蘇燕云，孫 明

(華東交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，江西 南昌 330000)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器的連續(xù)測(cè)量具有其不可替代的優(yōu)點(diǎn).即使這樣，仍需要進(jìn)行線(xiàn)性補(bǔ)償，因?yàn)闇y(cè)量的參數(shù)多，且其穩(wěn)定性和靈敏度與流量和采樣信號(hào)之間存在非線(xiàn)性關(guān)系.隨著科技不斷地進(jìn)步，補(bǔ)償技術(shù)也不斷地進(jìn)行修改與完善，測(cè)量的精度和范圍熱式都使流量傳感器有很大的提高，但是仍存在一些不足之處，如一致性差、流速低、熱擾動(dòng)小、耐腐蝕性差、價(jià)格高、易損壞等.近年來(lái)熱消散TMF的研究工藝突飛猛進(jìn)，性能已經(jīng)趨于穩(wěn)定，受各個(gè)領(lǐng)域市場(chǎng)的歡迎.但是國(guó)外產(chǎn)品的價(jià)格偏高，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品性能無(wú)法達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平.當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外投入生產(chǎn)使用的熱式質(zhì)量流量傳感器總體所需成本較高而且工藝復(fù)雜，現(xiàn)將對(duì)一些工藝進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一款較為簡(jiǎn)單的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì).

結(jié)合新型半導(dǎo)體熱式流量傳感器，采用單片機(jī)來(lái)控制氣體的質(zhì)量流量及其顯示，利用單片機(jī)作為主控器件(AT89S51)，八段數(shù)碼管和74ALS164芯片作為顯示電路、操作電路按鍵、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)控制氣體流量氣體流量及自動(dòng)控制器的輸出控制電路組成的變送器.它可以有效地降低生產(chǎn)成本和工藝復(fù)雜程度，維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單化，能更好地投用于生產(chǎn).企業(yè)也通過(guò)測(cè)量的變量來(lái)了解產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的異常，監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程中的各類(lèi)參數(shù)[1]，保證產(chǎn)品生產(chǎn)中的安全性，降低異常項(xiàng)，提高經(jīng)濟(jì)效益.

1 新型半導(dǎo)體熱式流量傳感器設(shè)計(jì)

新型熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)當(dāng)中最重要的部件是兩個(gè)傳感器，一個(gè)是恒溫功率傳感器，另一個(gè)是溫度傳感器.其與之前市場(chǎng)上流通的流量傳感器對(duì)比，主要優(yōu)勢(shì)在于使制作工藝簡(jiǎn)單化同時(shí)又增強(qiáng)了穩(wěn)定性.

新型半導(dǎo)體傳感器主要由恒溫功率探頭和溫度檢測(cè)探頭兩部分組成.其中T1采用西法HC-05B恒溫控制器，參數(shù)為Φ5 mm*4 mm，當(dāng)正常工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)穩(wěn)定在102 ℃狀態(tài).在正常工作狀態(tài)下，氣體會(huì)帶走部分熱量，為了使溫度一直處于102 ℃，經(jīng)過(guò)T1的電流或者電壓會(huì)相應(yīng)的增加.通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)公式就可以計(jì)算出流體的質(zhì)量流速[2].

T2采用電流型器件AD590作為溫度探頭[3-4]，參數(shù)Φ為5 mm*5 mm.由于攝氏度與開(kāi)爾文溫度的換算關(guān)系：開(kāi)爾文溫度= 攝氏度+273.15.其電流與開(kāi)爾文溫度存在的一定的函數(shù)關(guān)系，隨著溫度的增加輸出電流也在增加，溫度每增加1 ℃時(shí)輸出電流就會(huì)增加1 μA,然后在室溫25℃的時(shí)候，它的輸出電流Io=(273+25)=298 μA.其中傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，恒溫功率探頭和溫檢探頭設(shè)計(jì)嵌入到測(cè)量桿的里面[5]，這樣探頭沒(méi)直接暴露在外與氣體直接接觸，起到一定保護(hù)元件的作用，不會(huì)輕易被具有腐蝕性的氣體腐蝕而損壞，大大降低了材料的成本.

圖2為流量傳感器結(jié)構(gòu)和測(cè)量桿具體結(jié)構(gòu)圖.

