氣相色譜儀應(yīng)用方案

　1 主要內(nèi)容
　　1.1課題的目的及意義
　　氣相色譜儀是一個(gè)精密儀器，其用途非常廣泛。他廣泛用于石油、化工、農(nóng)藥、公安、白酒、環(huán)境檢測(cè)、衛(wèi)生防疫以及高等院校、科研部門。自1952年世界上第一次創(chuàng)建實(shí)用氣液色譜法以來，在短短幾十年間，氣相色譜儀作為現(xiàn)代分析檢測(cè)儀器的代表，已發(fā)展成為一個(gè)有相當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)， 并形成了具有相當(dāng)豐富的檢測(cè)技術(shù)知識(shí)的學(xué)科。通過研究氣相色譜儀的發(fā)展規(guī)律，能給使用者有益的啟迪，為有關(guān)專業(yè)人員的工作帶來一定的幫助。
　　1.2國(guó)內(nèi)的外研究現(xiàn)狀
　　雖然我國(guó)的氣相色譜儀在短短的二、三十年間得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是這個(gè)市場(chǎng)的大部分配額還是長(zhǎng)期被歐美和日本占據(jù)，主要是因?yàn)槲覈?guó)的技術(shù)指標(biāo)還沒有達(dá)到一流國(guó)家的水平，還有很多空白等待填充。
　　1.3本文主要的研究工作
　　設(shè)計(jì)一種基于Microchip 的PIC32系列單片機(jī)，通過移植ucos嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)控溫、恒溫、線性升溫等指標(biāo)能達(dá)到國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品水平的氣相色譜儀方案。使該氣相色譜儀能實(shí)現(xiàn)了8階以上線性控溫，升溫曲線上沖小，小于200攝氏度時(shí)誤差可低于+_0.1°C之內(nèi)，大于200攝氏度時(shí)誤差可在+_0.1°C范圍內(nèi)。該氣相色譜儀控制系統(tǒng)采用PIC32處理器制，實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的處理，液晶的顯示及與上位機(jī)的通信，溫度及各功能板的控制。
　　2 氣相色譜儀控制系統(tǒng)概述
　　2.1系統(tǒng)各模塊簡(jiǎn)介
　　本系統(tǒng)需要595串轉(zhuǎn)并、直流電機(jī)、電磁繼電器、壓力流量傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片、上位機(jī)通信、鍵盤掃描芯片、EEPROM掉電保護(hù)及液晶字庫存儲(chǔ)、液晶顯示、穩(wěn)壓芯片等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)或控制，在此，簡(jiǎn)單對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行介紹：
　　2.1.1 74HC595串轉(zhuǎn)并
　　74HC595是硅結(jié)構(gòu)的CMOS器件， 兼容低電壓TTL電路，遵守JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。 74HC595是具有8位移位寄存器和一個(gè)存儲(chǔ)器，三態(tài)輸出功能。 移位寄存器和存儲(chǔ)器是分別的時(shí)鐘。 數(shù)據(jù)在SCHcp的上升沿輸入，在STcp的上升沿進(jìn)入的存儲(chǔ)寄存器中去。如果兩個(gè)時(shí)鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲(chǔ)寄存器早一個(gè)脈沖。 移位寄存器有一個(gè)串行移位輸入（Ds），和一個(gè)串行輸出（Q7’），和一個(gè)異步的低電平復(fù)位，存儲(chǔ)寄存器有一個(gè)并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時(shí)（為低電平），存儲(chǔ)寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。
　　2.1.2 直流電機(jī)
　　直流電機(jī)在穩(wěn)定性方面比交流電機(jī)更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠?a href='http://ttokpm.com/tags/電流/' target='_blank' class='arckwlink_none'>電流是穩(wěn)定的，能夠很平穩(wěn)地調(diào)整轉(zhuǎn)速，故多數(shù)精密儀器都是用直流電機(jī)的，同時(shí)直流電機(jī)還可用于測(cè)速。在本系統(tǒng)中采用四相直流步進(jìn)電機(jī)，可以對(duì)后門的閉合進(jìn)行精確的控制。
　　2.1.3 電磁繼電器
　　本系統(tǒng)是將單片機(jī)用于控制系統(tǒng)，而所控制的設(shè)備多是大功率器件。但是，單片機(jī)是一個(gè)弱電器件，一般情況下工作在電壓為5V甚至更低，驅(qū)動(dòng)電流在mA級(jí)以下。而要把它用于一些大功率場(chǎng)合，就要有一個(gè)“功率驅(qū)動(dòng)”環(huán)節(jié)來銜接，常用的功率驅(qū)動(dòng)有晶體管驅(qū)動(dòng)、繼電器驅(qū)動(dòng)等。其中繼電器驅(qū)動(dòng)就是一個(gè)典型的、簡(jiǎn)單的功率驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。繼電器驅(qū)動(dòng)含有兩層含義：一是對(duì)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槔^電器本身對(duì)于單片機(jī)來說就是一個(gè)功率器件；還有就是繼電器去驅(qū)動(dòng)中間繼電器、接觸器、電動(dòng)機(jī)等其他負(fù)載。所以，繼電器驅(qū)動(dòng)是單片機(jī)與其他大功率負(fù)載的接口。
　　2.1.4 壓力流量傳感器
　　兩路流量表模擬信號(hào)輸入：流量1：（氮?dú)?氫氣）；流量2：（氮?dú)?氫氣）；
　　兩路傳感器采用霍尼韋爾AWM3100V，3PIN，工作電壓10V，無氣體輸入時(shí) Output voltage=1.00_+0.5VDC，輸出電壓和輸入氣體流量成線性正比例變化，氮?dú)?氫氣比例不同需要修正，空氣=氮?dú)?1.0；氫氣=0.7；
