【快速測量小空間空氣中氧濃度的3電極電化學(xué)氧傳感器設(shè)計13000字（論文）】

快速測量小空間空氣中氧濃度的3電極電化學(xué)氧傳感器設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u56271.3本文研究內(nèi)容 525061.3.1系統(tǒng)設(shè)計依據(jù) 562381.3.2設(shè)計主要內(nèi)容 6126222.2Clark氧傳感器 7205822.2三電極氧傳感器原理圖 919860第四章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 14158954.1總體設(shè)計 1436144.2最小系統(tǒng)設(shè)計 15277194.3顯示電路設(shè)計 1736434.4A/D轉(zhuǎn)換電路 18157444.5氧濃度檢測電路 19207384.6電源電路設(shè)計 1920607第五章系統(tǒng)軟件原理及設(shè)計 2026045.1主程序流程設(shè)計 20169355.2顯示子程序流程設(shè)計 217365.3A/D轉(zhuǎn)換子程序流程設(shè)計 2232680第六章調(diào)試與仿真 2386136.1Keil編碼調(diào)試 23130856.2PROTEUS仿真調(diào)試 2459106.3調(diào)試問題分析 2626107第七章結(jié)論 268580第一章緒論134031.1研究目的和意義氧氣是地球最豐富的元素之一,廣泛地存在于各個領(lǐng)域。在大氣層中,它以氧氣的形式存在,在大氣組成中排第二位,占了其中的21%左右[1]。氧氣也能溶解在水中,為水中的各類生物提供了生存條件。除此之外,氧與氫的化合物是水,在整個水圈中,氧占了百分之89。在地球循環(huán)中,氧經(jīng)常與其他物質(zhì)氧化形成氧化物，如SiO2、Fe2O3等。氧氣是我們保護自然界及其社會的生命運動所必須要求且最重要的物質(zhì),而且在生理學(xué)上的氧氣是我們整個身體中一切能量的基本依據(jù)和源泉之一[2]。如果沒有食物和水,一個正常的身體就能夠存活幾天,但是如果長期缺氧幾分鐘,它很有可能就陷入昏迷,這很有可能導(dǎo)致病人死亡。在醫(yī)院里,氧氣是那些接受了手術(shù)的患者病人的一劑救命稻草,也是那些患有嚴重心臟病或呼吸道疾病的其他危重患者病人的一劑救命稻草。過去有些人認為那些死于這次火災(zāi)的患者都是由于一氧化碳中毒所致病而引起的,但現(xiàn)在卻出現(xiàn)了一種全新的看法,即認為那些死于這次火災(zāi)的患者都是由于缺氧所致病而引起的。如果在空氣中缺少了氧氣,那么就會導(dǎo)致一個人感到窒息,空氣中所含有毒的氣體也許就會給我們自身帶來更多的健康危害;若有可燃物或者氣體泄露,將有可能導(dǎo)致爆炸或者是火災(zāi)。在各種石油化工、煤礦、汽車等行業(yè)的各類燃氣企業(yè),尤其特別是石油化工、煤炭、汽車等領(lǐng)域中,燃氣原材料的廣泛使用以及燃氣所產(chǎn)生的數(shù)目和品種都在逐漸增多。因此,高性能的氣體傳感器近年來已經(jīng)成為國內(nèi)外技術(shù)研究的一個重點和發(fā)展熱點[3]。氧氣是我們保護自然界及其社會的生命運動所必須要求且最重要的物質(zhì),而且在生理學(xué)上的氧氣是我們整個身體中一切能量的基本依據(jù)和源泉之一[2]。如果沒有食物和水,一個正常的身體就能夠存活幾天,但是如果長期缺氧幾分鐘,它很有可能就陷入昏迷,這很有可能導(dǎo)致病人死亡。在醫(yī)院里,氧氣是那些接受了手術(shù)的患者病人的一劑救命稻草,也是那些患有嚴重心臟病或呼吸道疾病的其他危重患者病人的一劑救命稻草。過去有些人認為那些死于這次火災(zāi)的患者都是由于一氧化碳中毒所致病而引起的,但現(xiàn)在卻出現(xiàn)了一種全新的看法,即認為那些死于這次火災(zāi)的患者都是由于缺氧所致病而引起的。鼠標接近紅色文字,可以實時查看與分句相似的情況如果我們在空氣中缺少了氧氣,那么就會導(dǎo)致一個人感到窒息,空氣中所含有毒的氣體也許就會給我們自身帶來更多的健康危害;若有可燃物或者氣體泄露,將有可能導(dǎo)致爆炸或者是火災(zāi)。在各種石油化工、煤礦、汽車等行業(yè)的各類燃氣企業(yè),尤其特別是石油化工、煤炭、汽車等領(lǐng)域。近年來,隨著當前時代我國正在步入城市化和現(xiàn)代工業(yè)化的進程,以及環(huán)境污染嚴重度的進一步增加和嚴重程度的惡化,空氣質(zhì)量逐年得到明顯減輕,以及中央空調(diào)大量小面積限制使用,門窗始終透不出來,使狹隘密閉的空間和大環(huán)境中自然空氣日益變得污濁而受到了嚴重破壞,嚴重的直接影響了正常的生活和嚴重影響到了人們的生活和學(xué)習。精神上及正常的身體素質(zhì)健康。惡劣的空氣質(zhì)量使700多萬城鎮(zhèn)居民過早死亡每年以及96%的城鎮(zhèn)居民暴露于較高水平的環(huán)境之下,其空氣污染物比推薦值要低[4]?，F(xiàn)在人民已經(jīng)越來越多地意識到了大氣污染物對健康的危害,因此有害于氣體污染的問題也越來越引起了人們的關(guān)注。