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1控制模塊設計

1．1控制模塊的硬件設計控制模塊選用了STM32F107VC32位ARM處理器［1］，此芯片集成了各種高性能工業標準接口，且STM32不同型號產品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應更多的應用。MCU本身包含有標準RS23，ISP及USB通訊接口，運行頻率高達72MHz，因而使得系統能夠以精簡的設計，高速的數據處理速度完成智能控制。STM32系列單片GPIO口多達51個，大部分可復用，本模塊中所配置GPIO口包括：RS232通訊接口PB10，PB11，連接圖2中Flow＿TXD，Flow＿RXD，傳輸流量傳感器檢測信號；ISP三線通訊接口PC9，PC10，PC11，對應圖3中PV＿CS，PV＿SLCK，PV＿DIN信號；PC8輸出切換信號。控制模塊選用的流量傳感器為FS4001系列小流量氣體質量流量傳感器。FS4001是專門為各類小流量氣體的測量和過程控制而設計的，其獨特的封裝技術使之可用于各類管徑，成本低、易安裝、不需要溫度壓力補償，可替代容積式或壓差式的傳統流量傳感器，其精度達到±（1．5＋0．5FS）％，重復性達到±0．25％，1mm通徑傳感器，最大流量達到200SCMM。FS4001與MCU通過RS232接口進行通訊，經過MAX3232實現電平轉換后，按照專用通訊協議，可完成FS4001自校準以及流量讀取。接口電路見圖2。STM32F107VC對測得流量和設置流量之差進行比較以及控制算法的計算后，將控制數字量輸出至DA芯片LTC2641，DAC將數字量轉換成模擬控制量，經低功耗、精密單電源運算放大器OPA2234及放大管2N3904將信號放大后驅動比例閥，完成流量的控制。控制模塊中的DAC為單極性LTC2641，此芯片僅消耗120μA電源電流，就滿標度階躍而言，僅用1μs就能穩定在0．5LSB以內。DAC通過3線SP兼容串行接口，以高達50MHz的時鐘速率通信，其6位INL誤差最大值在整個溫度范圍內為僅±2LSB。DA轉換及比例閥驅動電路見圖3。控制模塊中比例閥選用VSO?系列熱補償型微型比例電磁閥［2］，通過VSO技術（voltagesensitiveorifice），即電壓敏感性通徑技術，比例閥可以根據輸入電流的大小，精確的控制氣體流量比例。比例閥通過直流電流驅動或脈沖調幅驅動，并使用閉環反饋控制，能夠獲得優化的系統性能。本模塊中的比例閥線圈最小工作電壓20VDC，控制電流范圍在0～91mA，電流與流量的關系如圖4。模塊中氣氛切換的功能實現是通過MCU發送切換信號，控制管子2N3904的導通與關閉，來驅動VZ100電磁閥兩通道的轉換來完成。切換功能電路見圖5。

1．2模塊的軟件設計模塊軟件分為兩部分：控制軟件及交互軟件。控制軟件包括數據采集，與比列閥，流量傳感器及上位計算機的通訊，數據濾波，PID控制算法等，采用C語言；交互軟件則主要用于計算機操作，便于用戶進行流量設置與氣氛切換的操作，同時可實時顯示氣氛流量曲線以及數據儲存，采用VB語言編寫。

2測試結果

目前模塊樣機配置于DSC30熱分析儀上，通過此模塊控制通入儀器爐體的吹掃氣氛，測試時，模塊的氣路一，通入氮氣，配合控制軟件，設置氣氛流量為50ml／min，觀察儀器DSC基線數據約25min，采樣圖譜見圖6所示。圖譜顯示基線平直度完美。DSC30共有兩路氣氛輸入，在實驗過程中設置氣路一氣氛（氮氣）流量為50mL／min，氣路二氣氛（氧氣）流量60mL／min。開始測試時，缺省通入氣氛一，實驗5min后，按氣路切換鍵，切換為氣氛二通入，可觀察到軟件窗口中氣氛一和氣氛二數值的變化，氣路二采樣數據（以秒為時間單位）見表一。根據測試數據可以看出，模塊的氣氛控制精度誤差＜±0．1mL／min，切換穩定時間＜16s。

3結束語

本文介紹的氣氛智能控制模塊控制靈活，控制精度高，相應速度快，穩定性高，能很好的滿足熱分析儀器對掃描氣氛及保護氣氛的控制需求，目前已經應用于DSC30差示掃描熱分析析儀器，并獲得實用新型專利［3］。本模塊可通過進一步的改進，更廣泛地應用于其它類似需要進行氣氛控制的分析儀器，市場前景廣闊。

作者：楊洋單位：上海精科天美學儀器有限公司