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真空室真空度保持稳定的控制系统设计论文
真空室真空度保持稳定的控制系统设计
摘要：
真空镀膜技术是利用物理、化学手段将固体表面涂覆一层特殊性能的镀膜，达到提高产品质量、延长产品寿命、节约能源和获得显著技术经济效益的作用。
但是真空镀膜的时间一般都很长，有的长达几十个小时，真空室真空度的稳定性对膜的生长，成膜质量的好坏有很大的影响。
因此，如何保持真空度的稳定，也成为了一个关键性的技术问题。
本文简要的介绍了利用单片机实现真空度稳定控制的工作原理，阐述了软、硬件的具体实现方法。
该设计主要通过真空计信号采集放大电路，获得与真空室内真空度相对应的模拟电压值,并经过A/D转换器转换为数字量送入单片机，单片机处理后给出相应步进电机正反转信号，带动调节阀转动，改变真空泵抽气量的大小，从而达到稳定真空度的目的。
关键词：
真空镀膜技术；真空度稳定；单片机；A/D转换器；步进电机
Abstract：
Physicalandchemicalmethodsareappliedinvacuumcoatingtechnologycoatingsolidsurfacewithalayerofspecialpropertiesofthecoatingtoimproveproductquality,extendproductlife,saveenergyandachievesignificanttechnicalandeconomicbenefits.However,thetimeofvacuumcoatingisgenerallyverylongandsomeuptotensofhours.Thestabilityofvacuumofthevacuumchamberhasagreateffectonfilmgrowthandfilmquality.Therefore,howtomaintainthestabilityofvacuumhasalsobecomeakeytechnicalproblem.Thispaperbrieflyintroducestheoperationprincipletocontrolvacuumstabilitywiththesinglechipmicrocomputerandthedetailmethodofthehardwareandsoftware.Thisdesignisprimarilytoobtaintheanalogvoltagevaluecorrespondingtothevacuuminvacuumchamberthroughsignalamplificationcircuit,andtransmitdigitalquantity,whichisconcertedbyA/Dconverter,intothesinglechipmicrocomputer.Thecorrespondingreversingsignalofsteppermotorgivenaftertheprocessingofthesinglechipmicrocomputerdrivesthevalvetotwirl,changesthesizeofthegasoutputandachievesthegoalofremainingstablevacuum.
Keywords：
vacuumcoatingtechnology;vacuumstability;singlechipmicrocomputer;A/Dconverter;steppermotor
1绪论
1.1课题研究的目的和意义
随着真空应用领域的不断扩展和深入，对真空技术的要求也越来越高，针对不同的应用领域要采取与之相适应的方法和措施。
一般的真空设备都是由真空系统、电气控制系统和工作部分三者组成。
所谓工作部分即真空室，是真空工艺及真空实验实施的场所。
真空系统则是由泵及阀门、管道等部件构成的排气装置。
而电气控制装置则是完成真空工艺要求动作的控制，即通过电气控制装置是真空设备按操作指令进行工作。
由于真空设备种类繁多，因此其电气控制电路也各不相同，这就要求我们针对不同的课题目的来设计不同功能的电气控制电路。
而我研究的课题是保持真空室真空度稳定的控制，之所以需要研究如何保持真空度的稳定，是因为它与真空镀膜技术关系密切。
真空镀膜技术是一种新型的材料合成和加工的新技术，是表面工程技术领域的重要组成部分。
真空镀膜技术是使用物理和化学方法将特殊性能的镀膜涂覆在固体表面，使固体表面具有耐磨，耐腐蚀，耐高温，防辐射，抗氧化，导电性，导磁性等许多固体材料本身不具备的优点，提高产品质量，延长产品的使用寿命，节约能源，实现显著的技术经济效益。
这种新兴的真空镀膜技术已在国民经济各个领域得到应用，如航空、航天、电子、信息、机械、石油、化工、环保、军事等领域[1]。
但是真空镀膜的时间一般都很长，有的长达几十个小时，而真空室真空度的稳定性对膜的生长，成膜质量的好坏都有很大的影响。
因此，如何保持真空度的稳定，也成为了一个关键性的技术问题。
本课题将对如何保持真空室内真空度稳定进行详细说明。
1.2国内外研究概况
在真空技术发展初期，真空室真空度保持是通过手动调整针阀[2]实现的。
随着电子技术的发展，真空设备开始使用电子真空计和其他工业仪表。
然而，这些装置只能向操作人员提供相关数据，仍然需要操作人员通过观察真空计的显示数据进行分析和比较，以确定并实施。
因此，这种真空度稳定控制仍然是手动控制。
手动控制不仅劳动强度大，而且对于某些对真空度要求苛刻的操作是根本无法适应的。
随着微电子技术、计算机技术的发展，微型计算机，PLC等控制装置开始应用于真空装置，实现了保持真空度稳定的自动控制[3]。
在对真空度稳定控制的研究中，从控制的角度，一般有两种方法。