環(huán)境保護部《大氣污染控制標準》特別針對排放二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧和其他放射性金屬顆粒物氣體在我國大氣環(huán)境中的排放濃度控制限制分別做了明確的控制規(guī)定[5]，其中明確規(guī)定了排放一氧化碳、二氧化氮等有害氣體特別是石油化工企業(yè)在生產(chǎn)、采礦、密閉式工作空間和大型工業(yè)廠房施工生產(chǎn)間等環(huán)境中所產(chǎn)生的有毒或不良氣體［6］。人們普遍認為，CO、NO2等有害氣體的含量超過了控制水平,將對人類健康造成緊急損害。人體吸入氧氣，排放二氧化碳，丙酮，氫氣和除氧氣以外的其他氣體，這些氣體包含了許多關(guān)于人體健康的信息。氧氣作為吸入氣體中的主要成分，是人體新陳代謝不可缺少的物質(zhì)。呼吸中的氧氣濃度可以用來計算最大攝氧量，評估心肺適能及有氧耐力等，通過氧氣濃度還可以計算新陳代謝速率，用于體重管理和疾病分析。目前市場上的新陳代謝儀中，氧氣傳感器的檢測原理主要有電化學(xué)法、比色法及熒光法。電化學(xué)方法最為常用，體積小，數(shù)據(jù)可靠，但是需要定期校準，定期更換傳感器，而且價格高。比色氧氣傳感器無需用戶校準，價格便宜，體積小巧，易于陳列化構(gòu)建多傳感器，但是傳感芯片壽命短，多為一次性使用，因此長期使用成本較高。氧傳感器目前廣泛地發(fā)展應(yīng)用涉及到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)探索、醫(yī)療和軍事國防等各個方面，用來實時檢測周圍環(huán)境空氣中的各種氧化學(xué)物質(zhì)及其含量。根據(jù)氧傳感器的工作原理，氧傳感器大致來說可以分將其劃分歸類為以下多種形式，包括電化學(xué)型氧傳感器、熱磁式氧傳感器、光學(xué)氧傳感器和半導(dǎo)體電阻型氧傳感器，其中電化學(xué)氧傳感器比其他氧傳感器具有測試范圍靈敏度靈敏度高、測量范圍區(qū)域響應(yīng)范圍寬、響應(yīng)時間快、可靠性高等諸多優(yōu)點，所以它已經(jīng)逐漸早熟成為目前氧測量傳感器這個技術(shù)領(lǐng)域的主要產(chǎn)品研究技術(shù)方向最多、最成熟的一種產(chǎn)品設(shè)計類型，也是目前唯一一種能夠在全球大中小規(guī)模批量生產(chǎn)的一種氧傳感器。電化學(xué)氧氣傳感器是氧氣在電極上發(fā)生還原反應(yīng)，并將濃度轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器電解質(zhì)的形態(tài)對傳感器的壽命影響很大，因此，我們要按電解質(zhì)的不同對傳感器進行分類，并對其性能，特別是壽命進行總結(jié)分析。按照電解質(zhì)的不同分為:水溶液電解質(zhì)傳感器，固體電解質(zhì)傳感器及離子液體傳感器[7]。氧氣在生物活動和工業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用。準確、高效地檢測氧氣對人們的生產(chǎn)和生活具有重要意義。電化學(xué)氧氣傳感器因為具有靈敏度高、高選擇性、可重復(fù)性和低功耗等特點被認為是最有前景的氣體檢測手段。134031.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在過去的幾十年里，氣體傳感器技術(shù)的進步已經(jīng)在污染控制和環(huán)境保護方面取得了重大進展。一個很好的例子是使用氧氣傳感器來控制車輛排放。自20世紀70年代初以來，人們對氧傳感器進行了持續(xù)的研究，并開發(fā)了具有不同性能特征的各種應(yīng)用傳感器。氧氣傳感器被普遍認為在世界上是所有的汽車和氣體傳感器中目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最為成熟的一類傳感器,其平均每年生產(chǎn)能力已經(jīng)達到了全部汽車和氣體傳感器的百分之40以上,位居第一,僅在汽車和工業(yè)中使用的氧氣傳感器每年高達上億只[8]。氧傳感器按照材料的種類不同大致可以將其細分為電化學(xué)型氧傳感器、光纖式氧傳感器、熱磁式氧傳感器、半導(dǎo)體電阻式氧傳感器等。電化學(xué)型氧測量傳感器通常指的就是直接使用各種氧在空氣中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)來直接地實現(xiàn)針對各種氧氣和其他氣體的精確測量,這類型氧氣傳感器主要特點是具有測量檢測對象的靈敏度高、數(shù)值大、測量范圍區(qū)域長、響應(yīng)快和持續(xù)時間短等多大特性,被廣泛應(yīng)用在石油化工、醫(yī)藥、生物以及我們的國防和軍事等各個領(lǐng)域,是目前國內(nèi)氧體測量傳感器應(yīng)用技術(shù)中技術(shù)最成熟,應(yīng)用最多的一種是氧體測量傳感器[9]。光纖式氧傳感器主要是根據(jù)氧的吸光特征或者是熒光猝滅的作用來檢測氧,熱磁式氧傳感器主要是根據(jù)氧的順磁特征來檢測氧。電化學(xué)氧傳感器具有系統(tǒng)可靠性高、成本低等優(yōu)勢,這也被認為是目前我們在研發(fā)中已經(jīng)技術(shù)最成熟的一類氧氣傳感器;熱磁式氧傳感器、光學(xué)氧傳感器雖然靈敏度高,但因為它們存在可靠性差、成本比較高等缺點限制了其大規(guī)模的應(yīng)用,因此只能應(yīng)用氧氣濃度測量精度較高的特殊場合。