基于单片机的氧气浓度检测控制系统设计.docx
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基于单片机的氧气浓度检测控制系统设计
基于单片机的氧气浓度检测控制系统设计
摘要
为了防止事故发生，保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，应对井下的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有的害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须及时救护遇难人员和处理事故。
所有这些都需要有相应的检测仪器和救护装备。
本文介绍了一种基于AT89S51单片机的便携式氧气浓度检测仪的设计与实现。
电化学反应式氧化锆传感器首先将氧气浓度信号转变成电流信号，经调理放大后传送至单片机AT89S51，再经A/D转换后，进行串口输出和现场LED显示。
采用嵌入式串/网口转换器将异步串行485通信信号转换成网络信号，通过局域网或互联网进行有线网络传输，以达到远程监测目的。
本系统主要用于检测空气中的氧气浓度，并将检测数据进行本地和远程两种显示，与此同时还可对测量最大限远程设定，超限现场声音报警。
通过管理软件实现历史数据的显示与检测。
仪器测量电路具有通用性，配合不同气敏元件适当调节参数就可实现对气体的测量。
关键词:
氧化锆；AT89S51单片机；ADC0809；报警
OxygenConcentrationControlSystemDesignBasedonSCM
Abstract
Inordertopreventaccidents,protectthehealthandsafetyofminers,topromotethedevelopmentofproduction,improvetheeconomicbenefitsofcoalenterprisestodealwithundergroundweatherdetection,timelyandaccurateonavarietyofdisastersmaycausesomeharmfulgasandmineraldusttestingandstrictcontrol,intheeventofdisaster,ambulancepersonnelindistressandhandlingaccidentmustbetimely.Alloftheseneedtohavetheappropriatetestingequipmentandambulanceequipment.
ThispaperintroducestheDesignandImplementationof89S51microcontroller-basedportableoxygenconcentrationdetector.Theelectrochemicalreactionofoxygensensorfirstoxygenconcentrationsignalintoacurrentsignalconditioningzoomsendtothemicrocontroller89S51,afterA/Dconverter,serialoutputandon-siteLEDdisplay.Embeddedstring/networkportconvertasynchronousserial485signalsintothenetworksignal,thecablenetworktransmissionviaLANortheInternetinordertoachievetheremotemonitoringpurposes.Thissystemismainlyusedtodetectairborneoxygenconcentration,andtestdataforbothlocalandremotedisplay,whilealsomeasuringthemaximumdistanceset,transfiniteliveaudioalarm.Managementsoftwareachievesthedisplayingandtestingofhistoricaldata.Theinstrumentmeasuringcircuitisversatile,suitablyadjustparameterscanbeachievedonthemeasurementofgaswithdifferentgassensors.
Keywords:
Zirconia;Single-chipAT89S51;ADC0809;Alarm
第一章绪论
氧气浓度检测的背景和意义
在我国，煤炭绝大多数是井下开采，国家重点煤矿也基本属于瓦斯矿井。
煤矿安全规程第一百条规定，采掘工作面的进风流中，氧气浓度不得低于百分之二十。
空气中含有氮气，二氧化碳和氧气三种主要成分，氧气占21%，人们一直在这种条件下呼吸氧气。
实际适当提高一些氧气含量人们机体的感觉会更好。
40%-80%，然后加入少量二氧化碳气体，可以使机体感到非常舒适。
煤矿生产是地下作业，自然条件和生产条件都复杂，在采掘过程中出现的瓦斯涌出、煤尘飞扬、自然发火等都有可能造成严重事故。
为了防止事故发生，保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效益，应对井下的气象进行检测，对可能造成灾害事故的各种有的害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须及时救护遇难人员和处理事故。
所有这些都需要有相应的检测仪器和救护装备。
对煤矿井下氧气浓度连续检测是现代煤矿生产中必不可少的重要工作。
鉴于传统的模拟式氧气浓度报警仪精度不高且不能数字显示,由于井下空气中的含氧气量不易控制，所以设想研制出一种由单片机控制的氧气浓度检测系统。
国内外研究现状及发展趋势
去年又接连发生了多起矿井安全事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化管理，提高通风、氧气及甲烷浓度检测监控水平，已成为中小型煤矿检测监控的最迫切的任务之一。
实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。
煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适合于中小型煤矿使用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:
造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大。
传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短。
系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差。
系统设备可靠性差。
必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。
目前市面上流行的AT-B-O2便携式氧气检测报警仪，可在工业环境中连续检测氧气浓度。
采用进口电化学传感器，先进稳定的电路设计，整机性能居国内领先水平。
高音量蜂鸣器报警，可以使用户在各种恶劣环境中及时有效地得到仪器报警信号。
HoneywellImpulseXP的性能更加完善。
它装有高级传感器，可以测量更多种类的毒气体。
小巧精致的外观适合更多数用户的需要。
紧凑的外形设计易于维护是此款机型的最本质特点。
报警时XP发出响亮的声音和超亮的灯光警报。
标准配置还具有振动报警功能，以便在嘈杂的环境使用时引起使用者的注意。
HoneywellImpulseXP性能稳定可靠，读数准确，抗电池干扰。
