PIC32单片机在气相色谱仪中应用方案，软硬件协同

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1 主要内容
          1.1课题的目的及意义
          气相色谱仪是一个精密仪器，其用途非常广泛。他广泛用于石油、化工、农药、公安、白酒、环境检测、卫生防疫以及高等院校、科研部门。自1952年世界上第一次创建实用气液色谱法以来，在短短几十年间，气相色谱仪作为现代分析检测仪器的代表，已发展成为一个有相当生产规模的产业， 并形成了具有相当丰富的检测技术知识的学科。通过研究气相色谱仪的发展规律，能给使用者有益的启迪，为有关专业人员的工作带来一定的帮助。
           
          1.2国内的外研究现状
          虽然我国的气相色谱仪在短短的二、三十年间得到了长足的发展，但是这个市场的大部分配额还是长期被欧美和日本占据，主要是因为我国的技术指标还没有达到一流国家的水平，还有很多空白等待填充。
           
          1.3本文主要的研究工作
          设计一种基于Microchip 的PIC32系列单片机，通过移植ucos嵌入式操作系统设计一个控温、恒温、线性升温等指标能达到国外先进产品水平的气相色谱仪方案。使该气相色谱仪能实现了8阶以上线性控温，升温曲线上冲小，小于200摄氏度时误差可低于+_0.1°C之内，大于200摄氏度时误差可在+_0.1°C范围内。该气相色谱仪控制系统采用PIC32处理器制，实现对按键的处理，液晶的显示及与上位机的通信，温度及各功能板的控制。
           
          2 气相色谱仪控制系统概述
          2.1系统各模块简介
          本系统需要595串转并、直流电机、电磁继电器、压力流量传感器、AD转换芯片、上位机通信、键盘扫描芯片、EEPROM掉电保护及液晶字库存储、液晶显示、稳压芯片等进行驱动或控制，在此，简单对这些设备进行介绍：
           
          2.1.1 74HC595串转并
          74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
           
          2.1.2 直流电机
          直流电机在稳定性方面比交流电机更具优势，因为其电流是稳定的，能够很平稳地调整转速，故多数精密仪器都是用直流电机的，同时直流电机还可用于测速。在本系统中采用四相直流步进电机，可以对后门的闭合进行精确的控制。
           
          2.1.3 电磁继电器
          本系统是将单片机用于控制系统，而所控制的设备多是大功率器件。但是，单片机是一个弱电器件，一般情况下工作在电压为5V甚至更低，驱动电流在mA级以下。而要把它用于一些大功率场合，就要有一个“功率驱动”环节来衔接，常用的功率驱动有晶体管驱动、继电器驱动等。其中继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。继电器驱动含有两层含义：一是对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件；还有就是继电器去驱动中间继电器、接触器、电动机等其他负载。所以，继电器驱动是单片机与其他大功率负载的接口。
           
          2.1.4 压力流量传感器
          两路流量表模拟信号输入：流量1：（氮气/氢气）；流量2：（氮气/氢气）；
          两路传感器采用霍尼韦尔AWM3100V，3PIN，工作电压10V，无气体输入时 Output voltage=1.00_+0.5VDC，输出电压和输入气体流量成线性正比例变化，氮气/氢气比例不同需要修正，空气=氮气=1.0；氢气=0.7；
           
          两路压力表：霍尼韦尔26PCF，4PIN，工作电压10V，可测量压力范围0-100psi和输入气体流量成线性正比例变化，满量程是输出100mv,灵敏度1mv/psi。
           
          2.1.5 AD转换芯片
          AD转换芯片采用ADS1248 TI 公司的ADS1246, ADS1247和ADS1248是高度集成的24位精密ADC,自带参考电压、可编程恒流源、内部晶振、内部模拟开关切换、集成了低噪音可编程增益放大器(PGA),带单周期设定数字滤波器的精密Delta-Sigma ADC以及振荡器,组成了完整的温度/桥式传感器应用包括热耦合,电热调节器,RTD和应力测量的前端解决方案.
           