根據(jù)電解質(zhì)的不同電化學(xué)型氧傳感器根據(jù)也可以細分為很多種，如固體電解質(zhì)氧傳感器、液態(tài)電解質(zhì)氧傳感器等。而且相對其他同種類型的氧傳感器,電化學(xué)氧傳感器的特點是檢測靈敏度比較高、成本比較低、測量的范圍也比較廣、穩(wěn)定性較高等,所以它基本上占據(jù)了目前所有氧傳感器市場[10]。一、固體電解質(zhì)氧傳感器。固體電解質(zhì)氧傳感器就是以固體氧敏感材料作為電解質(zhì)制作的氧傳感器,目前在市場上使用最廣泛的的固體電解質(zhì)氧敏材料主要類型包括幾類有ZrO2、LiCO3、NASICON等,固體氧敏電解質(zhì)材料因為它們的實際工作環(huán)境狀態(tài)大多屬于惰性固體,所以它們不一定能夠同時存在固體電解質(zhì)過度腐蝕傳導(dǎo)電極中的電極材料和化學(xué)氣體的過度揮發(fā)等質(zhì)量問題,傳感器的原件封裝也比較容易,有利于實現(xiàn)傳感器的小尺度規(guī)?；臀⑿突痆11]。但是,由于這種固體的化學(xué)電解質(zhì)在常溫下的物質(zhì)和化學(xué)離子導(dǎo)電性相對較弱,只有將它們的離子進行加熱至一定氧化溫度后它們才能正常地運行和工作,很大程度上也使我們大大限制了這種固體電解質(zhì)氧傳感器的正常工作[12]。然而微型化和集成化正逐漸地成為未來氧傳感器發(fā)展主要趨勢,因此室溫固體電解質(zhì)氧傳感器也逐漸地成為研究熱點,特別是在室溫固體電解質(zhì)材料領(lǐng)域也是氧傳感器的主要研究重點。目前世界上研究得最多、成熟的固態(tài)電解質(zhì)氧傳感器之一便是氧化鋯氧傳感器。氧化鋯作為電解質(zhì)材料制作的氧傳感器靈敏度高、測量范圍寬、壽命長,其制作工藝成熟,得到了廣泛的應(yīng)用[13]。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,氧化鋯氧傳感器已經(jīng)從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展到微型化和陣列化向微型化、陣列化，特別是汽車用氧傳感器已經(jīng)從管狀結(jié)構(gòu)發(fā)展到平板結(jié)構(gòu)，其性能得到了很大的提高,達到了日益嚴格的排放標準。二、電解質(zhì)液態(tài)氧濃度傳感器。液體電解質(zhì)氧傳感器通常是以液體電解質(zhì)作為電解質(zhì)原料。液體電解質(zhì)材料在室溫下具有很佳的離子導(dǎo)電性。由各種液體中的電解質(zhì)原料所制成的氧傳感器雖然本身具有反射靈敏度高、反射持續(xù)時間長和反射持續(xù)時間快的特點,但是液體中的電解質(zhì)同時也可能存在一些容易分解、容易發(fā)生滲漏等嚴重問題,從而很大程度上可能還會直接地影響到傳感器的工作運行穩(wěn)定性和傳感器的使用壽命。然而，液體電解質(zhì)氧傳感器本身就具備許多其他同種類型的氧傳感器所無法比擬的功能和特點,因此，液體電解質(zhì)氧傳感器仍然被認為是氧傳感器這個領(lǐng)域的研究熱點之一。1.3本文研究內(nèi)容1.3.1系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)氧氣是維持人體和其他有氧生物生命活動的必要物質(zhì)。通過測量氧含量可以評估人體新陳代謝，用于測量間接測量有氧呼吸的生物和生物物質(zhì)。隨著人們對個人健康的重視，移動健康設(shè)備開始走進人們的生活，如檢測呼吸氣體的便攜式新陳代謝儀。人呼吸氣體中的的氧濃度因人因時而異，與個體的新陳代謝率相關(guān)，監(jiān)測呼吸氣體中的氧濃度有助于對人體健康進行管理。目前用于生命體的氧傳感器檢測原理主要有電化學(xué)法、比色法及螢光法。期中電化學(xué)方法最為常用，但需用戶校準，維護難，價格高。比色氧氣傳感器無需用戶校準，價格便宜體積小巧，但是傳感芯片壽命短，多為一次性使用，因此長期使用成本較高。因此開發(fā)適應(yīng)與生命體的低成本氧氣傳感器，設(shè)計簡易的校準實驗平臺具有重要價值。1.3.2設(shè)計主要內(nèi)容1、查閱文獻資料，了解電化學(xué)氧氣傳感器的現(xiàn)狀和發(fā)展，了解氧測量傳感器的原理和作用。2、在上述工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)課題要求設(shè)計快速測量相應(yīng)小空間的空氣中氧濃度的3電極電化學(xué)氧傳感器，電極用碳電極材料，制作實物。設(shè)計實驗方案，利用電化學(xué)工作站開展初步實驗。3、分析測試結(jié)果，完善設(shè)計，給出完整的工程設(shè)計圖紙。9454第二章氧傳感器工作原理及其應(yīng)用134032.1氧的電化學(xué)反應(yīng)原理氧傳感器的主要基本工作結(jié)構(gòu)原理就是基于利用貴金屬氧對電極外層表面上的氧解質(zhì)進行一種電化學(xué)反應(yīng),電極的外層表面會直接附著一層溶于聚合物中的電解質(zhì),這層聚合電解質(zhì)薄膜可以直接讓大量氧從干燥空氣中快速通過。