第一种方法是采用流量控制器进行反馈控制，通过对进气量的调节达到保持稳定真空度的目的。
第二种方法是在抽气口串入一只调节阀，通过对调节阀的控制来保持真空度的稳定，它的适用性更广泛，可与输入气体的流量各自控制[4]。
本系统就是采用第二种真空度稳定控制的方法。
1.3论文的主要研究内容
由于系统对于真空室真空度稳定性保持的苛刻要求，以及防止真空室真空度的大幅波动对系统的影响，因此我们需要真空度的稳定性进行控制以避免系统故障。
本课题设计一种基于单片机技术的真空度保持的控制系统，克服了传统方法易受主观因素的影响等缺点，实现了真空度保持的自动化。
本课题将单片机控制应用到真空度保持中。
在保持进气量恒定的情况下，通过控制抽气口调节阀开启量的大小，来保持真空度的稳定，提高了真空度保持过程中的自动化水平。
当达到需要保持的真空度时，按下采集开关采集当前的真空度数据，之后A/D转换器不断对真空计输出的电压信号进行模数转换，经过单片机对转换后的数据与之前采集的真空度数据进行比较，给出相应的输出脉冲数和电机正反转控制信号,脉冲信号经驱动电路放大来驱动四相八拍步进电机，带动调节阀转动,这样就可以改变抽气量的大小,从而影响真空度的变化[4]。
2系统设计方案
2.1系统设计原理框图
本装置的任务是对真空室内真空度进行实时的监测和控制。
采用单片机进行控制，不断将A/D转换后的数字信号传输到单片机中与目标真空度进行比较，经过比较后，单片机给出相应的输出脉冲，通过驱动电路驱动四相八拍步进电机正反转，从而操纵调节阀的开大和关小。
与此同时，单片机根据不同的状态，点亮不同的LED灯，进行状态指示和报警。
系统原理框图如图2.1所示。
图2.1真空度保持稳定系统原理框图
2.2单片机原理
由于本系统采用基于单片机的真空度保持稳定的设计方案，因此接下来我将对单片机原理及本设计所采用的AT89C51进行简要的介绍。
2.2.1单片机原理概述
单片机（single-chipmicrocomputer）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机[5]。
图2.2中表示单片机的典型结构图。
由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。
图2.2典型单片机结构图
2.2.3AT89C51简介
AT89C51的主要参数如表2.1所示：
表2.1AT89C51的主要参数
型号
存储器
定时器
I/0
串行口
中断
速度
（MH）
其它
特点
E²PROM
ROM
RAM
89C51
4K
128
2
32
1
6
24
低电压
AT89C51含E²PROM电可编闪速存储器，有两级或三级程序存储器保密系统，防止E²PROM中的程序被非法复制。
不用紫外线擦除，提高了编程效率。
程序存储器E²PROM容量可达20K字节。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[6]。
其引脚如图2.3所示。
图2.3AT89C51的引脚排列
引脚说明：
：
接地。
：
电源引脚。
正常操作、空闲、掉电以及对EPROM编程或校验工作电压。
一般接+5V电压。
P00～P07:
统称P0口，是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个TTL负载。
P10～P17：
统称P1口，是8位准双向I/O口，能驱动4个TTL负载。
P20～P27：
统称P2口，是8位准双向I/O口。
P3口是是8位准双向I/O口，能驱动4个TTL负载。
P3口除了作为一般的准双向通用I/O口使用外，每个引脚有特殊功能：
RXD（P3.0）——串行口输入端
TXD（P3.1）——串行口输出端
（P3.2）——外部中断0请求输入端，低电平有效
（P3.3）——外部中断1请求输入端，低电平有效
T0（P3.4）——定时器0的计数脉冲输入端
T1（P3.5）——定时器1的计数脉冲输入端
（P3.6）——片外数据存储器写选通信号输出端，低电平有效
（P3.7）——片外数据存储器读选通信号输出端，低电平有效
RST：
复位信号输入端，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE：
当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
它可用作对外输出的时钟，或用于定时。
需要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动8个TTL门电路。
：
此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。
在外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次
有效。
但此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
同样可以驱动8个TTL门电路。
：
当
端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC值超过片内程序存储器容量时，将自动转向外部程序存储器。
当
保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。
单片机只在复位期间采样
脚的电平，复位结束以后
脚的电平对程序存储器的访问没有影响。
XTAL1：
接外部晶体和微调电容的一端；在片内它是振荡反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时，该引脚必须接地。
XTAL2：
接外部晶体和微调电容的另一端；在80C51片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。
