一種氣體流量的精密測量與自動(dòng)控制裝置

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

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 氣體流量 實(shí)時(shí)采集 人機(jī)交互 自動(dòng)控制

中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)行測量與控制的設(shè)備。隨著真空領(lǐng)域和半導(dǎo)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(jìn)行精確地檢測和控制，以達(dá)到工藝要求。在半導(dǎo)體制作過程中，如分子束外延、等離子刻蝕、擴(kuò)散等關(guān)鍵工藝，都要求對氣體的流量進(jìn)行嚴(yán)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(jìn)行精確的計(jì)量和嚴(yán)格的控制。

1 工作原理

總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，被檢測的氣體通過一個(gè)流量傳感器，傳感器實(shí)時(shí)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(jìn)行比較，根據(jù)比較所得的差值，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過齒輪傳動(dòng)進(jìn)而調(diào)節(jié)閥門的開度大小，實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)控制。該裝置以單片機(jī)作為核心控制芯片，采用PID控制算法，并提供基本的人機(jī)交互界面，配備有12864液晶顯示屏和獨(dú)立按鍵，通過LCD顯示器輸出氣體的瞬時(shí)流量和累積流量。

2 設(shè)計(jì)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(jī)、舵機(jī)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(dá)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(diǎn)。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(shí)，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(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。

2.1.2 傳感器供電電路

因?yàn)榱髁總鞲衅鞯墓ぷ麟妷簽?～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(jì)方案如圖3所示。

2.2.1 單片機(jī)芯片的選擇

以STC89C52芯片作為微處理器，其主要特點(diǎn)：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(shí)器，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，最高運(yùn)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(jì)的需要。

2.2.2 流量傳感器的選擇

選擇美國矽翔微機(jī)電系統(tǒng)公司生產(chǎn)的FSG4003熱式質(zhì)量流量傳感器進(jìn)行氣體流量的數(shù)據(jù)采集，該傳感器的主要特點(diǎn)：靈敏度高，有極小的始動(dòng)流量；傳感器芯片采用熱質(zhì)量流量計(jì)量，無需溫度壓力補(bǔ)償，保證了傳感器的高精度計(jì)量；在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了多個(gè)傳感器集成，使傳感器的量程比大大提高；零點(diǎn)穩(wěn)定度高，低功耗，響應(yīng)時(shí)間快等。這一傳感器適用于各類清潔氣體，獨(dú)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(biāo)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(jī)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(jì)算出氣體的質(zhì)量流量，進(jìn)而通過液晶顯示器顯示出來。

2.2.3 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)可以分為2個(gè)獨(dú)立的小模塊，即鍵盤信號識別和LCD顯示，本裝置選擇獨(dú)立按鍵作為外部輸入，12864液晶顯示流量信息。人機(jī)交互系統(tǒng)的核心主要任務(wù)有3個(gè)：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(jì)量結(jié)果和系統(tǒng)狀態(tài)信息。

2.2.4 自動(dòng)控制閥部件

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

3.3 程序設(shè)計(jì)部分

其主流程圖如圖6所示。計(jì)算任務(wù)和控制任務(wù)是流量控制裝置的一個(gè)核心任務(wù)，根據(jù)流量傳感器采集的流量參數(shù)計(jì)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(dòng)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(shí)間，計(jì)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(dòng)的消除外部擾動(dòng)。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(shí)現(xiàn)以及其離散化的過程和依據(jù)。

位置式PID算法在時(shí)域的傳遞函數(shù)表達(dá)式：

對上式中的微分和積分進(jìn)行近似

式中：為離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

于是傳遞函數(shù)可以簡化為：

其中：

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

3.3.2 本裝置可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(shí)流量值和設(shè)定值進(jìn)行比較。若該差值大于瞬時(shí)流量穩(wěn)定度，控制器就會(huì)發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)正旋或反旋來調(diào)節(jié)閥門，使瞬時(shí)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(yùn)算計(jì)算出累積流量，并設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)累積流量等于設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)關(guān)閉閥門。

4 結(jié)語

基于真空領(lǐng)域和半導(dǎo)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(jì)了一種新型的氣體流量的精密測量與自動(dòng)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(jī)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(jī)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(jià)格低廉，裝配容易的優(yōu)勢，具有較好的應(yīng)用前景。

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