在鉑絲自動工作參比電極(Pt)與銅絲參比電極(Ag/AgC1)之間分別重新加上了一個電壓,當兩個鉑金銅絲自動工作參比電極和銅絲參比電極之間的相對波動電壓差的平均值已經(jīng)分別達到0.2v時,鉑金銅絲周圍的大量空氣和其中氧就有機會自動開始被高壓電解,于是就有機會開始出現(xiàn)一個有壓和電流的波動指示。當溶液工作時的電極和其他參比電極之間的相對電壓的常數(shù)值分別大于達到0.6~0.9v時,電解液的電流流動速度就可能會趨于穩(wěn)定。在工作電極(Pt)上發(fā)生如下兩步還原反應(yīng)[14]:O2+2H2O+2eH2O2+2OH-(2.1)H2O2+2e-2OH-(2.2)總反應(yīng)可簡化為：O2+2H2O+4e4OH- (2.3)在參比電極(Ag/AgC1)上，發(fā)生如下反應(yīng)：4Ag+4C1-4AgC1+4e (2.4)根據(jù)極限電流I=N×F×A×m×C[15]，其中：N為所有參加電極反應(yīng)的負載之數(shù)；F為法拉第常數(shù)；A為兩個相同電極的表面積；m為被測物質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)；C為檢測氣體的最高濃度。在一個恒定的反應(yīng)態(tài)體系下，極限的電流便會與氧濃度大小成正比。目前普遍采用的Clark電流型二電極氧傳感器、恒電位型三電極氧傳感器均是基于此電化學(xué)工作原理。2.2Clark氧傳感器1942年，Davies和Brink在一篇論文題為《如何利用電化學(xué)原理檢測人體在生物系統(tǒng)中的氧氣和氫含量》的學(xué)術(shù)論文中,他們介紹使用了一種白色的熱鍍鋅-微電極儀器,它用來幫助檢測人體的組織和檢測人體在整個血液系統(tǒng)中的穩(wěn)定氧氣和氫含量[16].之后,各種類型的傳感器設(shè)計與應(yīng)用也在我國開始普及。氧傳感器中最常用的一種是氧傳感器主要就是單相雙電極式的氧參比傳感器,其中一個是工作的參比電極(陰極)主要就是指它們就是位于液體親水膜的一側(cè)Ag/AgC1參比電極(陽極)主要就是位于液體親水膜的另一側(cè),也許這就是我們所謂的檢測涉及到的親水介質(zhì)。親水膜不僅可以廣泛地用來作為兩個親水電極之間的連接導(dǎo)電引體和一個導(dǎo)電層之間的媒介,同時它還能夠有效地減少一些小分子中的物質(zhì)朝著親水電極兩個表面方向遷移。將每以個工作參比電極和其他參比電極之間分別加以增設(shè)一恒定的陰極電壓,使得陰極極化。Ag/AgC1作為一個工作極化參比電極,既為一個工作極化電極本身提供了一個恒定控制極化流過的電壓,同時當它作為一個電極相互對照工作極化電極時又需要具有一種控制極化流過電流的一種流動方式來對其進行控制極化流過。Clark氧傳感器最初可能是以該識別技術(shù)的主要發(fā)明者之一Clark的英文名字進行命名的,源于一種單工作電極的隔離氧輻射傳感器,不同之處主要還是在于所有Clark氧傳感器的兩個工作電極(其中包括一個工作環(huán)境電極和一個參比電極)都必須是完全位于相同的工作環(huán)境中,并且它們都是通過一層擴散的電膜從其與外界完全隔絕的氧區(qū)域內(nèi)部分離輻射出去。Clark水中氧實際濃度測量傳感器不僅僅可以是一種軟件可以廣泛應(yīng)用于各種氧的水溶液中,還有一種甚至可以是用于空氣中,因而目前已經(jīng)普遍廣泛采用的是Clark水中氧實際濃度測量傳感器用來檢測空氣到水中氧的實際濃度。圖2.1為Clark氧傳感器的工作簡化電極工作參比原理流程示意圖,其中中的u和r代表工作參比電極和簡化工作參比電極之間的恒定電勢的正相關(guān)性。2.1Clark氧傳感器原理圖2.3三電極氧傳感器1987年Luscuiano等人研究設(shè)計的恒電位式三電極氧傳感器[17,18]。同Clark氧傳感器的基本工作相阻原理一樣,在各種貴金屬參比電極(也稱工作相阻電極)的外層表面,氧化氣作為化學(xué)反應(yīng)物和電化學(xué)反應(yīng)的主要反應(yīng)物質(zhì)因能量消耗而濃度增加或能量減少,產(chǎn)生了與其中一種氧氣能量濃度大小成正比的相位電流,參比電極和其他工作相阻電極之間的相對相位電壓(或偏置相對電壓)仍然可以保持恒定的電位,即恒定的電位。對照器的兩個電極(以下即第三個對照器電極)之間的連接應(yīng)當是能夠同時保持很低的直流電阻,使兩個相互作用的電流回路能夠直接地分別通過兩個對照器的一個電極,形成一個相互作用的電流回路。圖2.2是恒流二電位型三十二電極型光氧化度傳感器器件設(shè)計的簡單工作原理設(shè)計框圖。圖中的偏置正極電壓給驅(qū)動工作器的電極兩端帶來一個極化電勢,其極化值始終一直保持不變。工作在對電極及其表面的進行電化學(xué)反應(yīng)時所利用產(chǎn)生的大量氧氣經(jīng)過依賴補償電流(is)經(jīng)過電流反饋補償電阻(Rf)后再回流到通用運算功率放大器的電流輸出端,將舊的電流控制信號進行轉(zhuǎn)換后成為新的電壓控制信號和電流輸出。對照兩個輸入工作電極與另一個輸入運算能量放大器的兩個輸出端接口相連,參比電極與一個輸入式式輸出電壓器接口與緊跟著一個輸入式運算能量放大器的兩個輸出端接口相連,由于這種方式的運算能量放大器的兩個輸出端接口分別具有高輸入阻抗、低插入式輸出電阻等三大特點,因此兩個輸入端的電流幾乎都主要是通過連接在對照工作電極和參考工作電極上的一個電流回路來進行連接,從而形成一個電流回路,而通過這個參考工作電極幾乎不會發(fā)現(xiàn)任何電流從這個回路中直接地流過,減小了參考電極的極化,延長了傳感器的使用壽命。