气氛智能控制论文范文

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1控制模块设计

1．1控制模块的硬件设计控制模块选用了STM32F107VC32位ARM处理器［1］，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，且STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以轻松适应更多的应用。MCU本身包含有标准RS23，ISP及USB通讯接口，运行频率高达72MHz，因而使得系统能够以精简的设计，高速的数据处理速度完成智能控制。STM32系列单片GPIO口多达51个，大部分可复用，本模块中所配置GPIO口包括：RS232通讯接口PB10，PB11，连接图2中Flow＿TXD，Flow＿RXD，传输流量传感器检测信号；ISP三线通讯接口PC9，PC10，PC11，对应图3中PV＿CS，PV＿SLCK，PV＿DIN信号；PC8输出切换信号。控制模块选用的流量传感器为FS4001系列小流量气体质量流量传感器。FS4001是专门为各类小流量气体的测量和过程控制而设计的，其独特的封装技术使之可用于各类管径，成本低、易安装、不需要温度压力补偿，可替代容积式或压差式的传统流量传感器，其精度达到±（1．5＋0．5FS）％，重复性达到±0．25％，1mm通径传感器，最大流量达到200SCMM。FS4001与MCU通过RS232接口进行通讯，经过MAX3232实现电平转换后，按照专用通讯协议，可完成FS4001自校准以及流量读取。接口电路见图2。STM32F107VC对测得流量和设置流量之差进行比较以及控制算法的计算后，将控制数字量输出至DA芯片LTC2641，DAC将数字量转换成模拟控制量，经低功耗、精密单电源运算放大器OPA2234及放大管2N3904将信号放大后驱动比例阀，完成流量的控制。控制模块中的DAC为单极性LTC2641，此芯片仅消耗120μA电源电流，就满标度阶跃而言，仅用1μs就能稳定在0．5LSB以内。DAC通过3线SP兼容串行接口，以高达50MHz的时钟速率通信，其6位INL误差最大值在整个温度范围内为仅±2LSB。DA转换及比例阀驱动电路见图3。控制模块中比例阀选用VSO?系列热补偿型微型比例电磁阀［2］，通过VSO技术（voltagesensitiveorifice），即电压敏感性通径技术，比例阀可以根据输入电流的大小，精确的控制气体流量比例。比例阀通过直流电流驱动或脉冲调幅驱动，并使用闭环反馈控制，能够获得优化的系统性能。本模块中的比例阀线圈最小工作电压20VDC，控制电流范围在0～91mA，电流与流量的关系如图4。模块中气氛切换的功能实现是通过MCU发送切换信号，控制管子2N3904的导通与关闭，来驱动VZ100电磁阀两通道的转换来完成。切换功能电路见图5。

1．2模块的软件设计模块软件分为两部分：控制软件及交互软件。控制软件包括数据采集，与比列阀，流量传感器及上位计算机的通讯，数据滤波，PID控制算法等，采用C语言；交互软件则主要用于计算机操作，便于用户进行流量设置与气氛切换的操作，同时可实时显示气氛流量曲线以及数据储存，采用VB语言编写。

2测试结果

目前模块样机配置于DSC30热分析仪上，通过此模块控制通入仪器炉体的吹扫气氛，测试时，模块的气路一，通入氮气，配合控制软件，设置气氛流量为50ml／min，观察仪器DSC基线数据约25min，采样图谱见图6所示。图谱显示基线平直度完美。DSC30共有两路气氛输入，在实验过程中设置气路一气氛（氮气）流量为50mL／min，气路二气氛（氧气）流量60mL／min。开始测试时，缺省通入气氛一，实验5min后，按气路切换键，切换为气氛二通入，可观察到软件窗口中气氛一和气氛二数值的变化，气路二采样数据（以秒为时间单位）见表一。根据测试数据可以看出，模块的气氛控制精度误差＜±0．1mL／min，切换稳定时间＜16s。

3结束语

本文介绍的气氛智能控制模块控制灵活，控制精度高，相应速度快，稳定性高，能很好的满足热分析仪器对扫描气氛及保护气氛的控制需求，目前已经应用于DSC30差示扫描热分析析仪器，并获得实用新型专利［3］。本模块可通过进一步的改进，更广泛地应用于其它类似需要进行气氛控制的分析仪器，市场前景广阔。

作者：杨洋单位：上海精科天美学仪器有限公司