一種氣體流量的精密測量與自動控制裝置

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(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行精確地檢測和控制，以達到工藝要求。在半導(dǎo)體制作過程中，如分子束外延、等離子刻蝕、擴散等關(guān)鍵工藝，都要求對氣體的流量進行嚴(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行精確的計量和嚴(yán)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。基于其以上功能特性，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(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(dāng)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(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。

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