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摘 要：介绍了一种气体流量的精密测量与自动控制装置，采用单片机作为微控制器，选用流量传感器、独立按键、12864液晶等作为辅助设备，实现气体流量数据的实时采集、显示和处理，并建立人机界面友好的流量测量和控制系统。试验表明，该装置具有控制精度高、实时性好、反应速度快，功耗低，价格低廉等优点，适用于小流量气体的测量与控制。
关键词：单片机 气体流量 实时采集 人机交互 自动控制
中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0009-02
气体质量流量控制器（MFC）是一种能够对气体流量进行测量与控制的设备。随着真空领域和半导体行业的发展，气体流量控制器的重要性更加突显出来，它的主要作用是对气体的流量进行精确地检测和控制，以达到工艺要求。在半导体制作过程中，如分子束外延、等离子刻蚀、扩散等关键工艺，都要求对气体的流量进行严格的控制。气体流量控制器在现代新能源新材料领域中应用也非常广泛，如在单晶硅、多晶硅、非晶硅、太阳能集热管以及太阳能电池等的生产制造过程中，也需要通过气体流量控制器来对气体的流量进行精确的计量和严格的控制。
1 工作原理
总体设计方案如图1所示，被检测的气体通过一个流量传感器，传感器实时采集流量数据，并送到A/D转换器，即可得到数字化的流量信息，再与设定值进行比较，根据比较所得的差值，控制舵机的转向，通过齿轮传动进而调节阀门的开度大小，实现流量的自动控制。该装置以单片机作为核心控制芯片，采用PID控制算法，并提供基本的人机交互界面，配备有12864液晶显示屏和独立按键，通过LCD显示器输出气体的瞬时流量和累积流量。
2 设计方案及选材
2.1 电源部分
本装置总的供电系统如图2所示。
2.1.1 稳压电路
本装置采用8～10 V的蓄电池作为电源，由于单片机、舵机和A/D转换芯片（ADC0804）所需电压均为5 V，因此在蓄电池后，需加稳压电路使其电压降低才能达到各部分对电压的要求。
本装置采用线性LM2940稳压芯片，其具有纹波小、转换效率高、电路结构简单的优点。其部分参数如下：输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压5 V；输出电流1A；输出电流1A时，最小输入输出电压差小于0.8 V；最大输入电压26 V；工作温度 -40 ℃～+125 ℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。
2.1.2 传感器供电电路
因为流量传感器的工作电压为8～18 V，故蓄电池可以直接给传感器供电，如图2所示。
2.2 控制部分
控制系统的设计方案如图3所示。
2.2.1 单片机芯片的选择
以STC89C52芯片作为微处理器，其主要特点：低功耗、高性能，具有8k字节在系统可编程Flash存储器，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，3个16位定时器/计数器，最高运作频率35 MHz等等。基于其以上功能特性，该芯片可以很好地满足系统设计的需要。
2.2.2 流量传感器的选择
选择美国矽翔微机电系统公司生产的FSG4003热式質量流量传感器进行气体流量的数据采集，该传感器的主要特点：灵敏度高，有极小的始动流量；传感器芯片采用热质量流量计量，无需温度压力补偿，保证了传感器的高精度计量；在单个芯片上实现了多个传感器集成，使传感器的量程比大大提高；零点稳定度高，低功耗，响应时间快等。这一传感器适用于各类清洁气体，独特的封装技术使之可用于各类管径，成本低、易安装，可替代容积式或压差式的传统流量传感器。其性能指标见表1。
流量传感器采集的模拟信息经A/D转换器转化为单片机可以处理的数字信息。再按照图4中的转化关系，就可计算出气体的质量流量，进而通过液晶显示器显示出来。
2.2.3 人机交互系统
人机交互系统可以分为2个独立的小模块，即键盘信号识别和LCD显示，本装置选择独立按键作为外部输入，12864液晶显示流量信息。人机交互系统的核心主要任务有3个：第一是设定系统参数。第二是控制系统状态。第三是通过显示器输出计量结果和系统状态信息。
2.2.4 自动控制阀部件
本装置通过齿轮传动把舵机和调节阀连接起来，如图5所示。
3.3 程序设计部分
其主流程图如图6所示。计算任务和控制任务是流量控制装置的一个核心任务，根据流量传感器采集的流量参数计算出流量信息，并根据PID算法完成对流量阀开度的调节。