若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部始终脉冲。
3系统硬件设计
3.1系统整图
真空度稳定控制系统整图见附录1，系统整图是用绘图软件Protel99SE[7]绘制而成。
本系统是基于单片机的真空度稳定控制系统，采用AT89C51单片机，单片机的P0口作为信号的输入部分，P1口输出脉冲信号和四相八拍步进电机的正反转信号，驱动步进电机的转速和转向，P2口输出信号控制发光二极管的亮灭。
从真空度稳定控制系统整图中，可以看出本系统包括信号采集模块，数据转换模块，单片机最小系统，驱动模块和执行模块。
信号采集模块包括电离真空计和电离规信号采集放大电路，数据转换模块包括ADC0809转换器，单片机最小系统包括时钟电路，复位电路和状态显示电路，驱动模块包括ULN2003功率放大器及其电路，执行模块包括四相八拍步进电机。
3.2电离真空计
3.2.1电离真空计概述
普通型电离真空计用于低于10-1Pa的高真空测量，在结构上它包括作为传感元件的规管和由控制及指示电路所组成的测量仪表两部分。
其工作原理是：
利用某种手段是进入规管中的部分气体分子发生电离，收集这些离子形成的离子流；由于被测气体分子所产生的离子流在一定的压力范围内与气体的压力呈现正比的关系，则通过测量离子流的大小就可以反应出被测气体的压力值，电离真空计就是以此得名的[3]。
电离真空计可按电离方式的不同分为三类：
第一类是应用最广的依靠高温阴极热电子发射原理工作的热阴极电离真空计；第二类是没有热阴极而依靠冷发射（场致发射）原理工作的冷阴极电离真空计；第三类是采用放射性同位素作为电离源的放射性电离真空计。
本设计采用最常用的热阴极电离真空计作为信号采集电路的输入端。
3.2.2热阴极电离真空计的工作原理
电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体以一定的几率发生电离，产生正离子和次级电子，其电离几率与电子能量有关，电子在飞行途中产生的正离子数，正比于气体的密度n，在一定的温度下正比于气体的压力P。
因此，可根据离子电流的大小指示真空度，这就是电离真空计的工作原理。
由于电离现象的过程极其迅速，微小的离子流的测量技术亦不难解决，故而电离真空计在高真空领域中得到广泛应用，在极高真空领域中甚至是唯一实际可行的真空计。
由灯丝加热提供电子源的电离真空计称为热阴极电离真空计，其型式繁多，各具不同特点和使用不同的压力测量范围。
按线性压力范围的不同，热阴极电离真空计主要分为三类：
（1）普通型电离真空计（1×10-1-10-5Pa）
（2）超高真空电离真空计（1×10-1-10-8Pa，有的下限为10-10Pa）
（3）高压力电离真空计（102-10-3Pa）
图3.1电离规结构图
本系统采用普通型热阴极电离真空计来测量真空室内真空度，其电离规规管结构如图3.1所示，由筒状板极（离子收集极）C，栅极网G和位于栅极网中心的阴极灯丝F构成，筒状板极在阳极栅网外面。
由于采用了普通型热阴极电离真空计，因此本系统所能保持的真空度范围即为1×10-1-10-5Pa。
真空计采集的微小电压信号需要通过信号采集放大电路放大后，才能传输到A/D转换器中进行模数转换。
下面我要分别介绍电离规信号采集放大电路和A/D转换器。
3.3电离规信号采集放大电路
由于真空规管输出的是微小的信号，因此需要对采集信号进行放大处理。
信号放大电路中关键的元件是运算放大器，本设计选用ICL7650。
斩波稳零高精度运算放大器ICL7650具有超低失调和超低温漂，高输入阻抗，高增益的特点,其性能良好，价格便宜，和其他运放相比，这种运放由单一时钟控制，分节拍进行工作，前一节拍将输入失调采集并存储于一电容中，后一节拍进行采样和放大信号，并可将此刻的失调相抵消，因此此时的电路总的失调和温漂极小，性能十分优越、稳定。
由于具有其他高阻运算放大器没有的自动稳零优点，及适合作缓变微电流放大器。
ICL7650的内部时钟为200Hz，如果要得到较好的频率响应，必须使其输出负载电阻大于10kΩ，而且由于滤波器影响频率的特性，其性能的优越性在直流和超低频时使用中会体现出来。
由于本设计所采集的传感器输入信号是缓变信号，ICL7650是合适的选择[8]。
高输入阻抗运算放大器CA3140，是由美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器，在一片集成芯片上，CA3140A和CA3140BiMOS运算放大器功能保护MOSFEF的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入抗阻，极低的输入电流和高速的性能。
操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源），它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点，是一种互补对称金属氧化物半导体良好性能的运放。
CA3140封装图如图3.2。
图3.2CA3140封装图
CA3140的输出信号量在经过稳压二极管的稳压后传递到选择器的通道Y。
高输入阻抗运放CA3140，其输入级和输出级均为MOSFET（绝缘栅场效应管），其输入阻抗可达101Ω，反应速度比较快，输入的偏流很小。
CA3140的8脚是选通端，为高电平有效，但当8脚为低电平时，放大器的输出也立即变为低电平。
若8脚接高电平或悬空，则放大器可正常工作，CA3140输入回路的电流不能超过1mA，所以一般在其反馈回路和输入回路中要加入限流电阻，一般不小于5kΩ，在设计原理图中定为10kΩ。
图3.3电离规输入放大电路原理图a
图3.4电离规输入放大电路原理图b