　　兩路壓力表：霍尼韋爾26PCF，4PIN，工作電壓10V，可測(cè)量壓力范圍0-100psi和輸入氣體流量成線性正比例變化，滿量程是輸出100mv，靈敏度1mv/psi。
　　2.1.5 AD轉(zhuǎn)換芯片
　　AD轉(zhuǎn)換芯片采用ADS1248 TI 公司的ADS1246， ADS1247和ADS1248是高度集成的24位精密ADC，自帶參考電壓、可編程恒流源、內(nèi)部晶振、內(nèi)部模擬開關(guān)切換、集成了低噪音可編程增益放大器（PGA），帶單周期設(shè)定數(shù)字濾波器的精密Delta-Sigma ADC以及振蕩器，組成了完整的溫度/橋式傳感器應(yīng)用包括熱耦合，電熱調(diào)節(jié)器，RTD和應(yīng)力測(cè)量的前端解決方案。
　　2.1.6 上位機(jī)通信
　　使用LabView做了一個(gè)操作界面，通過串口連接到電腦，使氣相色譜儀系統(tǒng)的控制不僅可以通過真實(shí)的按鍵，也可通過電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，方便用戶。
　　2.1.7 鍵盤掃描芯片
　　由于氣相色譜儀的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，按鍵較多，為節(jié)省CPU的IO口，使用了一個(gè)按鍵掃描芯片來ZLG7289接受按鍵值，ZLG7289B是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司自行設(shè)計(jì)的，具有SPI串行接口功能的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨(dú)立LED）的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能。ZLG7289B內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼，并同時(shí)具有2種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令，如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。ZLG7289B具有片選信號(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。典型應(yīng)用：儀器儀表，工業(yè)控制器，條形顯示器，控制面板等。
　　2.1.8 EEPROM掉電保護(hù)及液晶字庫存儲(chǔ)
　　EEPROM模塊分為兩部分：
　　第一部分是液晶字庫的存儲(chǔ)，因?yàn)樵囉玫囊壕?20*240的大液晶，使用PIC自帶的RAM肯定不夠，因此在外圍加了一個(gè)AT24C512 64K的EEROM存放字庫，該AT24C512提供524，288位的串行電可擦除和可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）該器件的級(jí)聯(lián)功能允許多達(dá)4個(gè)設(shè)備共享一個(gè)共同的兩線總線。該器件適合用于必要用途在許多工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用需要低功耗和低電壓操作。這些器件采用節(jié)省空間的8引腳PDIP，8引腳的SOIC EIAJ的8引腳JEDEC的SOIC封裝，8引腳TSSOP封裝，8引腳無鉛陣列和8引腳封裝的SAP。此外，整個(gè)家庭是利用，能夠在2.7（2.7至5.5V）和1.8V（1.8V至3.6V）版本。
　　第二部分是掉電保護(hù)部分，采用PIC單片機(jī)內(nèi)部自帶的EEROM，來實(shí)現(xiàn)密碼，溫度設(shè)定值，檢測(cè)參數(shù)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)EEPROM非易失性內(nèi)存是一個(gè)數(shù)組，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有獨(dú)立的RAM和程序，即數(shù)據(jù)用于長(zhǎng)期項(xiàng)目的長(zhǎng)期儲(chǔ)存。無論是在映射的寄存器文件和程序存儲(chǔ)空間，都是通過寄存器間接地解決特殊功能寄存器該EEPROM是在正常操作可讀可寫在整個(gè)VDD的范圍
　　2.1.9 液晶顯示
　　使用金鵬的OCM240*320液晶，它適用于中等規(guī)模的點(diǎn)陣液晶顯示器。它能夠提供液晶顯示驅(qū)動(dòng)器及外部顯示存儲(chǔ)器所需的全部控制信號(hào)，并且它還有一個(gè)內(nèi)置的字符庫，因此只需極少的外部器件就可以獲得一個(gè)組織靈活的低功耗顯示系統(tǒng)。
　　　　2.1.10 穩(wěn)壓芯片
　　氣相色譜儀對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求較高，因此采用了兩款穩(wěn)壓芯片TL431提供10V穩(wěn)壓及AS1117提供3.3V穩(wěn)壓。
　　德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值（如圖2）。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。
　　AS1117是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，當(dāng)輸出1A電流時(shí)，輸入輸出的電壓差典型值僅為1.2V。AS1117除了提供多種固定電壓版本外（輸出可以為1.8V，2，。5V，3.3.V，5V），還提供可調(diào)端輸出版本，該版本能提供的輸出電壓范圍為1.25V-13.8V。
　　2.2系統(tǒng)總體框架
　　該系統(tǒng)是為滿足氣相色譜儀控制的要求，并充分考慮其經(jīng)濟(jì)性和可靠性，能真正實(shí)現(xiàn)氣相色譜儀控制的要求來確定的。根據(jù)系統(tǒng)要達(dá)到的總體功能，系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)按鍵的檢測(cè)，液晶的顯示及與上位機(jī)的通信；控制各個(gè)功能模塊的工作，溫度的采集計(jì)算和控制，壓力流量的采集等。
　　
　　1、液晶，蜂鳴器，氣閥由CPU的IO口直接控制
　　2、鍵盤值由芯片ZLG7289B來采集。這款芯片最多能識(shí)別64個(gè)按鍵
　　3、電路擴(kuò)展了一個(gè)串口，用于上位機(jī)控制，電平轉(zhuǎn)化芯片用max232.