          2.1.6 上位机通信
          使用LabView做了一个操作界面，通过串口连接到电脑，使气相色谱仪系统的控制不仅可以通过真实的按键，也可通过电脑进行远程控制，方便用户。
           
          2.1.7 键盘扫描芯片
          由于气相色谱仪的控制系统较为复杂，按键较多，为节省CPU的IO口，使用了一个按键扫描芯片来ZLG7289接受按键值，ZLG7289B是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的，具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能。ZLG7289B内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有多种控制指令，如消隐﹑闪烁﹑左移﹑右移﹑段寻址等。ZLG7289B具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。典型应用：仪器仪表，工业控制器，条形显示器，控制面板等。
           
          2.1.8 EEPROM掉电保护及液晶字库存储
          EEPROM模块分为两部分：
          第一部分是液晶字库的存储，因为试用的液晶为320*240的大液晶，使用PIC自带的RAM肯定不够，因此在外围加了一个AT24C512 64K的EEROM存放字库，该AT24C512提供524,288位的串行电可擦除和可编程只读存储器（EEPROM）该器件的级联功能允许多达4个设备共享一个共同的两线总线。该器件适合用于必要用途在许多工业和商业应用需要低功耗和低电压操作。这些器件采用节省空间的8引脚PDIP，8引脚的SOIC EIAJ的8引脚JEDEC的SOIC封装，8引脚TSSOP封装，8引脚无铅阵列和8引脚封装的SAP。此外，整个家庭是利用，能够在2.7（2.7至5.5V）和1.8V（1.8V至3.6V）版本。
           
          第二部分是掉电保护部分，采用PIC单片机内部自带的EEROM，来实现密码，温度设定值，检测参数等数据。数据EEPROM非易失性内存是一个数组，从数据存储器具有独立的RAM和程序，即数据用于长期项目的长期储存。无论是在映射的寄存器文件和程序存储空间，都是通过寄存器间接地解决特殊功能寄存器该EEPROM是在正常操作可读可写在整个VDD的范围
           
          2.1.9 液晶显示
          使用金鹏的OCM240*320液晶，它适用于中等规模的点阵液晶显示器。它能够提供液晶显示驱动器及外部显示存储器所需的全部控制信号，并且它还有一个内置的字符库，因此只需极少的外部器件就可以获得一个组织灵活的低功耗显示系统。
        2.1.10 稳压芯片
          气相色谱仪对电压的稳定性要求较高，因此采用了两款稳压芯片TL431提供10V稳压及AS1117提供3.3V稳压。
           
          德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,在很多应用中可以用它代替齐纳二极管,例如,数字电压表,运放电路、可调压电源,开关电源等等。
           
          AS1117是一款低压差的线性稳压器，当输出1A电流时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V。AS1117除了提供多种固定电压版本外（输出可以为1.8V，2,。5V，3.3.V，5V），还提供可调端输出版本，该版本能提供的输出电压范围为1.25V-13.8V。
           
          2.2系统总体框架
          该系统是为满足气相色谱仪控制的要求，并充分考虑其经济性和可靠性，能真正实现气相色谱仪控制的要求来确定的。根据系统要达到的总体功能，系统主要负责按键的检测，液晶的显示及与上位机的通信；控制各个功能模块的工作，温度的采集计算和控制，压力流量的采集等。
           

       

         

          1、液晶，蜂鸣器，气阀由CPU的IO口直接控制
          2、键盘值由芯片ZLG7289B来采集。这款芯片最多能识别64个按键
          3、电路扩展了一个串口，用于上位机控制，电平转化芯片用max232.
          4、扩展了一片EEPROM，每片容量为64K，由CUP的IO口控制，用了IIC总线控制
          5、CPU芯片通过通过74HC595芯片，来扩展IO口，用74HC595扩展的IO口来控制FID，ECD，TCD；
          6、采温部分，用PT100作为温度传感器，用PT100组成桥式电路，把温度转化为电压，在经过LM324放大，送给CPU的模拟输入口。Pt100的恒压电路有TL432组成；
          7、压力模拟量经过LM324放大后，传给CPU模拟口。流量的模拟量直接送给CPU的IO口，这两部分的恒压电路用TL431组成；
          8、电机部分用TL521光耦芯片来隔离CPU的IO口和步进电机的接口，未用CPU的IO口直接控制步进电机接口，这样就起到了安全和抗干扰的作用。用ULN2803芯片来反相驱动电机；
           
          3 系统的硬件设计方案
          本章分节介绍了各个控制模块的硬件设计与实现方案，系统硬件按功能划分为以下几个功能模块： 595串转并模块、直流电机模块、电磁继电器模块、压力流量传感器模块、AD转换芯片模块、上位机通信模块、键盘扫描芯片模块、EEPROM掉电保护及液晶字库存储模块、液晶显示模块、稳压芯片模块。在各个模块设计中详细叙述了其工作原理、设计思想以及实现方法。
           
