引言

工業(yè)生產(chǎn)過程中對流體流量進行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。質(zhì)量流量控制器就是用來對各種氣體的質(zhì)量流量進行精密測量與控制的一種儀器，被廣泛應(yīng)用于電子工藝設(shè)備、分析測量儀器、制氣配氣等行業(yè)。本文采用C8051F410單片機為檢測核心，充分利用該單片機豐富的內(nèi)部硬件資源，設(shè)計了一款可以控制兩路氣體質(zhì)量流量控制器的自動氣體流量檢測儀。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

D07-19B型質(zhì)量流量控制器具有精度高、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠、工作壓力范圍快等特點，其操作使用方便，便于與單片機連接實現(xiàn)自動控制。控制器輸出的流量檢查電壓與流過通道的質(zhì)量流量成正比，滿量程流量檢測輸出電壓為+5V.該控制器的流量控制范圍是（2~100）%F.S.,流量分辨率是0.1%F.S

C8051F410是Silicon Laboratories公司推出的一款8051系列單片機[1].C8051F410單片機是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型芯片，可以與8051兼容的微控制器內(nèi)核，片內(nèi)具有4個通用的16為定時器，2個12位電流輸出D/A轉(zhuǎn)換，真12位200kps的24通道A/D轉(zhuǎn)換，高精度可編程24.5MHz內(nèi)部振蕩器和達到32KB的片內(nèi)FLASH存儲器等特點。在許多AD/DA轉(zhuǎn)換精度或時鐘精度要求不是特別高的設(shè)計中，不必再使用外部AD/DA轉(zhuǎn)換芯片或諧振電路，只靠片內(nèi)資源就可以完成相應(yīng)的功能，極大地減少了很多外圍電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的集成度和抗干擾能力。

本系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩個部分。

硬件部分由電源電路、鍵盤電路、液晶顯示和流量控制器控制電路構(gòu)成；軟件部分由液晶顯示、A/D反饋信號的采集和D/A輸出組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)以C8051F410單片機為控制核心，利用鍵盤設(shè)置定時時間和氣體檢測容量上限，利用液晶實時顯示定時時間變化和當前氣體容量值，通過片內(nèi)A/D采集流量控制器的反饋信號，然后計算出剩余時間內(nèi)的單位時間內(nèi)所應(yīng)通過的氣體容量，最后經(jīng)片內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換輸出特定電壓值來調(diào)節(jié)流量控制器的電磁調(diào)節(jié)閥大小來控制通過閥的氣體速率，從而形成了一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 輔助電源電路

本系統(tǒng)總供電電源是由12V直流開關(guān)電源或鋰電池組提供，主要有模擬電路、數(shù)字電路、LCM液晶驅(qū)動電路以及質(zhì)量控制器控制電路。其中，不同的電路有模擬地、數(shù)字地、電源地等接地，故采用不同種類地之間用0歐電阻相連，以提高電路之間的抗干擾能力。電源分配方案如下圖2所示。

圖2 電源分配方案

由于各個電路部分的供電電壓不同，需要將12V直流電壓經(jīng)不同的電壓轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換，LM2951-5.0提供給單片機和鍵盤的工作電壓VCC（+5V）、BSD12-12D15模塊提供給流量控制器工作電壓±15V、AMS1117-5.0提供給FM12864M-12L液晶和外圍控制電路的+5V工作電壓。

2.2 液晶顯示電路

FM12864M-12L是128*64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，以ST7920為內(nèi)置控制驅(qū)動器，顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字、128個字符及64*256點陣顯示RAM.可與單片機直接接口，提供8位并行和串行連接方式。在本系統(tǒng)中，為了節(jié)省單片機的IO口，F(xiàn)M12864M-12L采用串行控制方式，電路連接如圖3所示。

圖3 FM12864M-12L串行接口電路原理圖

在串口接口方式下，單片機通過時鐘信號線“SCK”和數(shù)據(jù)線“SID”來傳送數(shù)據(jù)；片選信號“CS”接高電平，以使液晶保持正常接收數(shù)據(jù)；DB0-DB7懸空不接；VCC和LED+（背光源正極）接+5V;GND和LED-（背光源負極）接DGND;PSB接低電平時為串行控制方式；Vo接電位器來控制液晶的顯示對比度。特別的是，PSB接低電平為串口方式，但是有時液晶廠家在生產(chǎn)液晶時在液晶模塊板上的PSB引腳焊接了一個0歐電阻默認接到高電平，也就是默認并行方式。因此，有時需要把PSB引腳上的短路電阻焊除，否則會出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。

由此可見，液晶的串行接口方式大大簡化了液晶顯示與單片機間的接口設(shè)計。

2.3 A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路

D07-19B型質(zhì)量流量控制器的“流量監(jiān)測”端接單片機的A/D輸入端，“設(shè)定”端與單片機的D/A輸出端，兩個端的信號都是0-5V的直流電壓信號。

C8051F410單片機的內(nèi)部ADC能轉(zhuǎn)換的電壓范圍是0~2.2V,因此必須對“流量監(jiān)測”信號進行處理，符合單片機的AD轉(zhuǎn)換要求，否則將不能正確地轉(zhuǎn)換。所以對“流量監(jiān)測”端的0~5V電壓信號進行分壓轉(zhuǎn)換到0-2.2V范圍內(nèi)，才能使單片機對外部輸入電壓進行正確的處理。

圖4 D/A和A/D轉(zhuǎn)換外圍電路

C8051F410單片機的內(nèi)部有兩個12位的電流型DA轉(zhuǎn)換器，最大輸出電流可以有四種不同的設(shè)置：0.25mA、0.5mA、1mA、2mA.若要控制“設(shè)定”,需要將DAC輸出串聯(lián)一個電阻至GND,若將DAC的最大輸出電流設(shè)置為2mA,選用2.5K串聯(lián)電阻，則最大輸出電壓為5V.

為了保證A/D和D/A的轉(zhuǎn)換精度，整個系統(tǒng)的電路中所使用的運算放大器采用高精度運算放大器OPA2277構(gòu)成電壓跟隨器，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性有效地提高。如圖4所示為D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路。

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

C8051F410可以與8051兼容的微控制器內(nèi)核，所以單片機軟件采用C51編寫，使用Keil C uVision 4集成開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，整個程序主要由程序初始化、鍵盤掃描、參數(shù)設(shè)定子程序、時間定時子程序、AD采樣處理和DA輸出子程序和顯示子程序等部分組成。如圖5所示為系統(tǒng)主程序流程圖。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

該氣體流量儀基于C8051F410單片機，能實現(xiàn)對質(zhì)量流量控制器的智能精準檢測。

其系統(tǒng)設(shè)計充分利用C8051F410單片機具有的片內(nèi)豐富資源，通過單片機片內(nèi)A/D和D/A實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制，提高了采集數(shù)據(jù)的可靠性和準確度。該氣體流量儀電路設(shè)計簡單，穩(wěn)定性好，性價比高，具有很大的市場推廣價值