2.2三電極氧傳感器原理圖134032.4氧傳感器的應(yīng)用 氧氣傳感器的應(yīng)用很廣泛，在日常生活、工農(nóng)業(yè)、汽車領(lǐng)域、煤礦、鋼鐵、生物、石油化工、醫(yī)療等方面都被廣泛使用。在我們的社會日常生活中,隨著工業(yè)現(xiàn)代化和人類生活物質(zhì)和精神生活質(zhì)量水平的快速發(fā)展和不斷提高,健康暖氣空調(diào)的各種應(yīng)用技術(shù)概念已經(jīng)逐步被深入研究和廣泛推廣,同時健康暖氣空調(diào)在整個房間內(nèi)部的整體空氣變化情況已經(jīng)進行了實時監(jiān)測和自動分析轉(zhuǎn)化后對換氣的技術(shù)要求也越來越高漲,為此某些健康空調(diào)設(shè)備工業(yè)生產(chǎn)廠家己經(jīng)逐步提出了健康空調(diào)氧吧智能空調(diào)這一新的應(yīng)用概念,催生了健康空氣氧吧和空調(diào)空氣傳感器在此應(yīng)用領(lǐng)域的大批量和數(shù)據(jù)服務(wù)供應(yīng)[19]。在新能源汽車應(yīng)用領(lǐng)域中,隨著新能源汽車柴油發(fā)動機電噴化的強制執(zhí)行和實施以及新能源汽車尾氣污染物排放標準的改善,促進了臭氧傳感器在新能源汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,主要是適合于汽車燃燒和溫度控制[20]。系統(tǒng)采用空氣氧含量濃度實時傳感器對工業(yè)冶金和冶煉石油化工設(shè)備作業(yè)運行過程中空氣氧含量變化情況分別進行了實時監(jiān)測,以進一步有效控制作業(yè)空氣,達到了工業(yè)節(jié)能、環(huán)保、冶煉等應(yīng)用目的。在礦井里,由于空氣的流動性差,煤在長期形成過程中衍生出多種氣體以及煤的不斷氧化和燃燒等多種因素都會造成氧氣濃度的降低。為了保證礦工的健康和安全,必須保證進入工作面的空氣中中氧氣濃度不低于20%。因此必須隨時檢測井下工作面的氧氣濃度。目前國外已將以氧氣傳感器為核心的氧氣檢測報警儀廣泛應(yīng)用于礦井、坑道,地下工程等。便攜式呼吸機上常見的設(shè)備是用來檢測病人肺部空調(diào)中的氧氣和質(zhì)量的醫(yī)療設(shè)備便攜式呼吸機,它主要是一種專門用于緊急搶救的醫(yī)療器械和設(shè)備,在這種呼吸機和醫(yī)療器械運行和工作時,往往會因為其中氧氣和空調(diào)的濃度發(fā)生變化而引起的空調(diào)中氣體欺壓等改變,否則比較容易對正在繼續(xù)進行緊急搶救中的病人和糖尿病患者造成心理健康造成一定的危害和威脅所以現(xiàn)在大多數(shù)的便攜式呼吸機上面已經(jīng)有必要了配置一種能夠測定人體中的氧氣含量濃度[21]。隨著我們的社會經(jīng)濟以及現(xiàn)代軍事和科學(xué)信息技術(shù)的進一步發(fā)展和技術(shù)的改革與進步,氧傳感器和其他智能化測量計算機儀表己經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于我們的國防科學(xué)研究、汽車工業(yè)、冶金化工、醫(yī)藥環(huán)境衛(wèi)生、食物釀造等眾多行業(yè)[22]。9454第三章系統(tǒng)方案的論證134033.1主控單片機在我們大學(xué)階段接觸到的單片機，最多的就是51系列單片機，51系列的單片機主要有很多種類，比如我們就有atmel公司自己生產(chǎn)的AT89C51、AT89C52、AT89S51、AT89S52和STC公司生產(chǎn)的STC89C51、STC89C52、STC89S51、STC89S52甚至增強型STC89C52RC以及STC89S52RC。每款單片機都有它的獨自特點，但是這幾款單片機都同時兼容MCS-51標準。無非就是存儲空間、定時器/計時器或者運行性能的差異，在價格上，最初一代產(chǎn)品AT89C51價格最低，其他都略高于該單片機。在本系統(tǒng)中，三電極氧傳感器的主控單片機選用最基礎(chǔ)的51單片機就能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能。出于對產(chǎn)品造價和性能的考慮，在各款單片機都能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求任務(wù)的同時，肯定要選用價格更加便宜的AT89C51單片機作為本系統(tǒng)的主控元件。134033.1.1AT89C51的介紹AT89C51是一種具有低電壓及更好的CMOS8位微處理器并其內(nèi)部帶4k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器,俗稱單片機。AT89C51單片機給市面上許多嵌入式控制系統(tǒng)都提供了一個靈活性非常高而又便宜的設(shè)計。134033.1.2AT89C51的主要特性與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程FLASH存儲器·壽命:1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間:10年·全靜態(tài)工作:0Hz-24MHz·三級程序存儲器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路134033.2氧濃度檢測模塊現(xiàn)在目前檢測氧濃度的主要實現(xiàn)手段基本上可以大致細分為電化學(xué)檢測氧濃度的方式、氧化鋯測氧濃度和用于超聲波流量檢測氧濃度的方式。