多元气体校准仪(2)

2 系统概述

2.1 特性

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基于MC68HC912DG128A

1台仪器可校准空气中的多种气体 也可校准用户自定义的其他气体

针对不同的气体有不同的产生方式，如用紫外光产生臭氧、用NO和O3反应产生NO2等

利用“质量流量控制器MFC”精确的测量和控制零气与标气的流量 校准仪机箱温度控制、臭氧发生器温度控制

用芯片内部10位AD转换器，测量温度和压力、流量传感器信号 实时时钟

电磁阀输出控制 风扇控制 掉电保护

2.2 Motorola MC68HC912DG128A简介

本设计选用MC68HC912DG128A，其理由是校准仪原设计采用MC68HC11A1，因MC68HC11A1已经停产，同时新设计的校准仪需要增加一些新功能，8位的MCU功能不能满足本仪器需求，故选用MC68HC11的升级产品16位的微控制器MC68HC912DG128A。

1. 4路PWM(脉宽调制)输出，在本系统中共使用3路：2路用于控制零气和标气的质

量流量控制器，1路用于控制臭氧发生器的紫外灯的灯强。

2. 内置的10位ADC能满足本仪器采样精度的需要，最多可支持16通道，在本系统

中共使用6通道：温度信号使用3通道，压力信号使用2通道，流量信号使用1通道。

3. 用通用I/O端口做输出控制电磁阀驱动电路、控制风扇和臭氧加热器。 4. 用内置COP模块实现看门狗功能，防止软件死锁。

5. 用内置的128K闪存存储系统程序，用2K E2PROM存储本机的设置和主控工控机

对本机的设置。8K RAM用于程序运行时通讯、运算等的临时存储区。

6. 将实时时钟芯片与内置的SPI相接，用于本机的计时、自动校准及与监测系统保持

时间同步。

7. 通过内置的SCI接口，将校准仪同主控工控机相连，实现数据传输和交互。

8. 丰富的I/O端口，为进一步扩展系统功能提供可能。例如，通过具有唤醒功能的端

口H接入键盘，用通用I/O端口接LCD显示屏等。

2.3 系统概述

多元气体校准仪主要完成的功能是为空气质量监测系统中的分析仪器校准时提供所需

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浓度的标气。

例：要为二氧化硫分析仪提供浓度是400PPB、总流量为5000CC/min的SO2标气。其中钢瓶气体SO2浓度为100PPM。操作程序如下： (1) 通过主控工控机进行如下设置：

设置屏幕/标气设置

标气设置

标气： SO2

单位： PPB

小数点位数： 0

稀释D/滴定G： D

进气电磁阀位置（1-4）： 1

钢瓶标气浓度： 100000

设置屏幕/校准序列设置 序列设置 序列号(0-99)： 01 总流量(CCPM)： 5000 钢瓶气体流量： 20 零气流量： 4980 标气浓度(PPB)： 400

根据标气设置和校准序列设置的数据，系统内部要进行如下验算：

钢瓶气体流量=(400PPBX5000CCPM)/100000PPB=20CCPM 零气流量=5000CCPM-20CCPM=4980CCPM

(2) 通过主控工控机启动校准序列

控制屏幕/开始一个序列

开始一个序列 开始 停止 系统做如下操作，根据设置的进气阀位置打开相应的电磁阀和零气电磁阀；根据标气的类型，打开监测系统阀板上与二氧化硫分析仪相连的电磁阀，使校准仪产生的标气输入SO2分析仪。零气和标气的质量流量控制器的流量根据设定的流量进行精确控制。

气体流动是靠压差实现的，钢瓶气经减压阀调整为30PSI后与校准仪入口相接，零气来自于零气发生器，压力为30PSI。而校准仪输出气体的压力是15PSI，这样15PSI的压力使气体从入口流向出口。

通过系统主程序的轮询检测机箱温度状态，并将温度检测结果通过RS232接口，送主控工控机显示。

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3 系统硬件

系统硬件电路由温度采集电路、压力流量采集电路、电磁阀驱动控制电路、臭氧灯驱动控制电路、质量流量控制器控制电路、串行通讯电路、实时时钟电路等组成。主控芯片选用MC68HC912DG128A，具体电路框图如图3所示。

本系统使用电源有：+5V、+15V、-15V、+24V，主要由开关电源模块提供，开关电源的输入为220V交流电。

3.1 压力流量采集电路

压力流量采集电路的原理图如图4所示，用霍尼韦尔公司的气流质量传感器测量臭氧的质量流量，用Motorola公司的压力传感器测量臭氧压力。为保证传感器信号的弱信号很好放大，采用精密仪器用放大器INA114。压力信号放大后从DG128A的AD通道PAD4输入，质量流量信号从DG128A的AD通道PAD5输入，转换成10位的数字信号，参与臭氧流量计算，并闭环控制紫外灯的灯强，从而保证臭氧的恒定流量。

3.2 臭氧紫外灯检测驱动控制电路

本电路如图5所示，由2部分组成：紫外灯驱动控制电路和紫外灯灯强检测电路。 由于紫外灯点亮需要非常高的电压，故用DG128A的PA0、PA1做控制端，控制开关管Q3、Q4的导通和截止，经变压器T1将交流电升至所需电压。将DG128A的PWM2输出，经RC滤波、放大后用于控制紫外灯的灯强。

紫外灯灯强检测采用光电管，由于光电管的电信号很弱，故信号放大器采用OPA128高精度、高输入阻抗的精密运放。放大后的信号输入到DG128A的AD通道PAD3，转换成10位的数字信号，用于运算，参与灯强控制。

3.3实时时钟电路

电路如图6所示，实时时钟芯片选用SPI接口的DS1305，用DG128A的SPI接口对DS1305进行设置。当计时时间到，由DS1305的中断输出产生中断请求信号，并将其接入DG128A的中断请求输入端IRQ，由DG128A用SPI的3条信号线与DS1305传送数据。

3.4 电磁阀等驱动电路

本电路如图7所示，用DG128A的PT端口做通用I/O口，数字信号经74LS374锁存后，通过集电极开路门的驱动芯片，用于控制电磁阀、风扇和臭氧加热器等。该电路有2组组成，分别用DG128A的PA2和PA3控制74LS374的选通，分别控制本机输出驱动和监测系统的输出选通。

风扇由热敏电阻测量的机箱温度控制，例如，当机箱温度高于34℃（用户可设置）启动风扇运转，当机箱温度低于32℃（用户可设置）风扇停止运转。

臭氧加热器由臭氧发生器中的热敏电阻控制，其温度控制在50℃±0.1℃，热敏电阻的

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精度为±1%。

3.5 质量流量控制电路

为了精确控制小流量的气体质量流量，选用高精密的质量流量控制器，零气的MFC选用量程为10SLPM，标气的MFC量程为100CCPM。MFC需外加+15V、-15V电压，输入的控制电压为0~5V与0~满量程相对应，MFC产生输出电压用于与输入控制电压相比较，实现闭环控制。MFC与微控制器的连接关系如图8所示。

主控工控机+VCC放大电路PAD0PAD1PA2PA1RS2322PS0PS1PB0-78电磁阀控制线等控制线驱动零气电磁阀SO2NOCO备用风扇臭氧加热器监测系统电磁阀机箱热敏电阻MC68HC912DG128A臭氧PP0(PWM0)PP1(PWM1)臭氧压力传感器放大电路臭氧流量传感器PAD4PAD5PAD0PP2(PWM2)PA0PA1臭氧紫外灯检测驱动控制SPIIRQ2质量流量控制4实时时钟 图3 系统硬件框图

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图4压力流量采集电路

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