3.3.1 PID算法
PID算法是目前一般控制领域中经常使用的自动控制算法，它依据给定的设定值，反馈值，以及比例系数，积分和微分时间，计算出一定的控制量，使被控对象能保持在设定的工作范围，并且可以自动的消除外部扰动。该装置采用PID算法作为控制流量的主要算法。下面介绍PID算法的实现以及其离散化的过程和依据。
位置式PID算法在时域的传递函数表达式：
对上式中的微分和积分进行近似
式中：为离散点的个数。
于是传递函数可以简化为：
其中：
用经验法确定了一组调节参数：，，。
3.3.2 本装置可实现两个的功能
功能1：气体以恒定的流速输出。通过按键设定流量值，控制器把瞬时流量值和设定值进行比较。若该差值大于瞬时流量稳定度，控制器就会发出命令，驱动舵机正旋或反旋来调节阀门，使瞬时流量值接近或等于设定值。
功能2：气体输出某一恒定质量的气体。通过按键设定总流量值，控制器通过积分运算计算出累积流量，并设定值进行比较，当累积流量等于设定值时，控制器发出命令，驱动舵机关闭阀门。
4 结语
基于真空领域和半导体领域对气体流量控制器的需求，市场上现有的流量控制器大都针对较大流量气体的控制，不能满足小流量气体的测量与控制的要求。本文设计了一种新型的气体流量的精密测量与自动控制装置，该装置采用FSG4003热式质量流量传感器，能够实现对气体流量信息的快速、精确测量，单片机作为微处理器，模块集成化高，处理速度快，采用PID算法，使控制更迅速。装置配备了较好的人机交互界面，使流量显示更直观，操作起来更便捷。此外，与市场上气体流量控制器相比，该装置具有价格低廉，装配容易的优势，具有较好的应用前景。
参考文献
[1] 朱贵宪.基于MC9S08GB60单片机的超微量气体流量计设计[J].安阳工学院学报，2010，9（6）：58-60.
[2] 祝亚力.反馈式气体质量流量测量装置[J].河北机电学院学报，1998（2）：32-36.
[3] 马兆侠.质量流量计流量调节自动化的实现[J].仪器仪表用户，2005（2）：65-66.
[4] 卢丹.基于LabVIEW的气体流量测试系统设计[D].江苏：南京理工大学，2010.
[5] 刘国志.基于模糊PID控制的PWM型电磁比例阀的研究[J].贵州科学，2012，30（5）：45-48.
[6] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社，2003.
关键词：单片机 气体流量 实时采集 人机交互 自动控制
中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0009-02
气体质量流量控制器（MFC）是一种能够对气体流量进行测量与控制的设备。随着真空领域和半导体行业的发展，气体流量控制器的重要性更加突显出来，它的主要作用是对气体的流量进行精确地检测和控制，以达到工艺要求。在半导体制作过程中，如分子束外延、等离子刻蚀、扩散等关键工艺，都要求对气体的流量进行严格的控制。气体流量控制器在现代新能源新材料领域中应用也非常广泛，如在单晶硅、多晶硅、非晶硅、太阳能集热管以及太阳能电池等的生产制造过程中，也需要通过气体流量控制器来对气体的流量进行精确的计量和严格的控制。
1 工作原理
总体设计方案如图1所示，被检测的气体通过一个流量传感器，传感器实时采集流量数据，并送到A/D转换器，即可得到数字化的流量信息，再与设定值进行比较，根据比较所得的差值，控制舵机的转向，通过齿轮传动进而调节阀门的开度大小，实现流量的自动控制。该装置以单片机作为核心控制芯片，采用PID控制算法，并提供基本的人机交互界面，配备有12864液晶显示屏和独立按键，通过LCD显示器输出气体的瞬时流量和累积流量。
2 设计方案及选材
2.1 电源部分
本装置总的供电系统如图2所示。
2.1.1 稳压电路
本装置采用8～10 V的蓄电池作为电源，由于单片机、舵机和A/D转换芯片（ADC0804）所需电压均为5 V，因此在蓄电池后，需加稳压电路使其电压降低才能达到各部分对电压的要求。
本装置采用线性LM2940稳压芯片，其具有纹波小、转换效率高、电路结构简单的优点。其部分参数如下：输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压5 V；输出电流1A；输出电流1A时，最小输入输出电压差小于0.8 V；最大输入电压26 V；工作温度 -40 ℃～+125 ℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。
