基于单片机的氧气浓度检测控制系统设计目录第一章系统方案论证 (4)1.1 检测方案确定 (4)1.1.1方案介绍 (4)1.1.2方案比较 (5)1.1.3方案确定 (5)1.2 单片机的选择 (6)1.3 显示器的选择 (6)第2章硬件设计 (8)2.1总体设计方案 (8)2.1.1系统框图 (8)2.1.2系统原理与结构 (8)2.2 测氧原理 (9)2.2.1氧化锆测氧原理 (9)2.2.2系统结构及特点 (10)2.2.3氧值运算及输出 (10)2.2.4氧探头的选择及介绍 (10)2.3 A/D转换电路 (10)2.3.1.ADC0809的说明 (11)2.3.2．ADC0809应用说明 (12)2.4 单片机的选择 (13)2.4.1 AT89S51的介绍 (13)2.4.2 AT89S51主要特性 (13)2.4.3 AT89S51管脚说明 (15)2.4.4晶振电路 (18)2.4.5复位电路 (18)2.5报警电路的选择 (19)2.5.2报警电路 (20)2.6 静态显示电路 (21)2.6.1 74LS138译码器 (21)2.6.2 74HC4511译码器 (22)2.6.4 上拉电阻的选择 (26)2.7按键选择与简介 (26)2.8时钟芯片选择与设计 (27)2.9电源的选择 (29)2.9.1主电源 (29)2.9.2 备用电源 (30)2.10控制单元 (30)2.11网络传输单元 (31)第三章软件设计 (32)3.1软件设计结构 (32)3.2主程序模块的设计 (32)3.3模数转换的设计 (33)3.4按键模块的设计 (34)3.5时钟模块的设计 (35)3.6显示模块的设计 (36)第四章结论 (37)参考文献 (38)第一章系统方案论证1.1 检测方案确定在目前检测氧浓度的方法中，有很多的方法都可以检测到氧气浓度，比如电化学、顺磁氧、氧化锆方法及超声波流量浓度检测法。

1.1.1方案介绍方案一：氧化锆测氧法原理：稳定氧化锆在高温下呈现的离子导电现象。

在氧化锆电解质(ZrO管)的两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极。

检测方式是通过导引2管，将被测气体导入氧化锆检测室，再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度（650℃以上）。

氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极。

方案二：流量浓度原理：在充满流体的管道内，超声脉冲经流体传播，在顺流方向和逆流方向有不同的传播时间，气体流速不同逆流和顺流的时间差就不同，通过时间差就能检测到气体的流速。

浓度的检测也是用同样的超声波脉冲，在二元气体的组分下，两种组分的浓度比不同，超声脉冲在气体中的传播速度也不同。

超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，可制作成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。

另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。

超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。

超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。

方案三：电化学原理：电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。

典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。

气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，最终到达电极表面。

通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。

测量该电流即可确定气体浓度。

1.1.2方案比较氧化锆测氧法：其优点是不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量，这种灵活性被运用在许多工业在线检测上。

其缺点是反应时间慢；结构复杂，容易影响检测精度；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。

超声波流量浓度：目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。

目前我国只能用于测量200℃以下的流体。

另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。

这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m／s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是10－3数量级．若要求测量流速的准确度为1％，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前提下才能得到实际应用的原因。

