中北大学2013届毕业设计说明书用于数据采集和控制微机械流量传感器的单片机接口电路P Asimakopoulos, G Kaltsas and A G Nassiopoulou摘要针对用可编程操作模式来快速而准确的测量流量，目前的工作是，设计和制造一个特殊的基于单片机的数据采集和控制系统。该系统可应用预定功率的加热器，同时能够监测热电信号和加热器电流。RS232的使用实现了与外界的联系。而接口电路则用于微机械流量传感器的测量。各种传感器参数是在层流和湍流条件下提取的。具有三个操作模式（恒定电压、功率、温度）的传感器响应也能够得到。1 引言现在在微电子系统领域方向的研究已经逐步引向了具有执行复杂操作能力的智能电子接口12。尤其是，为专业应用程序设计的接口电路提高了微电子系统的操作能力，并且提供了控制与通信的友好用户环境。在这项研究中，为了用可编程操作模式来快速而准确的测量流量，设计和制造了一个基于单片机的数据采集和控制系统。而接口电路则用于微机械流量传感器的测量。2 系统描述热流量传感器在其他地方都详细介绍了3。它由一个多晶硅热电阻和两个对称的位于加热器两侧的热电堆组成。因为两个热电堆串联的联系在一起，因此微分信号可直接利用。热电阻的阻值随温度变化而变化，因此它引导另一个信号传送到传感器，这可以用作为额外流量信号的热电堆来解释。这种效应可以通过不同的操作模式来补偿4。如图1所示的接口电路框图。它由三个子电路组成，分别是：数据采集电路、控制与供电电路和串口通讯电路。接口处是一个16MHz的8位微控制器，它可以通过相应的软件处理所有不同的过程。为了达到快速而且低成本的目的，因此选择了一个特定的单片机（C）。图1 接口电路框图该电路由模拟部分和数字部分组成。该接口电路可以快速测量热电堆电压和加热器电阻。由于热电堆电压是介于V到mV之间，为了最小化外界噪声的干扰，需要采取特殊措施，因此增加了一些降噪措施。通用噪声源是通过PC机的RS232端口相连的，因此它使用了一个带有电子电路的通用面板。光耦合器的使用是为了防止噪声穿透电路。另外，在所有的输入设备中，除了耦合电容，不同的接地面板实现了模拟量和数字量之间的转换。数据采集电路可以通过使用复用器来确定热电堆电压和加热器电阻，而且它以4MHz的频率使用单个程序启动（SPI）端口来转换相应的值。这两种情况都使用了一个16位模拟数字转换器（ADC）。该模拟数字转换器（ADC）能够测量范围在-2.5V+2.5V的双向信号，分辨率为76.3V。它可以处理的信号转换的速率可以达到每秒67000个样本（67Ksps），因此，可以确切的说最大信号采集频率是33.5KHz。由于频谱混叠效应，更高频率的信号可能以低频率的错误信号出现。为了避免这种影响，特别设计了一个低通巴特沃斯滤波器，使得频率从48.2db退化至33.5KHz。为了确定加热器电阻值，与之对应的电流值是必要的。电流值的确定是通过测量一个分流电阻的电压降来实现的，该分流电阻是与热电阻相连的，如图1所示。为了更精确的测量信号，使用了一个将信号放大十倍的仪表放大器，充分利用了模拟数字转换器的全部转换范围。低通滤波器（截止频率为10KHz）的使用时为了避免电磁噪音，这也可能在放大器中导致直流失调。热电堆信号与接地（漂移）信号无关，因此它能产生溢出从而影响放大器的工作。为了避免这种特殊影响，因此使用了两个额外电阻（R1，R2）。为了解决传感器供电问题，使用了一个阈值为2.5V，分辨率为38V的16位数字模拟转换器（DAC）。该数字模拟转换器（DAC）通过单个程序启动（SPI）端口以4MHz的响应频率与单片机（C）相连。由于这个配置的选择，输出电压在4s内就会响应。所需传感器的输入电压是10V12V，所以通过低噪声放大器可以将信号放大6倍。3 软件程序图2 单片机程序流程框图通用程序流程图如图2所示。主程序菜单提供了传感器的运营模式。它由三个选择模式组成，分别是：恒电压（CV）模式、恒功率（CP）模式和恒温（CT）模式。如果选择恒电压模式，那么子菜单中将有两个选择：通用电压（AV）和数据采集（DA）。一旦选择通用电压（AV）模式，用户将选择的是首选电压值（伏特）和随后将特定值载入加热器中。而数据采集（DA）模式能偶尔或者定期地测量传感器传输的数据和加热器参数。如果选择定期测量，系统将执行所有的待操作，并随着不断地选择频率来返回传感器信号（热电堆电压）、加热器功率值（mW）和电阻值（）。显然，恒电压模式提供了两个不同的功能。对于加热器的电压应用程序和数据采集是分开实现的。通过这种方式，传感器参数可以通过外界电压（用于校准）或者溢出功率来测量，在这种由于环境温度变化而传感器作为参照物的情况下，这种措施是非常有用的。图3 三种不同操作模式下的热电堆信号函数流在恒功率模式下，加热器功率稳定的算法得以实现。两个参数应该插入：首选的输入功率（mW）和所采取的测量频率。