基于单片机的多功能测氧仪设计

　　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12μm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:

　　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。

　　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、AD_in、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I_Y2,经过Y2点流到OP07,因此Y2点的电压为U_Y2=I_Y2·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U_Y2。R₂₂₉是分压器,调节R₂₂₉的值可以影响AD_in点的电压值。