　　4、擴(kuò)展了一片EEPROM，每片容量為64K，由CUP的IO口控制，用了IIC總線控制
　　5、CPU芯片通過通過74HC595芯片，來擴(kuò)展IO口，用74HC595擴(kuò)展的IO口來控制FID，ECD，TCD；
　　6、采溫部分，用PT100作為溫度傳感器，用PT100組成橋式電路，把溫度轉(zhuǎn)化為電壓，在經(jīng)過LM324放大，送給CPU的模擬輸入口。Pt100的恒壓電路有TL432組成；
　　7、壓力模擬量經(jīng)過LM324放大后，傳給CPU模擬口。流量的模擬量直接送給CPU的IO口，這兩部分的恒壓電路用TL431組成；
　　8、電機(jī)部分用TL521光耦芯片來隔離CPU的IO口和步進(jìn)電機(jī)的接口，未用CPU的IO口直接控制步進(jìn)電機(jī)接口，這樣就起到了安全和抗干擾的作用。用ULN2803芯片來反相驅(qū)動(dòng)電機(jī)；
　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案
　　本章分節(jié)介紹了各個(gè)控制模塊的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，系統(tǒng)硬件按功能劃分為以下幾個(gè)功能模塊： 595串轉(zhuǎn)并模塊、直流電機(jī)模塊、電磁繼電器模塊、壓力流量傳感器模塊、AD轉(zhuǎn)換芯片模塊、上位機(jī)通信模塊、鍵盤掃描芯片模塊、EEPROM掉電保護(hù)及液晶字庫存儲(chǔ)模塊、液晶顯示模塊、穩(wěn)壓芯片模塊。在各個(gè)模塊設(shè)計(jì)中詳細(xì)敘述了其工作原理、設(shè)計(jì)思想以及實(shí)現(xiàn)方法。
　　3.1單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)
　　單片機(jī)作為系統(tǒng)的微處理器，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說非常關(guān)鍵。現(xiàn)在，全球有很多公司能夠生產(chǎn)單片機(jī)，隨著超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，單片機(jī)的功能也日漸強(qiáng)大，運(yùn)算速度日益提高，相繼出現(xiàn)了32位和64位單片機(jī)，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要和產(chǎn)品的性價(jià)比，本系統(tǒng)選用microsoft公司生產(chǎn)的32位單片機(jī)PIC32F460F作為系統(tǒng)的控制芯片。Microchip公司的PIC32MX4系列是高性能通用和USB的32位閃存微控制器（MCU），下面介紹下它們的主要功能［3］：
　　? 帶5級(jí)流水線的MIPS32? M4K? 32位內(nèi)核
　　? 最高80 MHz的頻率
　　? 零等待狀態(tài)閃存訪問時(shí)性能為 1.56 DMIPS/MHz（Dhrystone 2.1）
　　? 單周期乘法單元和高性能除法單元
　　? MIPS16e?模式可使代碼壓縮最多40%
　　? 兩組各32個(gè)32位內(nèi)核文件寄存器，可減少中斷延時(shí)
　　? 預(yù)取高速緩存模塊可加速從閃存的執(zhí)行速度
　　? 工作電壓范圍為2.3V至3.6V
　　? 32 KB至512 KB的閃存（附加一個(gè)12 KB的引導(dǎo)閃存）
　　? 8 KB至32 KB的SRAM存儲(chǔ)器
　　? 引腳與大部分PIC24/dsPIC? 器件兼容
　　? 多種功耗管理模式
　　? 多個(gè)具有獨(dú)立可編程優(yōu)先級(jí)的中斷向量
　　? 故障保護(hù)時(shí)鐘監(jiān)視器模式
　　? 帶有片內(nèi)低功耗RC振蕩器的可配置看門狗定時(shí)器，確保器件可靠工作
　　? 2個(gè)編程和調(diào)試接口：