PIC32單片機(jī)在氣相色譜儀中應(yīng)用方案，軟硬件協(xié)同

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)槠潆娏魇欠€(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p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p閃爍p左移p右移p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