热式气体质量流量计的硬件电路设计-

热式气体质量流量计系统框图如图4所示。电路主要分为3部分:信号调理电路、电源电路和控制电路。信号调理电路由桥式电路和差分放大电路组成;电源电路由LM317和数字电位器X9111组成;控制电路主要以STM32F103C86T为核心。双探头的阻值随着温度和流量的变化而变化。因此信号调理电路的平衡被打破，其信号由控制电路采集进行判断。STM32根据当前速度探头支路电流进行判断。如果小于0.09A，采用恒温差法，调节电源输入，使得电桥保持平衡，采集电流值，依据电流与流量之间的关系求得流量;如果大于0.09A，采用恒功率法，调节电源输入，使得速度探头功耗恒定，测得双探头温度差，依据温度差与流量之间的关系求得流量。最后所测结果通过USAＲT接口传输至上位机。

1.信号调理电路
信号调理电路如图5所示，信号调理电路相邻两端为PT20和PT1000，另外两端电阻为20Ω的电阻Ｒ2和1kΩ的电阻Ｒ1，在PT1000电阻一端有补偿电阻Ｒ3，Ｒ1和Ｒ2两端的电势差经差分放大后为U2。差分放大电路中Ｒ4=Ｒ6，Ｒ5=Ｒ7。可调直流电源提供电压U1。无任何气体流过时，速度探头的温度比温度探头高100℃，补偿电阻Ｒ3保证电桥平衡，此时电势差U2为0，电势差U2由AD7066芯片进行采集。Ｒ1、Ｒ2两端电压U3、U4由AD7066采集后，除去阻值即可得到速度探头和温度探头支路电流I1和I2。若I1值小于0.09A，采用恒温差法，根据I1值求得流量。当进气流量增大时，速度探头发生热对流，被气体带走一部分热量，温度降低，阻值减小，电桥平衡被打破。控制电路根据电势差U2增大U1输入，I1增大使得速度探头功耗增大，温度上升，阻值上升，电桥重新平衡;而当进气流量减小，速度探头温度升高，阻值增加，则减小U1输入，减小I1，减小速度探头功耗，速度探头温度降低，阻值减小，电桥重新平衡。若I1值大于0.09A，采用恒功率法进行测量，根据温度差求得流量。进气流量增大，速度探头温度降低，阻值减小，功耗增大，减小U1输入，使得速度探头功耗维持定值;进气流量减小，速度探头温度升高，阻值增大，功耗减小，增大U1输入，使得速度探头功耗维持定值。温度差公式如式(6)所示。

2.电源电路
电源电路如图6所示，以LM317为核心。LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。选用数字电位器X9111作为可调电阻ＲL。X9111总共拥有1024个轴头，采用SPI接口通信，具有使用灵活、调节精度高等优点。X9111最大阻值为100kΩ，同时其功耗相比于其他电位器而言很低。

3.控制电路
热式气体质量流量计控制电路以STM32F103C8T6为核心组成最小系统，引出足够的I/O口以作拓展。因为信号调理电路输出的电势差U2具有正负极性，所以STM32F103C8T6自带AD采集无法满足要求，选用AD7066芯片进行采集。AD7066自带数字滤波器，有8个采集通道，支持真正±10V或±5V的双极性信号输入电流。AD7066有并口接线和SPI串口接线两种接线方式，此处采用SPI串口接线。STM32最小系统与AD7066之间的接线如表1所示。AD7066的V1～V4口分别采集U1～U4的电压值。STM32通过对电位器X9111的ＲL控制改变电源输出电压大小。STM32的PB13口接X9111的SCK口，PB14口接X9111的SO口，PB15口接SI口。