因此，输入功率的首选稳定值是在-25W+25W之间。首先，为了在室温下确定加热器电阻的阻值，向加热器中加入了A级的小电流。然后，首次作出了电压评估并将特定的电压施加到加热器中。而加热器的电流则是通过并联电阻的电压值得测量来提取的。最后，为了保证稳定的输入功率，将计算新的电压值。该系统（通过RS232端口）随着预定义的频率提供了传感器信号、加热器功率和电阻。在恒温（CT）模式下，该系统调整电压电源以便维持加热器恒温。与恒功率（CP）模式类似，传感器操作点和频率测量不得不被插入。在这种操作模式中，该系统最初给加热器设定一个额定功率和无波动的提取响应的电阻值。由于电阻随着功率变化而变化，该系统处于等待状态，直到达到一个稳定状态。稳定条件的标准是建立在阻力变化小于4%的条件下。当这一标准满足电流标准时，电阻值的确定大约在-200m+200m。随后，该系统准备测量流量。预定的实现不需要用户知道稳定的热电阻阻值。为了获得和稳定相应的电阻值，用户只要定义传感器操作点和系统需要执行的必要操作即可。在恒功率（CP）模式下，系统随着预定义的频率提供了传感器信号、加热器功率和电阻值。我们必须强调的事实是，在恒功率（CP）模式和恒温（CT）模式下，用户选择的频率能唯一确定数据显示的速度。无论用户是否选择了频率，该系统都不断地以最高速率（67Ksps）评估和重新计算功率值（或者电阻值）。在恒功率（CP）模式和恒温（CT）模式下的数据采集过程都要求通过改变复用器的通道在热电堆电压和加热器电阻中作出选择。这个操作将引起350s的延迟，因为在电路中，过滤器的存在给测量电压的最终值增加了一个滞后环节。由于快速测量的速度，因此为了降低噪声影响，20V的平均值是适合的。每次数据采集的周期间隔时间是1.3ms。4 测量结果接口电路是用来热流量传感器在三种不同操作模式下的评估的。实验设置在其他地方有详细的描述4。传感器底部是以半圆柱状封装的。它的长度和有效直径分别是6cm和1.71mm。特定的配置允许层流的流量条件达到3SLPM。超过这个值的流量将进入动荡区域5。选择特定的结构参数是为了能让传感器在层流和湍流区域的反映作出检查。在所有实验中都用了纯氮。图3显示了在流量范围为0-2SPLM内，热电堆信号作为三种不同的操作模式下的功能流。由于流量值特别低，因此没有观测到预期的显著差异。在三个操作模式下，每一个操作模式都获得的灵敏度为1.46mV/SLPM。高于2.5SLPM的将进入动荡区域，因此，热电堆信号需要用具有足够精度的技术来处理噪声的干扰。为了检测传感器在湍流流量区域中的功能特性，不同的传感器参数将被测量。图4和图5分别显示了在三种不同操作模式下的加热器动率和加热器电阻在流量范围为0-10SLPM范围内的情况。显然，通过在恒温（CT）模式下的加热器功率或者恒功率（CP）模式下的加热器电阻就可以确定在整个流量范围内的流量。恒电压（CV）模式似乎在这两种情况下都不太灵敏。因此，通过这种方式，该系统有能力通过改变引用参数来处理各种水流情况。通过接口电路，该操作可能自动完成，这样就能够确定流量情况和相应地改变测量过程。图4 三种不同操作模式下的加热器功率图5 三种不同操作模式下的加热器电阻5 结论设计和制造一个用于数据采集和控制热流量传感器的单片机接口电路。该系统具有非常快而准备的测量传感器所有参数的功能。它具有三种不同的操作模式（CV，CP，CT），并都具有友好的用户环境。该电路能够使加热器功率和加热器电阻分别稳定在-25W+25W和-200+200之间。这些接口都是用来在层流和湍流区域中进行传感器的测量评估的。应用0.15V的分辨率可以获取热电堆信号，而且，它也能确定层流区域的流量。至于湍流区域，通过恒功率（CP）模式或者恒温（CT）模式，加热器电阻或者加热器功率的改变可以精确的确定流量。参 考 文 献1 Baroncini M., Placidi P., Cardinali G.C., Scorzoni A. (2003). Sensors and Actuators .109:131-136.2 Zhang J. and Mason A.(2004). IEEE Sensors 2004. (Vienna, Austria, 24-27October 2004).3 Kaltsas G, Nassiopoulou A. G.(1999).Sensors and Actuators.76: 133-1384 Kaltsas G, Nassiopoulos A. A. and Nassiopoulou A. G. (2002). IEEE Sensors Journal.2(5):463-475.5 Mottrl.(1990). Applied fluid mechanics. (Merrill publishing company, London).第 5 页 共 8 页