基于单片机的多功能测氧仪设计

仪表技术󰀁󰀁2010年第10期

基于单片机的多功能测氧仪设计

王󰀁伟,董爱华

(东华大学信息科学与技术学院,上海201600)

󰀁󰀁摘要:提出一种基于单片机的多功能测氧仪的设计方法,该测氧仪能准确测量空气中氧气的体积分数并实时显示。当氧气的体积分数超过事先设定的上下限时,系统可报警并及时通过串口和外部设备进行通信。在测氧仪按键电路和显示电路设计中提出一种复用I/O口设计方法,使电路得到更好的集成,降低测氧仪成本。

关键词:测氧仪;体积分数;报警;按键显示电路中图分类号:TM930󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:

B󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:

1006-2394(2010)10-0014-03

DesignofMulti󰀁functionalOxygenAnalyzerBasedonMicro󰀁controllerUnit

WANGWe,iDONGAi󰀁hua

(InformationScienceandTechnologyCollege,DonghuaUniversity,Shanghai201600,China)

Abstract:Amulti󰀁functionaloxygenanalyzerbasedonmicro󰀁controllerunit(MCU)ispresented.Theoxygenana󰀁lyzercanaccuratelymeasurethevolumefractionofoxygenintheair,anddisplayitinrealtime.Whenthevolumefrac󰀁tionofoxygenexceedspresetupperorlowerlimi,tthealarmsystemmightalterpeopleinstantlyandcommunicatewithexternaldevicethroughtheserialpor.tParticularly,amultiplexdesignoftheI/Oportsinkeypadanddisplaycircuitis

presentedsoastointegratethecircuitandreducethecostofoxygenanalyzer.

Keywords:oxygenanalyzer;volumefraction;alter;keypadanddisplaycircuit

式中:K为电极常数,是由氧的扩散系数、扩散层厚度及阴极面积决定;A为氧在隔膜中的渗透率,与膜材料及厚度等有关;PO2为空气中氧气的体积分数。由上面分析可知,氧探头最后输出电流信号,且电流量和氧气的体积分数成线性关系。2󰀁系统的硬件电路设计

结合系统的功能和成本,此次设计选择了Silicon系列的C8051F330单片机芯片。该芯片使用CIP-51微控制器内核,拥有带模拟多路器的真正10位单端/差分ADC,可以满足显示精度。2.1󰀁系统硬件电路组成及功能

图1为系统的硬件框图。系统由四部分组成,即模拟数据输入部分、显示部分、超标报警部分和数据输出部分。

1󰀁氧探头的工作原理

测氧仪测出的数据是否准确,主要取决于感应装置的优劣,目前我国现有的测氧仪主要采用氧化锆或白金作为测氧的传感器,由于氧化锆对使用环境要求较高,需要在600 ~750 的恒温下才能正常测氧,而白金价格昂贵,因此,这类测氧仪无法做成普及型环境监测仪器。本系统所使用的氧探头可在常温下使用且性价比高,工作方式主要是电化学反应,该氧探头包含一根铂阴极棒和一根银阳极棒,浸泡在氯化钾电解液中,其中电解液池的底端用12󰀁m厚的聚四氟乙烯薄膜封闭,使电解液与空气隔离。当阴极和阳极中间施加700mV的电压后,电解液池中的氧气扩散到铂阴极发生化学反应,所到达铂阴极表面的氧被电解耗尽,如果隔膜外空气中有氧气存在,则氧气不断透过隔膜到达阴极表面,在阴极产生电解电流,此时到达阴极的氧气受扩散系数影响,最后建立平衡,产生稳定的电流。实验和理论证明产生的电流与空气中氧气的体积分数成线性关系,如式(1)所示:

I=KAPO2

(1)

图1󰀁系统的硬件框图󰀁󰀁收稿日期:2010-05

󰀁󰀁作者简介:王伟(1985󰀂),男,硕士研究生,主要从事嵌入式系统与控制方面的研究。

2010年第10期󰀁󰀁仪表技术

!15!