其中一種稱為超聲波氧氣流量濃度傳感器的特點是性能最佳但價格較貴。圖3.2測量電路基本原理圖測量電路不但能夠有效地使參比電極和工作電極之間的輸入電位差保持恒定,同時還能夠有效地測量工作電極上的輸入電流,因此其電位差被稱為恒電位測量電路[23,24]。134033.3顯示模塊經(jīng)常用到的顯示模塊有三種，從顯示內(nèi)容效果從低到高分別是LED 七段數(shù)碼管、LCD1602液晶顯示屏以及大容量可顯示漢字的LCD12864。在顯示內(nèi)容上，七段數(shù)碼管和LCD1602均不能夠顯示漢字，而LCD12864則能將漢字友好地顯示在液晶屏上。性能優(yōu)越則造價成本就會升高，所以說，LCD12864較另外兩款顯示器價格更貴。但是LCD12864的顯示容量則大大超過LED數(shù)碼管和LCD1602?？紤]到基于化學(xué)傳感器的氧濃度檢測儀需要友好地展示漢字和符號部分，價格雖然貴些，但是性價比還是很高的，能夠更好地滿足氧氣檢測顯示的需要，所以在本系統(tǒng)的設(shè)計中，我們選擇LCD12864作為我們的顯示模塊。134033.3.1LCD12864的介紹帶有英文全英語版本字庫的128x64是一種獨立的顯示模塊,它具有4位/8位簡體漢字并行、2線或3線簡體漢字串行多種軟件接口的顯示方式,其內(nèi)部功能主要包括了一個模塊,即帶有英國標一級、二級簡體字全英文版本字庫的一個帶有點陣式簡體漢字圖形或者一個帶有液晶文字顯示器的模塊;其中所需要顯示的英文漢字分辨率大約是128×64,內(nèi)置8192個16*16點的英文漢字,和128個16*8點的ASCII的英文字符集。通過直接使用中文該軟件就可以設(shè)計靈活的軟件接口方式和簡單、便捷的軟件操作程序指令,可以直接自動地構(gòu)成一個簡體完整的全中文具有一種人機交互式的圖形接口界面。它既使用戶能夠直接自動地顯示8×4行16×16點陣英文漢字。還使用戶能夠直接地自動完成整個影像流的顯示.而它低電壓、高功耗則無疑是它的另一個顯著性能優(yōu)勢。由該系列點陣液晶模塊組合而成的這款點陣液晶模塊的顯示解決模塊設(shè)計方案使它相對于其他同一種類型的其他圖形畫像點陣陣列液晶模塊的顯示解決模塊,無論是軟硬件的集成電路設(shè)計架構(gòu)或者是液晶模塊的編輯器操作程序均較簡潔許多,且這款點陣液晶模塊實際銷售價也稍微有點需要低于相同圖形點陣的其它圖形點陣液晶模塊。134033.3.2LCD12864的基本參數(shù) (1)低電源電壓(VDD:+3.0--+5.5V)；(2)顯示分辨率:128×64點；(3)軟件內(nèi)置點陣漢字字庫,提供8192個16×16點陣漢字(簡、繁體版本可選);(4)內(nèi)置128個16×8點陣字符；(5)2MHZ時鐘頻率；(6)顯示方式:STN、半透、正顯；(7)驅(qū)動方式:1/32DUTY，1/5BIAS；(8)視角方向:6點；(9)背光模式:側(cè)部采用高亮度的白色led,功耗僅大約為普通led的1/5-1/10;(10)通訊方式:串行、并口可選；(11)采用內(nèi)置dc-dc的轉(zhuǎn)換控制電路,無需額定的外加電源和負壓;；(12)無需片選信號，簡化軟件設(shè)計；(13)工作溫度:0℃-+55℃,存儲溫度:-20℃-+60℃。3.4A/D轉(zhuǎn)換模塊 AD轉(zhuǎn)換模塊的所有工作原理都主要目的就是將一個模擬數(shù)字量轉(zhuǎn)換為一個數(shù)值量,模擬中的數(shù)字量既有可能指的是電壓、電流等信號,也有可能指的是壓力、溫度、濕度、位移、聲音、某些氣體濃度等非電信號。但是在進行AD轉(zhuǎn)換前，輸入發(fā)送到AD轉(zhuǎn)換器的所有輸入和信號都必須通過各類傳感器使其中的一個物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓和信號,以上我們講到的檢測電路模塊中的一個檢測電路就是將氧氣濃度轉(zhuǎn)換為了一個模擬電壓和信號。在單片機的設(shè)計過程中，經(jīng)常用到的AD轉(zhuǎn)換模塊有ADC0832、ADC0809以及TCL2543，三者雖然通道數(shù)目不同，但是都能夠?qū)崿F(xiàn)多通道同時工作。TCL2543為12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，精度比較高，11個通道可實現(xiàn)同時檢測。ADC0832經(jīng)常用在煙霧濃度檢測以及光照強度檢測的轉(zhuǎn)換模塊，只有2個通道。ADC0809和ADC0832都是8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，ADC0809芯片具有8個通道三者的造價相比，TCL2543居于第一位，但是該芯片的性能和精度較另外兩款更佳，為了能夠更佳精確地把控氧濃度的變化，我們選用性能更佳的TCL2543芯片。