氣相色譜分析儀氣路流量監測控制電路設計

陳 沖，張銀建

(重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

氣相色譜儀被廣泛應用于食品檢驗、石油化工、醫藥衛生、農業、環境保護以及科研院校等領域。氣相色譜法的特點是分離效率高、選擇性高、靈敏度高、操作簡便、取樣量少、分析速度快[1]。氣相色譜儀種類繁多。其主要由氣路系統、進樣系統、分離系統、檢測系統、數據處理系統五大部分組成[2]。本文設計了氣相色譜儀電路流量監測控制電路方案，能夠對氣相色譜分析儀氣路中±200 mL/min范圍內的流量進行流量監測和大小控制，為自動進樣管理(electric pneumatic control,EPC)系統提供了硬件實現方案。該方案由電源系統、單片機系統、氣體流量監測電路、氣體進氣控制電路、通信接口電路五大部分組成。本文主要論述氣體流量監測、氣體流量進樣控制以及單片機系統部分。

1 整體方案設計

氣路流量監測控制電路方案主要由AC-DC電源、PIC32MX6單片機控制系統、WBIM200傳感器電路、微型氣動電磁閥、微型氣動比例閥控制電路、通信接口電路六部分組成。整體系統框圖如圖1所示。

圖1 整體系統框圖

PIC32MX單片機是Microchip公司生產的一款高性能32位單片機，接口外設豐富，除了具有I2C、SPI、USART、ADC等常用外設接口，還具有USB、CA、以太網以及圖形接口，最高主頻可達80 MHz。該單片機性能優越，已應用于各行各業之中，是一款成熟的單片機產品。WBIM200是德國First-sensor生產的一款高精度氣體流量傳感器，2.7～5.5 V供電，具有I2C通信接口，方便單片機進行數據通信而無需額外器件電路。微型氣動閥和微型比例閥都是由美國Paper公司專為醫療設備和系統制造商所設計的微型電磁閥，由輕型聚對苯二甲酸四次甲基酯(poly butylene terephalate,PBT)塑料制成，提供靈活的安裝選件和終端選件。本文將對以上部分作詳細方案論證設計。

2 方案實現

2.1 WBIM200氣體流量傳感器電路

因為WBIM200氣體流量傳感器電路由傳感器是數字I2C通信接口，所以電路相對簡單。WBIM200氣體流量傳感器電路如圖2所示。

圖2 WBIM200氣體流量傳感器電路

因為單片機為3.3 V供電，為保證通信電平一致，WBIM200氣體流量傳感器也采用3.3 V供電。I2C通信引腳SDA、SCL通過10 kΩ電阻上拉至3.3 V高電平，保證信號穩定[3]。

氣體流量受溫度壓力的影響很大,而且不同氣體的補償系數也不同，必須進行正確的溫度補償以及氣體系數校準，才能獲得正確的氣體流量檢測數據[4]。WBIM200氣體流量傳感器量程為±200 mL/min，在0～50 ℃范圍內進行溫度補償。針對不同的氣體，給出了不同的校準系數，經過補償以及系數校準后傳感器測量精度為±2%+0.25%FSO。

2.2 微型氣動閥控制電路

在氣相色譜分析儀中，氣路的開關控制、開關比例調節等能夠達到對氣路氣體流量的精準控制。微型氣動閥只有開和關兩種狀態，控制氣路的通斷[5]。本方案選用美國Parker公司的V2微型氣動電磁閥(以下簡稱V2閥)。V2閥是經過驗證的產品，具有可靠且一致的性能，使用性能高達2 500萬次。V2閥專為醫療設備和系統制造商所設計，由輕型PBT塑料制成，并提供靈活的安裝選件和終端選件。因此，V2微型氣動電磁閥具有氣動和電設計靈活性特點。

為了使V2閥關閉與打開、保證氣路的開關穩定、漏氣率低，選用2 W的V2閥。同時，采用12 V電源供電，減小供電電流。在電路設計中，選用一顆三極管和一個P溝道金屬氧化物半導體(positive channel metal oxide semiconductor,PMOS)管組成12 V電源的開關電路，通過控制12 V電源通斷來實現V2閥的開關控制。V2閥控制電路如圖3所示。

圖3 V2閥控制電路

2.3 微型比例閥控制電路

氣相色譜分析儀氣路流量一般屬于低流量通量。氣體流量傳感器測量流量最大為200 mL/min。比例閥的開關程度靈活可調，能夠精準控制氣路中氣體流量大小[6]。本方案選用Parker公司的VSO低流量比例閥。該微型比例閥具有熱補償功能。其熱補償設計可精確控制低流量在1～500 mL/m之間。VSO微型比例閥能夠在各種溫度和各種類型的介質下實現精確控制，開關循環可達1億次，是醫療設備和分析設備制造商的理想之選，同樣滿足氣路流量控制需求。