模拟数据输入部分是采集模拟信号,经过滤波电路传给处理器;显示部分是将模拟信号转换成数字信号,计算出对应的氧气的体积分数,通过LED显示出来;报警部分是当氧气的体积分数超过设定值时,通过蜂鸣器报警,并触发继电器开启外部电路;数据输出部分是通过串口将氧气的体积分数值实时与上位机通信。

2.2󰀁系统硬件设计

2.2.1󰀁AD采样电路

模拟数据输入电路中的信号放大部分采用低噪声高精度运算放大器OP07,OP07具有极低的输入失调电压、极低的电压温漂、非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点,广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大电路中。图2中Y2、ADin、Y4三个点通过接插件连接到氧探头,从氧探头进来的电流记为IY2,经过Y2点流到OP07,因此Y2点的电压为UY2=IY2!R225,由于输入的电流非常小,运放器件输入电阻很高,因此图中U1点的电压值等于UY2。R229是分压器,调节R229的值可以影响ADin点的电压值。

图3󰀁模拟数据滤波电路

进一步引起电压U1及ADin点电压的变化,ADin点的电压值经过单片机的AD模块转换为数字量,计算出对应的氧气的体积分数。

2.2.2󰀁报警电路

当测量到氧气的体积分数超过设定的上下限时,系统会发生报警,提示用户采取相应的措施。此系统的报警措施主要是控制两个继电器,控制外围电路。除了继电器外,另有一个蜂鸣器和一个LED指示灯实现声光报警,报警时,蜂鸣发出刺耳的声音来提醒用户,同时LED点亮,电路图如图4所示。

图4󰀁报警电路1(蜂鸣器电路)

图4中的bu点接反相驱动芯片2803的输出端,

图2󰀁模拟数据输入电路

一般情况下,bu点为低电平,三极管Q22不导通,蜂鸣器不响。当测量到氧气的体积分数超过设定的上下限时,bu点的电压取反,电路导通,蜂鸣器发出报警。

图5为两路继电器报警电路,以左侧继电器电路为例说明。Ji2接反相驱动芯片2803的输出端,初始化状态为低电平,三极管Q20不导通,线圈没磁性,JD󰀁out3为断开状态。JDin2和JDout3接外围电路,因此外围电路为断开状态。当氧气的体积分数超过上下限值时,Ji2点的电压取反变为高电平,三极管Q20导通,线圈工作,有磁性,JDin2和JDout3两点闭合,外围

假设电阻R229右边那部分的电阻为R229右,由欧姆定律可知:

U1UADin

=

R227+R228+R229R229右+R228

(2)

因为U1的值不变,调节R229的值,可改变UADin。系统通过软件设定单片机内部的2.4V偏压为基准电压。测氧仪满度调节方法如下:把测氧仪放在室外,因为空气中氧气的体积分数为0.21,调节R229的值,使UADin的值为0.504V,即基准电压2.4V的21%。

由于采集到的模拟数据有干扰,因此采用低通滤波器滤去高频干扰信号。图3中的ADin点接图2中的ADin,然后经过二元低通滤波器,传到ADport端;电阻R221为限流电阻,流入处理器的电流,防止电流过大烧坏处理器。

综上所述,模拟数据输入电路的原理为:氧探头检测到空气存在氧气,引起电流IY2的值变化,IY2的变化

图5󰀁报警电路2(继电器电路)

!16!电路接通。

3󰀁按键显示电路复用设计

仪表技术󰀁󰀁2010年第10期

分别是MC74HC1的时钟线和数据线,单片机通过这两个I/O口来控制LED数码管显示的数值。3.1.2󰀁按键电路

此次设计的测氧仪有两种工作模式,正常模式和功能模式。正常模式下,测氧仪实时的显示当前氧气的体积分数值;功能模式下,用户可以设定报警上下限的值,并存入单片机的FLASH中,以便测氧仪再次启动时,设定的上下限值不变。报警上下限的设定主要通过四个按键来完成,这四个按键分别用于上下限值的加减、确定和取消。按键电路由5个I/O口实现,分别接s1、s2、s3、s4和KEY点,其中s1、s2、s3、s4对应的I/O口和显示电路的4路控制I/O口共用。按键电路原理图如图7所示。

本文提出的键盘显示电路复用设计克服了常规设计方法的缺点,节省了单片机的资源,使电路得到更好的集成。

3.1󰀁键盘显示电路硬件电路分析

按键显示电路,即按键电路和显示电路共用I/O口资源。显示电路用了串转并芯片MC74HC1,使LED数码管的8个数据线占用两个I/O口,4个LED数码管复用8根数据线。