1.1.3方案确定三种传感器的检测氧气的方式各有优缺点，但在实际制氧机行业应用和测试中，超声波氧气流量浓度传感器具有，寿命长、无消耗、免维护。

尤其是免维护免校准，减少了最终用户对仪器性能的疑问。

其次连续检测，具有流量、浓度同时测量的特点，有助于今后仪器功能的升级。

比如今后流量、浓度数字显示。

经过长期测试，超声波氧气浓度传感器是能够满足制氧机的浓度检测需要。

氧化锆传感器被用于英维康公司，但据相关厂家介绍，定期给最终用户邮寄氧化锆电解池。

电化学传感器虽然检测精度最高，但寿命和经常需要校准的特点不适用于制氧机行业，最终客户没有能力校准。

所以不建议大规模运用。

首先否定电化学测氧浓度，方案定格在氧化锆及超声波流量测氧发。

由于超声波传感器造价昂贵，这与我们的节约理念相悖，而且氧化锆传感器不仅造价低廉，而且工艺简单，适用于大规模生产。

所以此处采用方案一。

1.2 单片机的选择AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

而且AT89S51实现了ISP下载功能，取代了89C系列的下载方式，加之价格低廉，故而此处选用AT89S51单片机来控制。

1.3 显示器的选择目前广泛使用的显示器件主要有LED（二极管显示器）、LCD（液晶显示器）、和VFD（真空荧光管）等。

LED显示器造价低廉，与单片机接口方便灵活,技术易于实现，但只能显示阿拉伯数字和少数字符，通常用于对显示要求不高的场合。

LCD和VFD显示器成本较高，可以显示包括汉字在内的多种字符，甚至是复杂的图形，并且耗电极省，可广泛用于各种终端设备，如PDA、手机、触摸屏等等。

由于此处只要求显示器显示数值，本着节约成本因此选用LED作为显示器件。

第2章硬件设计2.1总体设计方案2.1.1系统框图测量系统由单片机，传感器，AD转换电路，显示电路和控制电路等组成。

图2.1总体设计方案2.1.2系统原理与结构（1）氧气检测调理单元对信号进行采集，转换，放大，输出一个易于检测的电压信号。

（2）处理单元完成对前面单元向其输入信号的AD转换，处理显示，串口输出与存储三方面的实现。

（3）网络传输单元将串口输出转为网口输出并通过有线传输到网络。

（4）现场显示单元从处理单元得到数据后进行显示。

（5）远端处理显示单元将从网络传输单元接收到的网络数据进行实时显示。

（6）报警单元完成超限浓度报警任务，由软件控制其报警值。

（7）电源单元完成对整个系统的供电，需要同时向氧气检测调理单元，处理单元，现场单元显示和报警单元供电。

2.2 测氧原理2.2.1氧化锆测氧原理氧气浓度的高低与氧分压、温度、气体常数等多种因素有关。

氧化锆定氧探头首先把氧分压转换为电压Eo, 温度传感器把室内温度T 转换为温度电压, 送入单片机, 在单片机内进行计算即可得到氧气浓度的大小,即: ⎪⎭⎫ ⎝⎛=RT F E P P a x 04exp (3-1) 式中: P x 为氧分压, 反映氧气浓度的大小; R 为气体常数; F 为Farady 常数; P a 为参考气体中的氧分压, 可以事先用标准仪器测定。

Px 值与设定值进行比较, 可以确定是否启动或停止换气扇。

氧化锫测氧是利用氧化锆浓差电池原理来测定气体中氧含量的电化学分析方法。

如图2示，测氧系统的氧敏感元件——氧化锆元件是由氧化钇或氧化钙稳定的氧化锆材料组成。

在高温条件下，它是良好的氧离子导体。

在理想状态下，当氧化锆元件内、外电极表面氧含量不同时．便形成一个氧浓差电池，产生电池电动势。

图2.2 氧化锆浓差电池原理2.2.2系统结构及特点由测氧原理可知．氧量测量系统重点要考虑的问题有：（1）氧化锆元件两电极间存在浓度差时才会产生差电势，所以测量系统中传感器结构需要考虑把被测气体与空气完全隔绝才能进行准确测量。

（2）氧化锆元件具有在高温条件下才会电解的特性．所以单片机系统除了分析及运算的部分外还要有温度检测及加热控制单元。

2.2.3氧值运算及输出氧量及温度毫伏信号经过放大后与室温信号一同进入通道选择器，由A／D转换模块循环选择进行转换，中央处理单元MCU读取转换结果并计算相应温度及氧量值。

MCU计算结果一路经光电耦合隔离后进入D／A转换变为模拟信号。

再经过V／I转换变为4mA～20mA和0～10mA电流信号输出：另一路MCU输出串行输入到显示驱动专用集成模块后控制4位LED显示测量结果。

2.2.4氧探头的选择及介绍由于需要将氧化锆直接插入检测气氛中，对氧探头的长度有较高要求，一般直插式氧探头的有效长度在500-1000mm左右，特殊的环境长度可达1500mm。

因此直插式氧探头很难采用传统氧化锆氧探头的整体氧化锆管状结构，而多采取技术要求较高的氧化锆和氧化铝管连接的结构。

因此密封性能是这种氧化锆氧探头的最关键技术之一。

目前国际上最先进的连接方式，是将氧化锆与氧化铝管永久的焊接在一起，其密封性能极佳。

与采样式检测方式比，直插式检测有显而易见的优点：氧化锆直接接触气氛，检测精度高，反应速度快，维护量较小。

氧传感器使用时，引入被测气体的方式有直插式和扩散式两种。

直插式响应时间短，不需要加热器，结构简单，小型轻便，但要求同时检测被测气体的温度。

扩散式由于氧探头的温度由加热器控制，因此测量精度高，工作可靠，但响应时间取决于气体的流量。

直插式氧探头的工作环境恶劣，且对检测精度、工作稳定性和工作寿命都要求较高，采用新的技术，克服了传统氧化锆氧探头的不足。

2.3 A/D 转换电路2.3.1.ADC0809的说明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。