氧传感器应用电路设计.docx
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氧传感器应用电路设计
东北石油大学
课程设计
课程传感器课程设计
题目氧传感器应用电路设计
院系电气信息工程学院
专业班级测控技术与仪器
学生姓名
学生学号
指导教师
2013年7月16日
任务书
课程传感器课程设计
题目氧传感器应用电路设计
专业测控技术与仪器姓名***学号************
要紧内容：
本文要紧讲述基STC12C5A60S2单片机和LM35八、氧传感器氧含量测试的设计。
本设计通过STC12C5A60S2单片机作为系统的主操纵中心完成氧传感器输出信号的搜集，氧传感器感应氧含量并输出信号，LM358实现信号处置，用LED指示灯显示表示当前的氧含量。
大体要求：
一、了解测试分析氧传感器的信号
二、能够处置氧传感器输出信号
3、STC12C5A60S2单片机的利用及其片内资源，能够利用片内AD模块资源
3、能够绘画电路原理图
4、能够C语言编程
要紧参考资料：
[1]张毅刚,单片机原理及应用[J],北京:
高等教育出版社,2003.
[2]黄贤武,郑莜霞,传感器原理与应用[J],成都:
电子科技大学出版社,2004.
[3]周润景,蔡雨恬,PROTEUS入门有效教程[M],北京:
机械工业出版社,2020.
[4]楼然苗,李光飞,单片机课程设计指导[J],北京:
北京航空航天大学出版社2007.
[5]万光毅.单片机实验与实践教程[M].北京：
北京航空航天大学出版社..
[6]朱清慧,Proteus电子技术虚拟实验室[M],北京:
中国水利水电出版社,2020.
完成期限—
指导教师******
专业负责人****
2013年7月12日
摘要
本文要紧讲述基STC12C5A60S2单片机和LM35八、氧传感器氧含量测试的设计。
本设计通过STC12C5A60S2单片机作为系统的主操纵中心的氧传感器系统。
系统中采纳氧传感器感应氧含量并输出信号，由LM358接收信号并实现信号处置，最终将结果输入单片机，在STC12C5A60S2单片机的操纵下，用LED指示灯显示表示当前的氧含量，并在特定条件下利用蜂鸣器进行报警。
关键字：
STC12C5A60S2单片机，氧传感器，LM358
氧传感器应用电路设计
一、设计要求
设计一个基于STC12C5A60S2单片机和LM358、氧传感器的氧含量测量系统。
本设计通过STC12C5A60S2单片机作为系统的主操纵中心完成氧传感器输出信号的搜集，氧传感器感应氧含量并输出信号，LM358实现信号处置，用LED指示灯显示表示当前的氧含量。
二、设计方案及其特点
一、方案说明
图系统方框图
一、硬件电路部份：
（1）、单片机所需的平稳电压；
（2）、STC12C6A60S2单片机最小系统；（3）、时钟电路与复位电路；（4）具有10位精度的A/D转换功能；一、硬件电路部份：
（1）、单片机所需的平稳电压；
（2）、STC12C6A
60S2单片机最小系统；（3）、时钟电路与复位电路；（4）、具有10位精度的A/D转换功能；
二、软件编程部份：
（1）、系统复位初始化；
（2）、跳键设置与处置；（3）、AD采样处置；（4）、输出模块程序编写；
采纳宏晶公司的STC89C52单片机，它是16位操纵器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、靠得住性高、功耗低、结构简单、中断处置能力强等特点。
处置速度高，尤其适用于语音处置和识别等领域。
二、软件编程部份：
（1）、系统复位初始化；
（2）、跳键设置与处置；（3）、AD采样处置；（4）、输出模块程序编写；
二、方案论证
方案一：
利用功能较为简单的AT89C51单片机作为操纵器，它是16位操纵器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、靠得住性高、功耗低、结构简单、中断处置能力强等特点。
处置速度高，尤其适用于语音处置和识别等领域。
其优势是价钱廉价。
可是功能相对较为简单，没有AD，PWM等功能，还需要外接A/D电路。
而且AT89C51单片机不能够ISP下载，下载仿真比较麻烦；
方案二：
利用功能齐全的STC12C6A60S2单片机作为操纵器，内部资源多，同时有带有AD转换，能实现传感器模拟量与数字量的转换，PWM输出，该系列芯片具有一般51单片机的所有共性，能够和AT89C51单片机完全兼容，同时能够ISP下载，下载仿真也很方便；
比较以上两种方案，依照咱们设计的实际要求，需要AD转换，因此咱们选择STC12C6A60S2单片机做为系统的核心操纵芯片。
三、传感器工作原理
氧传感器利用了Nernst原理。
其核心元件是多孔的ZrO2陶瓷管，它是一种固态电解质，双侧面别离烧结上多孔铂（Pt）电极。
在必然温度下，由于双侧氧浓度不同，高浓度侧（陶瓷管内侧4）的氧分子被吸附在铂电极上与电子（4e）结合形成氧离子O2-，使该电极带正电，O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧（废气侧），使该电极带负电,即产生电势差。
当空燃比较低时（浓混合气），废气中的氧较少，因此陶瓷管外侧氧离子较少，形成左右的电动势；当空燃比等于时，现在陶瓷管内外双侧产生的电动势为~，该电动势为基准电动势；当空燃比较高时（稀混合气），废气中氧含量较高，陶瓷管内外的氧离子浓度差较小，因此产生电动势很低，接近为零。
图氧传感器图氧传感器原理图
氧传感器是利用陶瓷灵敏元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平稳原理计算出对应的氧浓度，达到监测和操纵炉内燃烧空燃比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，普遍应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛操纵。
它是目前最正确的燃烧气分测量方式，具有结构简单、响应迅速、保护容易、利用方便、测量准确等优势。
