lǐng)域和半導體領(lǐng)域?qū)怏w流量控制器的需求，市場上現(xiàn)有的流量控制器大都針對較大流量氣體的控制，不能滿足小流量氣體的測量與控制的要求。本文設(shè)計了一種新型的氣體流量的精密測量與自動控制裝置，該裝置采用FSG4003熱式質(zhì)量流量傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對氣體流量信息的快速、精確測量，單片機作為微處理器，模塊集成化高，處理速度快，采用PID算法，使控制更迅速。裝置配備了較好的人機交互界面，使流量顯示更直觀，操作起來更便捷。此外，與市場上氣體流量控制器相比，該裝置具有價格低廉，裝配容易的優(yōu)勢，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]朱貴憲.基于MC9S08GB60單片機的超微量氣體流量計設(shè)計[J].安陽工學院學報，2010，9（6）：58-60.

[2]祝亞力.反饋式氣體質(zhì)量流量測量裝置[J].河北機電學院學報，1998（2）：32-36.

[3]馬兆俠.質(zhì)量流量計流量調(diào)節(jié)自動化的實現(xiàn)[J].儀器儀表用戶，2005（2）：65-66.

[4]盧丹.基于LabVIEW的氣體流量測試系統(tǒng)設(shè)計[D].江蘇：南京理工大學，2010.

[5]劉國志.基于模糊PID控制的PWM型電磁比例閥的研究[J].貴州科學，2012，30（5）：45-48.

[6]胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2003.