與微型氣動閥開關兩個狀態不同，如要控制微型比例閥實現氣路開關程度可以調節，比例控制電路同氣動閥的開關控制相比，稍顯復雜。電壓基準和DAC電路如圖4所示。

圖4 電壓基準和DAC電路

微型比例閥控制電路如圖5所示。

圖5 微型比例閥控制電路

該電路采用DC 12 V供電，采用電流驅動方式，在R22上端輸入0～5 V DC電壓，實現對VSO閥門的配置控制。因為單片機為3.3 V供電且無DAC輸出，所以需要外接DAC芯片電路來實現0～5 V DC可調電壓輸出。外置的DAC具有精度高、輸出電壓范圍增益可單獨設置、不受單片機本身供電電源限制等優點[7]，選用ADI公司的AD5684R芯片。該DAC芯片具有4路電壓輸出，可同時輸出4路0～5 V DC。結合比例閥電流驅動控制電路，單個DAC就可以實現4路微型氣體比例閥的精準控制。當氣相色譜分析儀氣路中需要多路微型氣動比例閥進行控制時，通過適當增加部分控制電路，就可實現多路控制效果。單片機通過SPI接口、I/O口對DAC的四路輸出電壓進行控制。選用ADR4525R為DAC提供外部2.5 V基準電壓。

2.4 PIC32MX6單片機最小系統電路

PIC32MX6單片機是一款具有圖形接口、USB、CAN和以太網接口的32位單片機。其內核頻率最高可以達到80 MHz，內部集成上電復位和欠壓復位，在睡眠和空閑模式下，其功耗只有0.5 mA/MHz動態電流(典型值)。該單片機圖形接口最多具有34個并行主端口，可直接連接到外部圖形控制器，也可通過DMA和內部或外部存儲器直接驅動LCD，方便顯示接口設計與控制。該單片機具有6個UART模塊(20 Mbit/s)、最多4路4線SPI模塊以及最多5個支持SMBus的I2C模塊[8]，外設接口豐富。方案中：單片機對WBIM200氣體流量傳感器采用I2C接口與之通信，用SPI接口與外置DAC進行通信，并以I/O控制實現V2閥的氣路通斷。對外的數據傳輸根據實際需要，可以選擇UART、USB、I2C、以太網等接口進行設計。

PIC32MX6單片機最小系統電路主要由供電電源、復位電路、外部時鐘以及程序下載接口組成。

PIC32MX6供電電源需要在電源引腳放置去耦電容，通常建議為0.1 μF(10～20 V)低等微串聯電阻(equivalent series resistamce,ESR)陶瓷電容，使用大電容提高電源穩定性建議典型范圍為4.7～47 μF，并盡可能靠近單片機放置。為使單片機性能最大化，從電源電路開始布置電路板的走線時，首先布置電源線并把線返回到去耦電容，然后再走線到器件引腳。這樣可確保去耦電容在電源鏈中處于第一位置。保持電容和電源引腳之間的走線長度盡可能短，因為這樣可以減少印制電路板(printed circuit board,PCB)走線間的互感。

復位電路由電阻和電容組成，外部時鐘選用8 M晶振作為外部高頻主振蕩器。單片機通過內部PLL設置，可將主頻倍頻至80 MHz。程序下載接口選用MPLAB ICD3下載器，通過單片機PGECx/PGEDx 引腳以及電源引腳組成接口電路，無需額外器件[8]。

2.5 通信接口電路

單片機具有USB、CAN、UART、以太網、圖形接口等外部通信接口，可以根據需要選擇合適的外部接口，將傳感器采集的數據以及氣體電磁閥控制數據輸出到外部的顯示設備。各個通信接口都有自己的優缺點，外設電路方案都比較成熟。對此，本文不作過多論述，根據實際需要進行設計即可。

3 結論

本文主要論述了一個基于PIC32MX6單片機對WBIM200高精度氣體流量傳感器、微型氣體開關電磁閥、微型氣體比例閥進行氣路流量監測與控制的硬件電路設計實現方案。通過對氣體流量的監測[9]、控制與調整，達到了對氣路中氣體流量的精準控制，以及對數據的采集以及控制。單片機可通過USB、UART、以太網通信等方式傳輸至上位機進行直觀顯示，為氣相色譜儀EPC系統[10]提供了一種硬件電路解決方案。