另外它还有持续显示气体浓度值.显示15分钟和8小时平均值.两级报警和峰值锁定的功能。
由于使用了温度校正和抗中毒传感器。
XP确定保反复测量时具有高精确度。
运行成本低廉。
内置的衰减补偿电池将两次校正间的时间延长至12个月，常用的传感器寿命大于两年，电池寿命三年，操作费用减至最低。
电池和传感器更换容易。
PortaSensII便携式气体检测仪能在现场检测环境空气中的有毒有害气体，可用于环境应急监测、职业卫生场所有毒有害气体检测、石化企业安全检测以及储运、泄露检测等。
该仪器最出色的特点是它能通过更换相应传感器模块检测多种类型的气体，即不需为每种类型的气体分别购买单独的主机，一台检测仪与不同的传感器结合使用，就能检测超过30种不同的气体，传感器可以即插即用，不需再次校准。
检测量程可在最大量程和最小量程范围之间任意可调，可以根据检测的需要自由设置量程。
通过一个RS-232接口和专用接口电缆及专用软件，仪器可对电脑进行上传和下载数据。
此外还有，以及等。
主要研究的内容
仪器的设计，本着简明、科学、实用的原则，力求从整体出发，从实际使用出发，突出系统的可靠性、免维护、免培训等特点和系统结构的简明和完整性，把对操作人员的专业技术要求降到最低，发挥系统整体设计的优势，使系统整体性能达到最佳，功能强大而操作简单，测量精确而维护方便。
在系统设计中，应充分应用近年来发展起来的各种新技术、新器件、新方法，在保证各项性能指标能够满足系统各方面要求的前提下，力求简化结构，降低成本，提高可靠性和稳定性。
作为一种完整的氧气浓度监控系统，它至少应具备以下设备和功能:
1.气体传感器:
能感知环境中氧气浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号。
a,监测要素的采集，转换。
b,转换后电信号的处理，加工。
2.显示单元：
根据测量信号，由单片机将待显示的数据按相应方式进行数据传输送给显示处理模块显示与仪表。
3.声光报警单元：
当检测气体浓度超出设定报警值时，发出声光报警。
4.通讯单元：
将采集数据通过通讯方式进行数据通讯。
5.数据采集分析软件：
编写串口通讯软件，实现气体数据的采集，分析以及保存。
第二章系统方案论证
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。
2.1.1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（ZrO2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。
2.1.2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。
2.1.3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。
单片机的选择
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）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ISPFlash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。
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3章硬件设计
总体设计方案
3.1.1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。
图总体设计方案
3.1.2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。
测氧原理
3.2.1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:
（3-1）
式中:
Px为氧分压,反映氧气浓度的大小;R为气体常数;F为Farady常数;Pa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。
图氧化锆浓差电池原理
3.2.2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。
3.2.3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。
3.2.4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。
A/D转换电路
3.3.1.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。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
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ADC0809引脚图
IN0－IN7：
8条模拟量输入通道
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线：
4条
ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道模拟量输入转换器进行转换。
A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
通道选择表如下表1所示。
数字量输出及控制线：
11条
ST为转换启动信号。
当ST到上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。
D7－D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
表通道的选择
C
B
A
通道
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
IN5
1
1
1
IN6
3.3.2．ADC0809应用说明
（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。
（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
（4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
单片机的选择
3.4.1AT89S51的介绍
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）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ISPFlash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。
AT89S51具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
3.4.2AT89S51主要特性
（1）8031CPU与MCS-51兼容。
（2）4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）。
（3）全静态工作：
0Hz-33MHz。
（4）三级程序存储器保密锁定。
（5）128*8位内部RAM。
（6）32条可编程I/O线。
（7）两个16位定时器/计数器。
（8）6个中断源。
（9）可编程串行通道。
（10）低功耗的闲置和掉电模式。
（11）片内振荡器和时钟电路。
3.4.3AT89S51管脚说明
图AT89S51管脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8T
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