          3.1单片机模块设计
             单片机作为系统的微处理器，其性能对整个系统来说非常关键。现在，全球有很多公司能够生产单片机，随着超大规模集成电路的迅猛发展，单片机的功能也日渐强大，运算速度日益提高，相继出现了32位和64位单片机，根据实际系统的需要和产品的性价比，本系统选用microsoft公司生产的32位单片机PIC32F460F作为系统的控制芯片。Microchip公司的PIC32MX4系列是高性能通用和USB的32位闪存微控制器(MCU),下面介绍下它们的主要功能[3]：
           
          •  带5级流水线的MIPS32? M4K™ 32位内核
          •  最高80 MHz的频率
          •  零等待状态闪存访问时性能为 1.56 DMIPS/MHz（Dhrystone 2.1）
          •  单周期乘法单元和高性能除法单元
          • MIPS16e™模式可使代码压缩最多40%
          •  两组各32个32位内核文件寄存器，可减少中断延时
          •  预取高速缓存模块可加速从闪存的执行速度
          •  工作电压范围为2.3V至3.6V
          • 32 KB至512 KB的闪存（附加一个12 KB的引导闪存）
          • 8 KB至32 KB的SRAM存储器
          •  引脚与大部分PIC24/dsPIC? 器件兼容
          •  多种功耗管理模式
          •  多个具有独立可编程优先级的中断向量
          •  故障保护时钟监视器模式
          •  带有片内低功耗RC振荡器的可配置看门狗定时器，确保器件可靠工作
          • 2个编程和调试接口：
          - 双线接口，可与应用程序进行非抢占式访问和
          实时数据交换
          -4线 MIPS? 标准增强型JTAG 接口
          •  基于硬件的非抢占式指令跟踪
          •  符合IEEE标准1149.2（JTAG）的边界扫描特性
          •  最多16路通道的10位模数转换器：
          - 转换速率为1000 ksps
          - 可在休眠和空闲模式下进行转换
           
          PIC32MX460F引脚图如下：

       

        3.2 595串转并模块控制模块设计

        3.2.1 595串转并模块原理及作用

          在本系统中，由于控制模块较多，单单三个检测模块（FID、ECD、TCD）就需要超过72个控制口，因此使用74HC595来进行串并转换，节省IO口的资源。使用一个IO口连续送出24位，由三个74HC595级联后控制各模块。
           

        3.2.2 模块设计与实现

       

        图2 74HC595控制模块电路图

         

          如图所示，此为三个检测模块中的一部分，由三个595级联而成，单片机只提供三个IO引脚，就可以控制24位来完成FID模块的功能。
           
          74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。3.3电磁阀控制模块设计
           

        3.3.1电磁阀原理及其作用

          电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀是用电磁效应进行控制，主要的控制方式由三极管、继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。
           
          电磁阀从原理上分为三大类：直动式、分步直动式和先导式。本设计要控制的电磁阀为直动式电磁阀其原理如图2-4所示：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
           

       

        图3 单电控直动式电磁阀动作原理图

        1-电磁铁；2-阀芯

         

        3.3.2模块设计与实现

          本系统需要控制多个电磁阀，作为气相色谱仪灵敏度，极性，粗条细调等等一系列功能的实现。本模块的设计如图2-5所示，通过三极管共射放大电路放大驱动信号，共四路分别驱动四个电磁阀。本设计只需要定时控制电磁阀的开关，三极管驱动已经可以达到系统要求，故不必用继电器电路来控制。有电磁阀控制部分的电路图可以看出电磁阀的供电方式为正极为VCC2，但通过流经三极管后负极为GND，故不能形成回路，为了解决这一问题在GND和GND2之间加一个大电流二极管，如图2-6所示，这样既能使电磁阀正常工作，又保证了电磁阀工作对单片机系统供电的干扰。
           

       

        图4 电磁阀控制电路图

         

       

        图5  回路二极管电路图

         

          3.4电机控制模块设计

        3.4.1直流电机原理及其控制方式

          直流电动机的工作原理[8]如下：如图2-7（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如图2-7（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
           

       

        图6 直流电动机的原理图

         

          外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。通电线圈在磁场中受力的作用而转动，在越过平衡位置时换向器改变线圈中电流的方向从而使其能连续的转动下去。 实际中的直流电动机转子上的绕组不是由一个线圈构成，而是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。
           
          直流电机的控制一般采用继电器、晶闸管等控制，此处需要控制电机的启动、停止和正反转，但控制频率不高，且不要求调速，故选用继电器控制。每个电机采用两个直流12V继电器分别控制双相电源，使其启动、停止和正反转。
           

