氣體流量計硬件設計

超微量氣體流量計的硬件組成如圖l所示，被檢測氣體通過標準孔板節(jié)流元件，產生壓力差（△p），用高精度的壓差傳感器（硅壓力傳感器）檢測△p，并轉換為毫伏級的弱電壓信號，該信號經運算放大器放大后，傳送至A／D轉換器得到數(shù)字化的壓差量，根據(jù)該壓差量計算氣體的體積流量，并在氣路中接入一個比例電磁閥構成氣體流量控制器，來控制氣體的流量。如果需要，還可根據(jù)氣體體積流量、氣體類型（系統(tǒng)內置相應密度）、溫度和濕度，進一步計算出氣體的質量流量。
選用Mc9S08GB60（簡稱GB60 MCu）單片機作為氣體流量計的核心控制芯片，流量計提供基本的人機對話手段（包括LCD顯示和一個4鍵鍵盤），基于此可以對流量計進行基本的控制
和設置，如工作模式、顯示、氣體類型和密度等參數(shù)的設置，保證流量計在獨立狀態(tài)下工作，并通過LcD顯示器輸出測量結果。另外，流量計還配備RS232和Rs485通信接口，利用Rs232接口，通過嵌入式控制系統(tǒng)或微機同樣也可以對流量計進行控制和設置；RS485通信接口支持多機通信，一個嵌入式控制系統(tǒng)可以控制多個流量計，并與它們通信，形成一個多點流量檢測系統(tǒng)。
當一個或多個流量計作為組件在大型儀器內部使用時，可以將LCD顯示和鍵盤去掉，以減小體積、節(jié)約成本。
1．1熱傳導式差壓傳感器
選擇CMOsens技術的基于熱式原理，將熱傳感器、信號放大器和A／D轉換器集成在一塊CMOS芯片上，并通過內部微控制器將檢測數(shù)據(jù)進行*標定和溫度補償?shù)腟DPl000熱傳導式差壓傳感器，進行超微量氣體流量的數(shù)據(jù)采集。與其它熱差壓傳感器相比，所需空氣量極少、量程更寬、性能更穩(wěn)定，在低差壓段的重復性*、可耐瞬時的較大壓力、對安裝方向不敏感，即使在惡劣環(huán)境中操作同樣安全可靠，能夠、快速地測量微小差壓。SDPl000差壓傳感器的主要性能指標如下：
a．測量范圍為-5～125Pa，-20—500Pa，-100～3 500Pa：
b．精度和分辨率高，可達0．05Pa；
c．工作溫度范圍為一10一+60℃；
d．采用5 V電源供電，O．25～4V電壓輸出
（輸出電壓在0．25V以下表示負壓差，雖然是模擬輸出，但是內部線性化和溫度補償均為數(shù)字化實現(xiàn)）。
SDPI000壓差傳感器具有線性和開方兩種輸出特性，在5V供電電壓線性輸出情況下的壓差值和輸出電壓之間的關系如圖2所示。

SDPl000壓差傳感器連接在氣路中時，推薦使用內徑為3／16inch（1inch=O．025 4m）內徑的軟管連接，根據(jù)動態(tài)測量原理，差壓與氣體流量之間的關系如圖3所示。實驗證明，該氣體流量計流量的可測范圍為O一500sccm（O℃時，lsccm=1．667×10L／s）。

1.2溫、濕度傳感器
選用基于cMOSens技術的SHTl0新型溫濕度傳感器，它將溫濕度傳感器、信號放大調理、A／D轉換和IIC總線接口全部集成于一個芯片上，可通過IIC總線直接輸出數(shù)字量溫、濕度值，具有長期的穩(wěn)定性。濕度輸出分辨率為14位，濕度測量范圍為0一100％RH，精度在±3．0％RH；溫度輸出分辨率為12位，溫度測量范圍為-40一+123．8℃，精度在±0．4℃（25℃）；電源電壓為2．4～5．5V。
1．3硬件接口電路及系統(tǒng)任務分析
基于減小體積、降低功耗、提高可靠性以及縮短開發(fā)周期的思路，微控制器測控小系統(tǒng)采用如圖4所示的設計方案。

壓力傳感器將壓力信號轉變?yōu)閛．25—4V的電壓信號后，經ADCl接口進行模數(shù)轉換，一次轉換結束后產生一個中斷，進入中斷服務程序之后將轉換結果讀出并寫入到全局變量中，以備計算流量時使用。sHTl0溫度和濕度檢測芯片采用非標準的IIC接口和主處理器接口，因此無法與處理器自帶的標準11C接口通信，只使用兩條信號線與微處理器通信，可將基于80C5l微控制器的應用程序移植到08微控制器上，通過該程序讀出的溫度和濕度數(shù)據(jù)寫入到兩個全局變量中，以備流量計算時使用。
人機交互的核心目的是設定系統(tǒng)參數(shù)、控制系統(tǒng)狀態(tài)、顯示輸出計量結果或系統(tǒng)狀態(tài)信息，可以被分解成鍵盤信號處理和LCD顯示任務。鍵盤信號處理任務的外部輸入信號雖然只有4種（4個鍵），但是，它的實際輸入信息卻很多，這些輸入信息大部分來自內部存儲的全局變量（包括系統(tǒng)狀態(tài)、氣體類型狀態(tài)、當前設定的位置、當前設定量的值等），因此其處理程序分支流程較多，結構較為復雜。顯示任務主要是刷新LcD顯示，由一系列子程序構成，這些子程序往往被鍵盤信號處理任務、定時期任務或串行通信任務調用。
串行通信任務是通過微型計算機實現(xiàn)對氣體流量計的遠距離控制和信息采集，本系統(tǒng)中的應用程序按照通信協(xié)議的約定與流計通信，實現(xiàn)需要的功能，為使通信協(xié)議能夠同時支持人、機終端交互，通信協(xié)議特選用ASCⅡ碼字符作為通信元素，便于記憶、理解和使用。采用這種通信方式時可以選用Rs232或RS485兩種通信標準中的一種，Rs232僅支持點到點通信方式，RS485支持一主多從的多機通信方式。筆者設計的流量計／流量控制器采用RS485接口與微機進行數(shù)字通信時應遵循的協(xié)議（Rs232通信可以參考RS485通信方式操作），*取代了小鍵盤和液晶顯示器的功能。
計算和控制任務：根據(jù)壓差（壓差）、溫度、濕度、氣體類型（對應密度）以及參數(shù)信息計算出流量信息，并根據(jù)控制算法完成對比例調節(jié)閥的控制。