(b) 傳感器外殼結(jié)構(gòu)圖圖2 流量傳感器結(jié)構(gòu)和測(cè)量桿具體結(jié)構(gòu)圖

由圖2(a)可知，這是一個(gè)支撐單位，它是用來(lái)支撐T1探頭的，該結(jié)構(gòu)主要用于支撐和固定T1探頭，讓T1探頭在對(duì)抗被測(cè)氣體沖擊的時(shí)候起到固定作用，避免被T1探頭被氣體沖擊時(shí)受到傷害損壞，降低用戶(hù)的成本.圖2(b)是該系統(tǒng)的傳感器外殼結(jié)構(gòu)圖，它的材質(zhì)是316 L不銹鋼.由圖1可知，可調(diào)探桿的連接下端是放置T1以及它支撐臺(tái)，溫度探頭T2放置在測(cè)量桿側(cè)面直徑為6 mm的孔中.

2 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變送器由主要硬件單片機(jī)和控制主子系統(tǒng)程序的軟件編程部分來(lái)組成[6-7].對(duì)氣體流量的數(shù)據(jù)收集探頭選用新型半導(dǎo)體材質(zhì)，用單片機(jī)作為主控器件.利用新型半導(dǎo)體探頭傳感器收集氣體流量的數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為流量信號(hào)，再將信號(hào)傳輸給51單片機(jī)，然后顯示器由單片機(jī)進(jìn)行控制，該質(zhì)量流量參數(shù)可以人為設(shè)定，并且還能對(duì)該參數(shù)進(jìn)行判斷并自動(dòng)調(diào)整.單片機(jī)系統(tǒng)原理圖，如圖3所示.

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)硬件模塊

硬件模塊主要包括CPU(AT89S51)為核心模塊、接口電路、電源設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、A/D變換電路和步進(jìn)電機(jī)控制接口電路部分.硬件的核心模塊選擇超高性?xún)r(jià)比、市場(chǎng)基數(shù)大、價(jià)格低、封裝體積小、方便組裝、占空間比較小，且兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)以及芯片80S51引腳結(jié)構(gòu)的CPU(AT89S51).

3.1 顯示接口電路

為了更直觀(guān)地反映系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，輸出采用LED顯示管，以 MCS-51對(duì)LED的顯示接口電路：顯示分為動(dòng)態(tài)模式和靜態(tài)模式.靜態(tài)顯示的功能是同時(shí)穩(wěn)定地顯示每個(gè)LED管.動(dòng)態(tài)顯示是指不間斷地顯示，人眼有著余輝效應(yīng)，加上LED燈的余暉會(huì)使人感覺(jué)它們像是同時(shí)都亮起來(lái)一樣，如圖4所示.

圖4 LED顯示電路

3.2 電源VCC設(shè)計(jì)

采用主控芯片AT89S51的時(shí)鐘頻率為12 MHZ，工作電壓為2～6 V.LM78XX芯片有三端穩(wěn)壓的效果，可以構(gòu)成一個(gè)非常穩(wěn)定的電路電源，所需的元件又較少，還具有保護(hù)電路的作用，這是非?？煽俊⒎奖愫拓?fù)擔(dān)得起的，所以使用LM7805穩(wěn)壓芯片5V電源電路設(shè)計(jì).具體的5 V電源電路如圖5所示.

圖5 5 V直流電源電路

3.3 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了5個(gè)鍵來(lái)完成操作，有用于流量設(shè)置的確認(rèn)鍵S1；用于對(duì)流量預(yù)設(shè)值設(shè)定功能的設(shè)置鍵S2；顯示流量功能之間的切換，用于在設(shè)置預(yù)設(shè)值時(shí)調(diào)整預(yù)設(shè)值的添加鍵S3和減去鍵S4；確認(rèn)按鈕S5設(shè)置存儲(chǔ)后使用默認(rèn)值.以上每個(gè)按鍵的具體操作是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn).

3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

A/D電路的類(lèi)型有兩種：一種類(lèi)型直接連接電子電路，另一種類(lèi)型可以直接連接單片機(jī).設(shè)計(jì)采用ADC0809與單片機(jī)的接口電路連接，見(jiàn)圖6.先選取模擬通道然后START引腳執(zhí)行轉(zhuǎn)化.釋放EOC(高級(jí))信號(hào)到結(jié)束轉(zhuǎn)換.單片機(jī)執(zhí)行信號(hào)控制邏輯電路OE端，讀取數(shù)字量輸入單片機(jī).

