基于PID算法的数字恒流大气采样仪的设计

1　引言

大气采样仪是一种用于采集室内及室外有害气体而研制的改进型仪器,可广泛应用于室内环境检测、大气环境检测、卫生防疫、劳动保护、科研等领域[1]。在采样气体的过程中,使采样流量准、快、稳是采样的关键部分。

目前,国内市场大都采用浮子流量计进行气体采样,失真情况十分严重,并且采样过程流速不稳定,使用非常不方便[1]。国外市场虽已初步开始使用恒流采样仪,但采样前必须和皂膜流量计相应数据进行比对,调整后才可使用,采样程序繁多,数据不精确。为此,必须对现有采样器进行改进,数字恒流大气采样仪的作用就显得非常重要。本文在简述恒流数字大气采样仪设计要求的基础上,重点介绍了它的基本原理,以及基于PID算法的硬软件方案设计。

2　设计要求

恒流数字大气采样仪的设计要求:

1)最大负载(接入Tenax吸附管、活性炭采样管)流量:≧500sccm(sccm为标准毫升/分)

2)正常工作流量范围:100~500sccm(sccm为标准毫升/分)

3)最大流量误差:±2%

4)流量稳定性: ±2%

5)交流工作电源:220V、50HZ

3　设计原理

3.1　硬件设计思想

本设计以低功耗AT89C52为核心,采用高精度、高性能的外围芯片,实现了整体设计精度高、功耗低、稳定性好、存储量大和操作方便等特点。数字恒流大气采样仪的硬件总体设计框图如图1所示。主要由气体采样电路、功率转换电路﹑D/A转换电路、模拟测量放大电路、A/D转换电路、单片机、存储与输出和液晶显示电路等部分组成。完成测量采样流量大小,并通过反馈电路恒定控制流量,最后对数据进行存储和显示的功能。

3.1.1　传感器的选择以及信号调理放大电路设计

大气采样仪的采样流量一般在100sccm~600sccm之间,故选用流量传感器的流量测量范围为0~1000sccm,传感器的输出电压范围为1.00~5.00V。这里传感器选用空气质量流量传感器aWM3300,测量流量为标准大气压下流量,不随现场气体大气压和气体温度影响,所以使用中减少很多计算量,方便可靠。信号测量放大电路如图2所示。

注:图中的两个插座均为传感器的接口

3.1.2　输出反馈部分设计

由于通过传感器的气体流量和传感器的输出电压呈一定的线性关系,所以将传感器的输出电压量转换为对应的气体流量值作为反馈回路的输入量,这里把设定的气体流量作为控制通路的输入量,两者相比得到输入偏差,通过PID控制算法对偏差进行调整,最终来控制泵的电压,以便控制气体通过量。反馈控制电路如图3所示。

　功率转换模块选用L298N。L298N内部包含4通道逻辑驱动电路,是一种二相和四相电机的专用驱动器,可驱动46V,2A以下的电机。L298N可驱动两个电机,OUT1﹑OUT2和OUT3﹑OUT4之间分别接2个电动机。5﹑7﹑10﹑12脚接输入控制电平,控制电机的正反转,ENA,ENB接控制使能端,控制电机的停转[2]。