运用该传感器进行燃烧气氛测量和操纵既能稳固和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约能源。
氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。
其大体工作原理是：
在必然条件下（高温和铂催化），利用氧化锆内外双侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。
大气中氧的含量为21%，浓混合气燃烧后的废气事实上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。
在高温及铂的催化下，带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上。
由于大气中的氧气比废气中的氧气多，套管上与大气相通一侧比废气一侧吸附更多的负离子，双侧离子的浓度差产生电动势。
当套管废气一侧的氧浓度低时，在电极之间产生一个高电压（0。
6～1V），那个电压信号被送到ECU放大处置，ECU把高电压信号看做浓混合气，而把低电压信号看做稀混合气。
依照氧传感器的电压信号，电脑依照尽可能接近：
1的理论最正确空燃比来稀释或加浓混合气。
因此氧传感器是电子操纵燃油计量的关键传感器。
氧传感器只有在高温时（端部达到300°C以上）其特性才能充分表现，才能输出电压。
它在约800°C
时，对混合气的转变反映最快，而在低温时这种特性会发生专门大转变。
氧传感器的两个电极的输出电压跟尾气中氧与大气中氧的相对值呈专门好的相关性。
但是那个电压跟氧含量的关系并非是线性的。
氧传感器在最正确空燃比周围最灵敏（很小的空燃比转变便会产生专门大的输出电压转变），而在空燃比过浓或过稀时不灵敏。
低电压对应高氧含量，因此－伏的电压输出说明稀混合比，而－伏代表浓混合比。
当氧传感器输出电压为伏的时候，空燃比最正确。
四、电路的工作原理
图电路总图
系统利用STC12C6A60S2作为系统主控芯片，要紧有传感器加热初始化、利用AD对传感器进行采样、跳键设置报警信号。
对报警蜂鸣器和LED指示做出相应操纵。
跳键设置好以后，单片机每对传感器进行采样，通过LED和蜂鸣器氧含量指示报警的功能。
设计方案中，咱们利用12V-2A电源适配器为单片机供电，在电源的输入端利用LM7805制作的5V
系统稳压电源能够知足系统电源的利用，电路构造简单，处置输入电源的纹波，输出端依照负载利用470uF的电容能够知足输出电流的纹波滤除。
其中D1为电源信号指示灯。
另外，咱们利用PNP三极管驱动蜂鸣器报警。
当单片机输出为低电平常，三级管导通，蜂鸣器发声报警。
如此设计的缘故在于，51系列单片机在复位时的电平输出为高电平，如此能够避免在单片机复位的时刻里发出蜂鸣声。
五、单元电路设计、参数计算和器件选择
一、单元电路设计
（1）电源电路设计
图电源电路设计图
方案在系统中，咱们利用市场上的12V-2A电源适配器获取系统的电源，在电源的输入端利用LM7805制作的5V系统稳压电源能够知足系统电源的利用，电路构造简单，处置输入电源的纹波，输出端依照负载利用470uF的电容能够知足输出电流的纹波滤除。
其中D1为电源信号指示灯。
（2）信号处置电路设计
在信号处置电路中，咱们利用LM358芯片作为放大器对传感器传回的信号做放大处置。
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的，适合于电源电压范围很宽的单电源利用，它的利用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的利用运算放大器的场合。
通过LM358处置后取得稳固的信号送到单片机进行处置。
图传感器及信号处置电路
（3）跳键输入电路设计
图跳键输入电路图
（4）单片机最小系统
系统利用STC12C6A60S2作为系统主控芯片，要紧有传感器加热初始化、利用AD对传感器进行采样、跳键设置报警信号。
对报警蜂鸣器和LED指示做出相应操纵。
跳键设置好以后，单片机每对传感器进行采样，通过LED和蜂鸣器氧含量指示报警的功能。
图单片机最小系统电路图
（5）显示电路及报警电路
图显示及报警电路原理图
为排阻操纵流过LED的电流，爱惜LED和单片机，咱们利用了PNP三极管驱动蜂鸣器报警。
当单片机输出为低电平常，三级管导通，蜂鸣器发声报警。
如此设计的缘故在于，51系列单片机在复位时的电平输出为高电平，如此能够避免在单片机复位的时刻里发出蜂鸣声。
2、器件选择
（1）STC12C6A60S2单片机
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机械周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成专用复位,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机操纵，强干扰场合。
1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机械周期，指令代码完全兼容传统8051；
2.工作电压：
STC12C5A60S2系列工作电压：
（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：
（3V单片机）；
3.工作频率范围：
0-，相当于一般8051的0～420MHz；
4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节；
5.片上集成字节RAM；
6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（一般8051传统I/O口），可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每一个I/O口驱动能力都可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma；