3.1.1󰀁显示电路

显示部分由4个8段共阴极的LED数码管来实现,显示空气中氧气的体积分数,其精度可达小数点后两位。例如空气中氧气的体积分数为0.21时,则显示21.00。

由于芯片MC74HC1引脚输出高电平的电压较低,因此采用ULN2803反向驱动芯片来控制LED数码管。为了减少MC74HC1的个数和单片机I/O口的使用个数,将4个LED数码管的8段控制线连在一起,若数码管都使能,4个数码管显示的值相同,然后处理器用4个I/O口分别控制4个LED数码管的点亮,这4个I/O口同时也被按键电路复用。当数码管显示氧气的体积分数时,每个数码管被依次点亮,且每次只有一个被点亮。由于数码管之间切换的速度比较快,同一个数值在4个数码管上停留的时间相对较长,加上人眼对看到的事物有段滞留的时间,所以人眼观察到的结果是每个LED数码管均处在点亮状态,其显示值为相应的氧气的体积分数值。显示电路原理图如图6所示,其中RP0是1k󰀂的的排阻,作用为上拉电阻,RP0上的5V为ULN2803的外接5V电压,当2803的输入端为低电平时,输出端可以输出5V的电压。MC74HC1上的P0.3和P0.2是单片机上的I/O口,

图7󰀁按键电路

3.2󰀁按键显示电路软件实现

为保证显示电路的正常显示和按键的正常使用,

按键的识别采用查询方式。首先将数码段输出全灭以便判断按键时不影响显示。其次将s1~s4所对应的I/O口输出高电平,然后检测KEY点的电平,如果为低,说明有键按下,为防按键抖动引起,调用显示程序,使时间延迟12ms。显示完后关闭数码段,再次将s1~s4所对应的I/O口输出高电平,检测KEY点的电平,如果仍为低,确认有按键按下。识别按键序号依次进

行,首先将功能键(S1)对应的I/O口输出高电

平,其他三个键对应的I/O口输出低电平,检测KEY点的电平,如果为低,说明功能键按下,进入一个while循环,循环执行的条件是KEY点为高电平,即按键没释放,一直执行该循环,循环执行完后进入功能键的处理函数。其他三个键按同样的检测方法进行操作。图8为按键显示电路软件流程图。

显示程序中单片机通过串转并芯片MC74HC1将要显示的数值传输到LED数码管的数据线上,然后依次点亮每个数码管,每

图6󰀁显示电路原理图

(下转第20页)

!20!

仪表技术󰀁󰀁

参考文献:

2010年第10期

位为NONE,数据位为8,停止位为1。设置完成后,在串口调试助手中手动发送GPIB接口的SCPI命令,测试项目如表1所示。

表1󰀁UART与GPIB的通信测试

发送的SCPI命令

FUNCSQUFREQ2000VOLT4.0FUNCSQUFREQ10000VOLT5.0*RST

Aglient33250A显示前面板显示2000Hz,4.0V的方波

33250A发给串口的数据

[1]黄君凯,吴延军.RS232-GPIB控制器的设计[J].电子技

术应用,2006(3):90-92.

[2]李兰英.NiosII嵌入式软核SOPC设计原理及应用[M].北

京:北京航空航天大学出版社,2006.

(郁菁编发)

无

(上接第16页)

无

前面板显示10000Hz,5.0V的正弦波

前面板复位

无

AgilentTechnologies,

*IDN?前面板无变化33250A,0,2.04-1.01-2.00-03-2

󰀁󰀁以发送*IDN?命令为例,串口调试助手下方输入*IDN?,之后点击发送,观察串口调试助手接收窗口的显示变化,这时会显示ReceivedString:AgilentTechnologies,33250A,0,2.04-1.01-2.00-03-2,其中AgilentTechnologies,33250A,0,2.04-1.01-2.00-03-2是33250A接收到来自计算机串口的识别查询命令后,将自己的标识发送给计算机串口。计算机通过串口接收后显示到串口调试助手接收区中,如图4所示。

图8󰀁软件流程图

个数码管显示中间调用延迟程序。如果禁止LED数码管显示,则对数码管输入0x00。在主程序循环中依次调用按键查询函数和显示函数。4󰀁结束语

本次设计的基于单片机的多功能测氧仪已成功应用于粮食存储仓库中,能将氧探头采集到的氧气的体积分数值及时准确地显示出来,当氧气的体积分数值超过事先设定的报警上下限时,报警模块能及时做出反应。参考文献:

[1]杨邦朝,简家文,段建华,等.氧传感器原理与进展[J].传

图4󰀁串口发送命令和接收数据显示

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[4]张宏非,曹国华.单片机原理及接口技术[M].陕西:西安

电子科技大学出版社,2000.

6󰀁结论

本文基于SOPC平台,采用软硬件协同设计的方

法完成了GPIB和UART接口协议转换器的开发,能够通过UART接口向GPIB接口发送数据和命令,GPIB接口实现源握手、受方握手、控者、讲者、听者等功能,能够收发数据并控制仪器。

(许雪军编发)