气体流量计硬件设计

超微量气体流量计的硬件组成如图l所示，被检测气体通过标准孔板节流元件，产生压力差（△p），用高精度的压差传感器（硅压力传感器）检测△p，并转换为毫伏级的弱电压信号，该信号经运算放大器放大后，传送至A／D转换器得到数字化的压差量，根据该压差量计算气体的体积流量，并在气路中接入一个比例电磁阀构成气体流量控制器，来控制气体的流量。如果需要，还可根据气体体积流量、气体类型（系统内置相应密度）、温度和湿度，进一步计算出气体的质量流量。
选用Mc9S08GB60（简称GB60 MCu）单片机作为气体流量计的核心控制芯片，流量计提供基本的人机对话手段（包括LCD显示和一个4键键盘），基于此可以对流量计进行基本的控制
和设置，如工作模式、显示、气体类型和密度等参数的设置，保证流量计在独立状态下工作，并通过LcD显示器输出测量结果。另外，流量计还配备RS232和Rs485通信接口，利用Rs232接口，通过嵌入式控制系统或微机同样也可以对流量计进行控制和设置；RS485通信接口支持多机通信，一个嵌入式控制系统可以控制多个流量计，并与它们通信，形成一个多点流量检测系统。
当一个或多个流量计作为组件在大型仪器内部使用时，可以将LCD显示和键盘去掉，以减小体积、节约成本。
1．1热传导式差压传感器
选择CMOsens技术的基于热式原理，将热传感器、信号放大器和A／D转换器集成在一块CMOS芯片上，并通过内部微控制器将检测数据进行*标定和温度补偿的SDPl000热传导式差压传感器，进行超微量气体流量的数据采集。与其它热差压传感器相比，所需空气量极少、量程更宽、性能更稳定，在低差压段的重复性*、可耐瞬时的较大压力、对安装方向不敏感，即使在恶劣环境中操作同样安全可靠，能够、快速地测量微小差压。SDPl000差压传感器的主要性能指标如下：
a．测量范围为-5～125Pa，-20—500Pa，-100～3 500Pa：
b．精度和分辨率高，可达0．05Pa；
c．工作温度范围为一10一+60℃；
d．采用5 V电源供电，O．25～4V电压输出
（输出电压在0．25V以下表示负压差，虽然是模拟输出，但是内部线性化和温度补偿均为数字化实现）。
SDPI000压差传感器具有线性和开方两种输出特性，在5V供电电压线性输出情况下的压差值和输出电压之间的关系如图2所示。

SDPl000压差传感器连接在气路中时，推荐使用内径为3／16inch（1inch=O．025 4m）内径的软管连接，根据动态测量原理，差压与气体流量之间的关系如图3所示。实验证明，该气体流量计流量的可测范围为O一500sccm（O℃时，lsccm=1．667×10L／s）。

1.2温、湿度传感器
选用基于cMOSens技术的SHTl0新型温湿度传感器，它将温湿度传感器、信号放大调理、A／D转换和IIC总线接口全部集成于一个芯片上，可通过IIC总线直接输出数字量温、湿度值，具有长期的稳定性。湿度输出分辨率为14位，湿度测量范围为0一100％RH，精度在±3．0％RH；温度输出分辨率为12位，温度测量范围为-40一+123．8℃，精度在±0．4℃（25℃）；电源电压为2．4～5．5V。
1．3硬件接口电路及系统任务分析
基于减小体积、降低功耗、提高可靠性以及缩短开发周期的思路，微控制器测控小系统采用如图4所示的设计方案。

压力传感器将压力信号转变为o．25—4V的电压信号后，经ADCl接口进行模数转换，一次转换结束后产生一个中断，进入中断服务程序之后将转换结果读出并写入到全局变量中，以备计算流量时使用。sHTl0温度和湿度检测芯片采用非标准的IIC接口和主处理器接口，因此无法与处理器自带的标准11C接口通信，只使用两条信号线与微处理器通信，可将基于80C5l微控制器的应用程序移植到08微控制器上，通过该程序读出的温度和湿度数据写入到两个全局变量中，以备流量计算时使用。
人机交互的核心目的是设定系统参数、控制系统状态、显示输出计量结果或系统状态信息，可以被分解成键盘信号处理和LCD显示任务。键盘信号处理任务的外部输入信号虽然只有4种（4个键），但是，它的实际输入信息却很多，这些输入信息大部分来自内部存储的全局变量（包括系统状态、气体类型状态、当前设定的位置、当前设定量的值等），因此其处理程序分支流程较多，结构较为复杂。显示任务主要是刷新LcD显示，由一系列子程序构成，这些子程序往往被键盘信号处理任务、定时期任务或串行通信任务调用。
串行通信任务是通过微型计算机实现对气体流量计的远距离控制和信息采集，本系统中的应用程序按照通信协议的约定与流计通信，实现需要的功能，为使通信协议能够同时支持人、机终端交互，通信协议特选用ASCⅡ码字符作为通信元素，便于记忆、理解和使用。采用这种通信方式时可以选用Rs232或RS485两种通信标准中的一种，Rs232仅支持点到点通信方式，RS485支持一主多从的多机通信方式。笔者设计的流量计／流量控制器采用RS485接口与微机进行数字通信时应遵循的协议（Rs232通信可以参考RS485通信方式操作），*取代了小键盘和液晶显示器的功能。
计算和控制任务：根据压差（压差）、温度、湿度、气体类型（对应密度）以及参数信息计算出流量信息，并根据控制算法完成对比例调节阀的控制。