引言

工業生產過程中對流體流量進行正確測量和調節是保證生產過程安全經濟運行、提高經濟效益、實現科學管理的基礎。質量流量控制器就是用來對各種氣體的質量流量進行精密測量與控制的一種儀器，被廣泛應用于電子工藝設備、分析測量儀器、制氣配氣等行業。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部硬件資源，設計了一款可以控制兩路氣體質量流量控制器的自動氣體流量檢測儀。

1 系統總體結構

D07-19B型質量流量控制器具有精度高、重復性好、響應速度快、穩定可靠、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自動控制。控制器輸出的流量檢查電壓與流過通道的質量流量成正比，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型芯片，可以與8051兼容的微控制器內核，片內具有4個通用的16為定時器，2個12位電流輸出D/A轉換，真12位200kps的24通道A/D轉換，高精度可編程24.5MHz內部振蕩器和達到32KB的片內FLASH存儲器等特點。在許多AD/DA轉換精度或時鐘精度要求不是特別高的設計中，不必再使用外部AD/DA轉換芯片或諧振電路，只靠片內資源就可以完成相應的功能，極大地減少了很多外圍電路設計，提高了系統的集成度和抗干擾能力。

本系統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。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

本系統以C8051F410單片機為控制核心，利用鍵盤設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A/D采集流量控制器的反饋信號，然后計算出剩余時間內的單位時間內所應通過的氣體容量，最后經片內D/A轉換輸出特定電壓值來調節流量控制器的電磁調節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系統。

2 硬件電路設計

2.1 輔助電源電路

本系統總供電電源是由12V直流開關電源或鋰電池組提供，主要有模擬電路、數字電路、LCM液晶驅動電路以及質量控制器控制電路。其中，不同的電路有模擬地、數字地、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直流電壓經不同的電壓轉換模塊進行轉換，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為內置控制驅動器，顯示漢字及圖形，內置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。在本系統中，為了節省單片機的IO口，FM12864M-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”和數據線“SID”來傳送數據；片選信號“CS”接高電平，以使液晶保持正常接收數據；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，否則會出現短路的現象。

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計。

2.3 A/D和D/A轉換電路

D07-19B型質量流量控制器的“流量監測”端接單片機的A/D輸入端，“設定”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單片機的內部ADC能轉換的電壓范圍是0~2.2V,因此必須對“流量監測”信號進行處理，符合單片機的AD轉換要求，否則將不能正確地轉換。所以對“流量監測”端的0~5V電壓信號進行分壓轉換到0-2.2V范圍內，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轉換外圍電路

C8051F410單片機的內部有兩個12位的電流型DA轉換器，最大輸出電流可以有四種不同的設置：0.25mA、0.5mA、1mA、2mA.若要控制“設定”,需要將DAC輸出串聯一個電阻至GND,若將DAC的最大輸出電流設置為2mA,選用2.5K串聯電阻，則最大輸出電壓為5V.

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

3 軟件結構設計

C8051F410可以與8051兼容的微控制器內核，所以單片機軟件采用C51編寫，使用Keil C uVision 4集成開發環境。本系統軟件設計采用模塊化、結構化設計方法，整個程序主要由程序初始化、鍵盤掃描、參數設定子程序、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所示為系統主程序流程圖。

圖5 系統軟件設計結構圖

4 結語

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

其系統設計充分利用C8051F410單片機具有的片內豐富資源，通過單片機片內A/D和D/A實現數據采集控制，提高了采集數據的可靠性和準確度。該氣體流量儀電路設計簡單，穩定性好，性價比高，具有很大的市場推廣價值