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用，无需专用可通过（）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
8.有功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）；
9.看门狗；
10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K到地）；
11.外部掉电:
在口有一个低压门坎比较器，5V单片机为，误差为+/-5%,单片机为，误差为+/-3%；
12.时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C（温漂为+/-5%到+/-10%之内）1用户在下载用户程序时，可选择是利用内部R/C振荡器仍是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：
单片机为：
11MHz～，单片机为：
～，精度要求不高时，可选择利用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；
13.共4个16位按时器两个与传统8051兼容的按时器/,16位按时器T0和T1，没有按时器2，但有独立波特率做串行通信的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位按时器；
14.2个时钟输出口，可由T0的溢出在T0输出时钟，可由T1的溢出在T1输出时钟；
15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Down模式可由外部中断唤醒，INT0/,INT1/,T0/,T1/,RxD/,CCP0/（也可通过寄放器设置到）,CCP1/（也可通过寄放器设置到；
16.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）：
可用来当2路D/A利用；可用来再实现2个按时器；也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断都可别离或同时支持）；
D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）18.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用按时器或PCA软件实现多串口；
19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/（可通过寄放器设置到，TxD2/（可通过寄放器设置到；
20.工作温度范围：
-40-+85℃（工业级）/0-75℃（商业级）21.封装：
PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48I/O口不够时，可用2到3根一般I/O口线外接。
（2）LM358芯片
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的，适合于电源电压范围很宽的单电源利用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的利用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的利用运算放大器的场合。
元件特性：
内部频率补偿：
直流电压增益高（约100dB）
单位增益频带宽（约1MHz）
电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；
双电源（±一±15V）
低功耗电流，适合于电池供电
输入偏流：
低输入失调电压和失调电流
共模输入电压范围宽，包括接地
差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
输出电压摆幅大（0至
系统需要的元器件清单
表1元器件清单
序号
元器件类型
元器件规格
数量
备注
1
单片机
STC12C6A60S2
1
2
芯片
LM358
1
3
传感器
氧传感器
1
4
晶振
1
5
电阻
若干
6
电容
若干
7
导线
若干
六、总结
氧传感器应用电路设计至此完成了。
在本次设计中，通过查阅各类相关的资料，终于对所需要利用的元件有所了解，而且正确的利用在电路中。
氧传感器系统能够对所在环境的氧浓度进行检测，并把结果显示在LED屏幕上，在氧浓度达到必然值时还能够通过蜂鸣器进行报警。
氧传感器在工业上有着极为重要的作用，其普遍用于石油、化工、煤炭、冶金、造纸、消防、市政、医药、汽车、气体排放监测等行业。
氧传感器能够检测大气中的氧气含量，据此能够判定空气可燃性，是不是危险等，能够检测相关的设备是不是故障，气体是不是泄漏等。
能够说，氧传感器是现代工业中不可或缺的。
在本次设计中，我深深的体会到知识的重要性，许多书中的知识感觉熟悉，事实上并无完全把握，在需要的时候还要不断的翻书才能完成设计。
同时，时刻也是必不可少的，即便讲义上的只是很全面，可是没有通过实践，许多抽象的内容仍然不能了解。
参考文献
[1]张毅刚,单片机原理及应用[J],北京:
高等教育出版社,2003.
[2]黄贤武,郑莜霞,传感器原理与应用[J],成都:
电子科技大学出版社,2004.
[3]周润景,蔡雨恬,PROTEUS入门有效教程[M],北京:
机械工业出版社,2020.
[4]楼然苗,李光飞,单片机课程设计指导[J],北京:
北京航空航天大学出版社2007.
[5]万光毅.单片机实验与实践教程[M].北京：
北京航空航天大学出版社..
[6]朱清慧,Proteus电子技术虚拟实验室[M],北京:
中国水利水电出版社,2020.
东北石油大学课程设计成绩评判表
课程名称
传感器课程设计
题目名称
氧传感器应用电路设计
学生姓名
孟庆宇
学号
14
指导教
师姓名
刘霞
刘继承
职称
教授
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
指导教师：
年月日
升级会员 