        3.4.2模块设计与实现

          在本控制模块中直流电机用于控制按摩椅后背的前后移动和腿部的上下移动，需要较为平稳的运动，故采用24V直流电机。由于系统不需要调速，只需控制电机的正反转，故采用继电器控制电源即可满足要求。电机正反转的实现是通过电源反接实现的，所以直流电机的两根电源线都要有接电源正负的机会，每个电机需要两个继电器来控制两根电源线，只有这样才能有效地控制电机的正反转。
           

       

        图7 电机控制电路图

         

          如图2-8所示，接通过继电器K1闭合接通电源，K2断开接地，电机1正转，继电器K1断开接地，K2闭合接通电源，电机1反转，其他状态电机停止；同理，K3、K4控制电机2正转、反转和停止。电机控制电路中并联电容是为了让电机产生一个启动力矩，这样电机通电后能够确保自动转起来。另外，直流电机在旋转时，转子的电流是经电刷和整流子接触，供给转子绕组，在工作时，接触点有火花，并产生电磁波，并联电容也可以消除或减小电磁干扰。
        3.5其他模块设计

        3.5.1压力流量传感器模块设计模块设计与实现

          两路流量表模拟信号输入：流量1：（氮气/氢气）；流量2：（氮气/氢气）；

        两路传感器采用霍尼韦尔AWM3100V，3PIN，工作电压10V，无气体输入时 Output voltage=1.00_+0.5VDC，输出电压和输入气体流量成线性正比例变化，注意氮气/氢气比例不同需要修正，空气=氮气=1.0；氢气=0.7

        两路压力表（霍尼韦尔26PCF，4PIN，工作电压10V，可测量压力范围0-100psi和输入气体流量成线性正比例变化，满量程是输出100mv,灵敏度1mv/psi）

         

         

        图8 压力流量控制电路图

         

        3.5.2按键电路设计

          本系统共采用31个按键，按键较多，故采用扫描芯片节约IO资源，同时在主控板上留有线控器接口，可以在必要时进行功能扩展，可随时改为矩阵式键盘。提高了系统的可扩展性和可升级性。
           

        3.5.3蜂鸣器电路设计

          蜂鸣器电路是用来报警或提示用的，蜂鸣器采用5V直流蜂鸣器，采用三极管驱动，控制电路图如下
           

       

        图9 蜂鸣器电路图

         

        3．5.4 EEPROM模块电路设计

          采用AT24C512来存储液晶字库，使用IIC总线。
           
          3.6 本章小结
          在硬件电路设计过程中，尽量采用典型电路，典型电路的资料比较好搜集，并且电路的正确性和可靠性都得到了保证，也缩短了硬件的调试时间。但是在采用典型电路的同时，也要结合本设计的实际情况将电路进行改动。因为本论文是方案设计，故只列举了简单的原理图，下一步将在毕业设计中具体的实施。
           
          4调试与总结
          系统采用Microchip 的PIC32系列单片机作为微处理芯片，根据检测到的的按键状态控制相应的功能模块，来进行FID，ECD，TCD等检测。本设计的重点在于用单片机Microchip 的PIC32系列单片机来完成整个系统的控制。包括按键、电机、串并转换；液晶显示；EEPROM的存储（包括液晶字库和掉电保护）；温度的设定、LabView回显；气压流量的测量及回显；各模块的控制（包括FID，ECD，TCD）。
           
          仪器采用PIC32系列单片机作为微处理芯片，用PT100作为温度传感器，采用简单的两线结构，再通过24位高精度AD-ADS1248组成的差分电路，把温度量转化成数字量。用单片机控制可控硅的通断来控制电热丝的加热和停止。硬件上实现了控温精度做到误差低于+_0.1°C，在软件设计中实时与上位机通信，使用LabView做了一个操作界面，通过串口连接到电脑，使气相色谱仪系统的控制不仅可以通过真实的按键，也可通过电脑进行远程控制，方便用户。通过移植ucos操作系统，在操作系统的支持下采用模糊PID算法，可以实现对PID算法的比例、积分和微分参数的自适应调整，保证控温精度误差低于+_0.1°C，这种精度在国内是比较先进的。
           
          使该系统具有以下特点：
          1.可靠性：系统的可靠性是第一位的。在设计中必须充分考虑系统的可靠性。该监控系统具有良好的隔离性能，控制电路电源和设备工作电源隔离；
           
          2.通用性：控制系统控制的电机、电磁阀等都为自动化设备中较常用元件，可以通过软件升级的方式成为其他设备的控制板；
           
          3.经济性：该系统采用实用的技术和设备达到了降低整体工程造价的目标，使该系统具有很好性价比；
           
          4.实用性：采用通用控制手段，进行智能化设计，尽量减少系统操作的复杂性，并做到系统工作稳定，维护简单。

李小路

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