圖6 單片機(jī)連接圖

3.5 控制接口電路的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或線(xiàn)性位移的相應(yīng)電磁機(jī)械設(shè)備[8]，同時(shí)也是一種能增加輸出機(jī)械位移并輸入相應(yīng)數(shù)字脈沖的驅(qū)動(dòng)裝置,利用步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停功能[9]，只要機(jī)器上的負(fù)載不超過(guò)其本身就可以提供動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以用來(lái)控制其快速啟動(dòng)和停止輸入脈沖，步進(jìn)電機(jī)通常用于精確定位.電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵是有沒(méi)有輸入脈沖，電磁閥與單片機(jī)連接，通過(guò)控制器的脈沖數(shù)可以實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的精確開(kāi)度.利用芯片AT89S51單片機(jī)的時(shí)序脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，單片機(jī)AT89S51芯片對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)的控制電路，如圖7所示.

圖7 步進(jìn)電機(jī)與芯片AT89S51接口電路

4 系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)

變送器編程設(shè)計(jì)分為主程序控制系統(tǒng)和子程序控制系統(tǒng)兩大部分，主程序通過(guò)控制子程序?qū)ID控制算法來(lái)控制調(diào)用子程序完成所需工作指令，使得各個(gè)子程序相互關(guān)聯(lián)起來(lái).主程序起到了鏈接各個(gè)子程序的紐帶作用，對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行分配、系統(tǒng)初始化設(shè)置、整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制等.根據(jù)對(duì)各子程序段的調(diào)用，不斷進(jìn)行調(diào)試，完成軟件的設(shè)計(jì)功能.相關(guān)的子程序如：流量控制、A/D中斷程序、數(shù)碼管顯等，總程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示.

圖8 總程序設(shè)計(jì)流程圖

流量控制子程序中，對(duì)設(shè)定值的流量值與實(shí)際測(cè)試瞬流量值進(jìn)行誤差比值，根據(jù)PID調(diào)節(jié)算法[9-10]，得出增量式PID控制算法的計(jì)算公式：

ΔUi=P(Δei+Iei+DΔ2ei)，

(1)

式中：ei為本次實(shí)際測(cè)得的流量和設(shè)定值之差；

Δei=ei-ei-1；

Δ2ei=(ei-ei-1)-(ei-1-ei-2)=Δei-Δei-1；

P為比例系數(shù)；I為積分系數(shù)；D為微分系數(shù).

輸出控制變量表達(dá)式為：

Ui=Ui-1 +ΔUi.

(2)

程序的入口參數(shù)：偏差ek、ek-1、ek-2、測(cè)量值y、給定值r.

本程序占用資源：A，B，R0～R7，CY，F(xiàn)0.

程序如下：

PID1：MOV R0，#52H

MOV R1，#49H

LCALL FSUB

MOV R1，#46H

LCALL FSTR

MOV R1，#4CH

MOV R2，#06H

LCALL LPDM

MOV R0，#46H

MOV R1，#4CH

LCALL FMUL

MOV R1，#4FH

LCALL FSTR

……

設(shè)定值輸入程序

RDS：MOV R0，#30H；

MOV R2，#7FH；

MOV A，R2

LOOP：MOV P1，A；

MOV A，P1；

ANL A，#0FH；

MOV @R0，A；

INC R0；

MOV A，R2；

RR A；

MOV R2，A；

DJNZ R3，LOOP；

RET；

5 結(jié) 論

結(jié)合新型半導(dǎo)體熱式流量傳感器，在選取AT89S51單片機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采集流量，A/D轉(zhuǎn)換以及對(duì)CPU的控制，再通過(guò)數(shù)碼管顯示等一系列硬件功能和軟件功能的輔助實(shí)現(xiàn)，共同完成對(duì)流量檢測(cè)控制.51單片機(jī)的技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用也較之廣泛，而且運(yùn)用比其他單片機(jī)簡(jiǎn)單，制作成本低、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單化，能更好地投用于生產(chǎn).