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轉換器得到數字化的壓差量，根據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，還可根據氣體體積流量、氣體類型（系統內置相應密度）、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的設置，保證流量計在獨立狀態下工作，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。
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據進行*標定和溫度補償的SDPl000熱傳導式差壓傳感器，進行超微量氣體流量的數據采集。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字化實現）。
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，根據動態測量原理，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總線直接輸出數字量溫、濕度值，具有長期的穩定性。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周期的思路，微控制器測控小系統采用如圖4所示的設計方案。

壓力傳感器將壓力信號轉變為o．25—4V的電壓信號后，經ADCl接口進行模數轉換，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據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參數、控制系統狀態、顯示輸出計量結果或系統狀態信息，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（包括系統狀態、氣體類型狀態、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對氣體流量計的遠距離控制和信息采集，本系統中的應用程序按照通信協議的約定與流計通信，實現需要的功能，為使通信協議能夠同時支持人、機終端交互，通信協議特選用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接口與微機進行數字通信時應遵循的協議（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：根據壓差（壓差）、溫度、濕度、氣體類型（對應密度）以及參數信息計算出流量信息，并根據控制算法完成對比例調節閥的控制。