在图3.3和图3.4中为电离规的信号采集放大控制电路，其中与ICL7650连接的两个记忆电容C4、C5要求是高品质的低漏电电容。
在选用内部时钟时，采用ICL7650的内部时钟200Hz，因此C4、C5电容量可取0.1uF。
输入端输入的是电离规的离子流信号。
离子流通过R1转换为电压量，输入到ICL7650的同相端，ICL7650对其进行放大，放大倍数约为10倍。
7650的输出信号还需要经过一级放大才能转换成要求的0-5V信号。
该输出信号输入到CA3140的同相端。
根据CA3140的接法可以计算出其放大倍数约为4到5倍之间，可通过手动调节100kΩ的可变电阻R12，达到手动调节放大倍数的目的。
3.4A/D转换
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件[9]。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
3.4.1ADC0809内部逻辑结构
由图3.5可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
图3.5ADC0809内部逻辑图
3.4.2ADC0809外部引脚
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，见图3.6ADC0809封装图。
图3.6ADC0809封装图
下面说明各引脚功能（图3.7）：
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
A、B、C：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路，见表3.1。
ALE：
地址锁存允许信号输入端。
在ALE的上升沿，将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。
START：
A/D启动信号输入端。
START为正脉冲，其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。
EOC：
转换结束信号输出引脚。
开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
OE：
输出允许控制端。
当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。
CLK：
时钟信号输入端（一般为500KHz）。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
：
+5V工作电源。
GND：
地。
图3.7ADC0809引脚图
表3.1通道地址选择
地址码
选择的通道
C
B
A
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
由于本系统只有IN0一路模拟量输入，即A、B、C全为低电平，因此将A、B、C全部接地。
3.4.3ADC0809转换原理
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。
数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。
为此可采用下述三种方式。
（1）定时传送方式
对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。
可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。
（2）查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。
因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。
（3）中断方式
把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
本系统采用查询方式来确认转换是否完成。
3.4.4A/D转换电路设计
在设计A/D转换电路时，还应注意ADC0809对输入模拟量的要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大，由于信号从电离规真空计输出后已经过信号采集放大电路进行放大处理，使其输入到ADC0809中的电压信号处于0—5V之间，因而满足0809的输入要求。
A/D转换部分具体的电路如图3.8所示。
转换时钟：
接单片机ALE输出经四分频后得到。
通道选择:
IN0
转换结束:
EOC=1
通道地址信号
输出使能信号
启动和地址锁存信号
输出数据:
P0口
参考电压:
5V
图3.8A/D转换电路设计
3.5单片机最小系统
单片机的最小系统就是要让单片机里面的程序运行，需要的最小配置，一般包括时钟电路，复位电路，片选EA接法，LED电路等。
本系统的单片机最小系统如图3.9所示，接下来我会对单片机最小系统的种类和作用做详细的介绍。
图3.9单片机最小系统电路图
3.5.1时钟电路
AT89C51单片机的时钟产生方法有两种：
内部时钟方式和外部时钟方式。
我们最常采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。
本设计也采用这种内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
振荡晶体可在1.2MHz到12MHz之间选择。
电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有
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