2.1.2 传感器供电电路
因为流量传感器的工作电压为8～18 V，故蓄电池可以直接给传感器供电，如图2所示。
2.2 控制部分
控制系统的设计方案如图3所示。
2.2.1 单片机芯片的选择
以STC89C52芯片作为微处理器，其主要特点：低功耗、高性能，具有8k字节在系统可编程Flash存储器，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，3个16位定时器/计数器，最高运作频率35 MHz等等。基于其以上功能特性，该芯片可以很好地满足系统设计的需要。
2.2.2 流量传感器的选择
选择美国矽翔微机电系统公司生产的FSG4003热式質量流量传感器进行气体流量的数据采集，该传感器的主要特点：灵敏度高，有极小的始动流量；传感器芯片采用热质量流量计量，无需温度压力补偿，保证了传感器的高精度计量；在单个芯片上实现了多个传感器集成，使传感器的量程比大大提高；零点稳定度高，低功耗，响应时间快等。这一传感器适用于各类清洁气体，独特的封装技术使之可用于各类管径，成本低、易安装，可替代容积式或压差式的传统流量传感器。其性能指标见表1。
流量传感器采集的模拟信息经A/D转换器转化为单片机可以处理的数字信息。再按照图4中的转化关系，就可计算出气体的质量流量，进而通过液晶显示器显示出来。
2.2.3 人机交互系统
人机交互系统可以分为2个独立的小模块，即键盘信号识别和LCD显示，本装置选择独立按键作为外部输入，12864液晶显示流量信息。人机交互系统的核心主要任务有3个：第一是设定系统参数。第二是控制系统状态。第三是通过显示器输出计量结果和系统状态信息。
2.2.4 自动控制阀部件
本装置通过齿轮传动把舵机和调节阀连接起来，如图5所示。
3.3 程序设计部分
其主流程图如图6所示。计算任务和控制任务是流量控制装置的一个核心任务，根据流量传感器采集的流量参数计算出流量信息，并根据PID算法完成对流量阀开度的调节。
3.3.1 PID算法
PID算法是目前一般控制领域中经常使用的自动控制算法，它依据给定的设定值，反馈值，以及比例系数，积分和微分时间，计算出一定的控制量，使被控对象能保持在设定的工作范围，并且可以自动的消除外部扰动。该装置采用PID算法作为控制流量的主要算法。下面介绍PID算法的实现以及其离散化的过程和依据。
位置式PID算法在时域的传递函数表达式：
对上式中的微分和积分进行近似
式中：为离散点的个数。
于是传递函数可以简化为：
其中：
用经验法确定了一组调节参数：，，。
3.3.2 本装置可实现两个的功能
功能1：气体以恒定的流速输出。通过按键设定流量值，控制器把瞬时流量值和设定值进行比较。若该差值大于瞬时流量稳定度，控制器就会发出命令，驱动舵机正旋或反旋来调节阀门，使瞬时流量值接近或等于设定值。
功能2：气体输出某一恒定质量的气体。通过按键设定总流量值，控制器通过积分运算计算出累积流量，并设定值进行比较，当累积流量等于设定值时，控制器发出命令，驱动舵机关闭阀门。
4 结语
基于真空领域和半导体领域对气体流量控制器的需求，市场上现有的流量控制器大都针对较大流量气体的控制，不能满足小流量气体的测量与控制的要求。本文设计了一种新型的气体流量的精密测量与自动控制装置，该装置采用FSG4003热式质量流量传感器，能够实现对气体流量信息的快速、精确测量，单片机作为微处理器，模块集成化高，处理速度快，采用PID算法，使控制更迅速。装置配备了较好的人机交互界面，使流量显示更直观，操作起来更便捷。此外，与市场上气体流量控制器相比，该装置具有价格低廉，装配容易的优势，具有较好的应用前景。
参考文献
[1] 朱贵宪.基于MC9S08GB60单片机的超微量气体流量计设计[J].安阳工学院学报，2010，9（6）：58-60.
[2] 祝亚力.反馈式气体质量流量测量装置[J].河北机电学院学报，1998（2）：32-36.
[3] 马兆侠.质量流量计流量调节自动化的实现[J].仪器仪表用户，2005（2）：65-66.
[4] 卢丹.基于LabVIEW的气体流量测试系统设计[D].江苏：南京理工大学，2010.
[5] 刘国志.基于模糊PID控制的PWM型电磁比例阀的研究[J].贵州科学，2012，30（5）：45-48.
[6] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社，2003.