134033.4.1TCL2543的介紹TLC2543是一種采用TI我國公司自主研發(fā)生產(chǎn)的12位開關(guān)串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,利用串行開關(guān)輸入電容逐次不斷逼近的串行開關(guān)技術(shù)優(yōu)點來快速地完成串行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的全部操作過程。由于該芯片采用了一種串行式的數(shù)字輸入接口結(jié)構(gòu),能夠有效地大大節(jié)約51系列顯示單片及主機I/O接口資源;且其芯片的價格適中,分辨率也相對較高,因而在各類顯示儀器和其他各種顯示電子設(shè)備的應(yīng)用中都已經(jīng)有了比較廣泛的技術(shù)。134033.4.2TCL2543的特點 （1）12位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器；在工作溫度范圍內(nèi)10μs；11個模擬輸入通道；3路內(nèi)置自測試方法；采樣率為66knps；線性誤差+-1LSBmax；有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC；具有單、雙極性輸出；可編程的MSB或LSB前導(dǎo)；可編程輸出數(shù)據(jù)長度。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計4.1總體設(shè)計三電極氧傳感器及其測量電路采用AT89C51作為主控單片機，LCD12864作為顯示氧濃度的平臺，TCL2543芯片實現(xiàn)濃度數(shù)值的轉(zhuǎn)化，氧濃度檢測電路作為氧濃度檢測裝置。主要實現(xiàn)的功能就是對空氣中氧濃度進行實時的檢測顯示。本系統(tǒng)主要由單片機主控、顯示電路、AD轉(zhuǎn)換電路、氧濃度檢測電路以及晶振電路、復(fù)位電路和電源電路組成。如圖3.1所示為整個設(shè)計的系統(tǒng)框圖。為了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定，該設(shè)計的主控電路部分采用由復(fù)位電路、晶振電路、主控單片機組成的最小系統(tǒng)電路。本章將從最小系統(tǒng)電路、顯示電路、AD轉(zhuǎn)換電路、氧濃度檢測電路、電源電路一一介紹整個系統(tǒng)的電路設(shè)計。AAT89C51單片機復(fù)位電路部分晶振電路電源電路顯示電路部分AD轉(zhuǎn)換電路氧濃度檢測電路圖4.1系統(tǒng)總體框圖4.2最小系統(tǒng)設(shè)計最小系統(tǒng)的設(shè)計主要分為以下三個部分，單片機芯片、復(fù)位電路和晶振電路。在三電極氧傳感器的電路設(shè)計中，單片機芯片采用最常見的51系列的一款A(yù)T89C51。該芯片具有40個引腳，四個I/O端口群P0-P3，值得注意的是P0口，P0口經(jīng)常用作顯示器的連接，但是需要加一個上拉電阻拉高P0口的電位。P3口還有2個定時器和一個外部數(shù)據(jù)存儲器的設(shè)計。如圖3.2為最小系統(tǒng)原理圖。圖4.2最小系統(tǒng)原理圖4.2.1晶振電路設(shè)計晶振、瓷片電容組成了晶振電路。主要功能是為電路提供頻率基準，從而形成合格的時鐘信號流。單片機電路中由很多的門電路組成，而門電路工作的一個重要前提就是存在時鐘信號流的觸發(fā)。如圖3.3為晶振電路的組成原理圖。本系統(tǒng)的晶振電路是由2個30pf的瓷片電容并聯(lián)后與12M晶振串聯(lián)分別連接在單片機的XTAL1和XTAL2端口。圖4.3晶振電路原理圖4.2.2復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位電路可以利用電容電阻的充放電實現(xiàn)上電復(fù)位功能。如圖4.4為復(fù)位電路原理圖。復(fù)位電路的設(shè)計是為了避免程序卡死時需要重啟電源的操作。本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用電解質(zhì)電容和電阻、按鍵開關(guān)串并聯(lián)實現(xiàn)。圖4.4復(fù)位電路原理圖4.3顯示電路設(shè)計三電極氧傳感器及其測量電路需要顯示所檢測到的氧氣的濃度數(shù)據(jù)。需要顯示的部分由漢字和字數(shù)、數(shù)字等，所以我們采用可顯示內(nèi)容豐富的LCD12864。如圖4.5為顯示電路的原理圖。為了節(jié)省元器件，利用P2口代替P0口作為顯示數(shù)據(jù)的連接端口，省去了上拉電阻部分電路?？梢酝ㄟ^調(diào)整滑動變阻器去調(diào)節(jié)LCD的顯示效果。圖4.5顯示電路原理圖4.4A/D轉(zhuǎn)換電路本電路中采用的AD轉(zhuǎn)換芯片是TCL2543。如圖4.6為AD轉(zhuǎn)換電路的原理圖。左側(cè)連接一個微弱的脈沖信號模擬三電極氧傳感器的采集，將微弱信號連接TCL2543的采集通道AIN4進行A/D轉(zhuǎn)換。為了提高信號采集的分辨率，TCL2543的REF+端連接+5.0V的電壓。在本設(shè)計中，由氧濃度檢測電路將氧濃度轉(zhuǎn)換模擬的電壓信號，然后AD轉(zhuǎn)換器將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字的電壓量，經(jīng)單片機處理后顯示在LCD上，從而實現(xiàn)測量的過程。圖4.6AD轉(zhuǎn)換電路原理圖4.5氧濃度檢測電路圖4.7測量電路原理圖三電極氧傳感器測量電路由三部分組成：電源部分，測量部分，濾波部分。其電路原理圖見圖4.7。4.6電源電路設(shè)計三電極氧傳感器測量氧濃度需要的供電電壓是5V，為了實現(xiàn)更加便利地攜帶，我們采用5V的干電池對整個系統(tǒng)進行供電。第五章系統(tǒng)軟件原理及設(shè)計該系統(tǒng)的軟件部分，采用C語言實現(xiàn)編程任務(wù)。整個系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)主要分為主程序、顯示子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序。本章將重點從這三個方面去介紹系統(tǒng)程序的設(shè)計流程，力求程序設(shè)計的代碼簡潔而高效。5.1主程序流程設(shè)計如圖5.1所示，是三電極氧傳感器及其測量電路的主程序的設(shè)計流程圖。主程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要是初始化各個模塊并實現(xiàn)各個子程序的有序執(zhí)行，達到設(shè)計任務(wù)中的功能要求。主程序執(zhí)行時首先會對LCD進行初始化處理，然后AD轉(zhuǎn)換芯片進行第4個通道的轉(zhuǎn)換采集氧濃度數(shù)據(jù)，接下來對數(shù)據(jù)進行處理，處理后驅(qū)動LCD12864顯示出采集到的氧濃度信息，本系統(tǒng)實時進行檢測，不斷的進行主程序的流程執(zhí)行。在軟件設(shè)計中將各個子程序分開存儲，再由主程序統(tǒng)一調(diào)用，主程序的代碼部分就是源程序中的main.c。 開始 LCD初始化 選擇TCL2543的4 通道進行AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理 驅(qū)動LCD顯示數(shù)據(jù)結(jié)束圖5.1主程序設(shè)計流程圖5.2顯示子程序流程設(shè)計顯示部分本系統(tǒng)采用的是功能強大的LCD12864液晶屏模塊。顯示子程序是源程序中的12864.c代碼，如圖5.2是12864顯示部分的子程序流程圖。開始流量轉(zhuǎn)換流量取值預(yù)定顯示位置顯示流量整數(shù)位顯示小數(shù)點預(yù)定顯示位置顯示小數(shù)部分結(jié)束圖5.2顯示子程序設(shè)計流程圖本系統(tǒng)中要求顯示氧濃度的格式是“濃度=XX.XX%”，顯示的部分不僅有中文還有英文字符，故而需要對顯示的字符、數(shù)字、漢字要進行取模，以下為部分取模的代碼展示：unsignedcharcodenong[]={0x10,0x61,0x06,0xE0,0x00,0x38,0x88,0xE8,0x5C,0x8B,0x08,0x08,0x28,0x98,0x08,0x00,0x04,0x04,0xFF,0x10,0x08,0x06,0x01,0xFF,0x40,0x21,0x06,0x19,0x21,0xC0,0x40,0x00};//漢字“濃”的16*16字模unsignedcharcodeEqu[]={0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x00,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x00};//“=”的16*16字模以上主要展示了漢字和字符的取模代碼。5.3A/D轉(zhuǎn)換子程序流程設(shè)計AD轉(zhuǎn)換子程序可以把系統(tǒng)中的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。AD轉(zhuǎn)換子程序主要是代碼中的ad.c部分。本系統(tǒng)中AD轉(zhuǎn)換器TCL2543將采集到的微弱信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換以后傳遞給主控單片機AT89C51進行數(shù)據(jù)的計算處理。如圖5.3為AD轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計流程圖。開始啟動一個轉(zhuǎn)換周期轉(zhuǎn)換通道設(shè)置寫控制字讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果停止轉(zhuǎn)換返回轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)束圖5.3AD轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計流程圖第六章調(diào)試與仿真本文研究的三電極氧傳感器及其檢測電路的實現(xiàn)分為硬件部分和軟件部分的設(shè)計。硬件電路采用PROTEUS仿真軟件繪制電路原理圖，軟件流程采用KEIL4進行代碼的設(shè)計編寫。本章主要從整個系統(tǒng)的軟件和硬件電路的調(diào)試仿真去論證氧濃度檢測儀的實施可行性。6.1Keil編碼調(diào)試Keil是一款功能強