電子與信息工程畢業(yè)論文氧氣測(cè)定儀的設(shè)計(jì)

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p><b>　　氧氣測(cè)定儀的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電子與信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào)

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　十九世紀(jì),隨著科技的快速發(fā)展,人們的生活越來越優(yōu)越，但在我們的生活環(huán)

3、境變得越來越差了。每一天,下水道排放的廢水，煙囪里飄出的廢氣，工作場(chǎng)所不停止的噪聲，這些已經(jīng)給人們的生活帶來了很多困擾，不僅如此，許多工廠里賣弄排出的這類廢水廢氣都有一定的毒性，而這就會(huì)多人們的生命造成威脅。很多的毒性氣體不是靠人們的感官可以分辨出來的，因此氣體探測(cè)器的出現(xiàn)就體現(xiàn)了它的必要性。</p><p>　　本文對(duì)氧化鋯氧氣探測(cè)儀進(jìn)行了一定的研究，并且在收集參考很大量的國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，仔細(xì)篩選并且設(shè)計(jì)了

4、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并且本文對(duì)此氧化鋯測(cè)定儀的每個(gè)部件進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。本文詳細(xì)地闡述了氧化鋯氧氣測(cè)定儀器的硬件和軟件的設(shè)計(jì)過程。在檢測(cè)器的這個(gè)部分我要重點(diǎn)介紹導(dǎo)流管，加熱器，密封技術(shù)以及測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)；在控制器的這個(gè)部分以TMS320LF2407為核心，著重介紹控制器電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵字：氧化鋯；測(cè)氧儀；氧氣檢測(cè)；</p><p><b>　　Abstract&

5、lt;/b></p><p>　　Nineteenth century, with the rapid technological development, people's lives more and more superior, but in our living environment has become increasingly worse. Every day, sewage wast

6、e water, coming out of the exhaust chimney, do not stop the noise in the workplace, these people's lives have been a lot of trouble, not only that, many factories discharge of such effluents show off has a certain to

7、xicity, and this will be more of a threat to people's lives. Many of the toxic gas by the human sens</p><p>　　In this paper the zirconia oxygen detectors, and do research in collection reference very lar

8、ge amounts of information at home and abroad, and on the basis of careful screening and the design scheme of the system is designed, and this paper zirconia each detector components of the system is introduced. This pape

9、r expatiates on zirconia oxygen measuring instruments of hardware and software design process. In this part of the detectors will I introduced diversion tube, heaters, sealing technology </p><p>　　Keywords：Z

10、rO2；Oxygen content analyze；oxygen testing；</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 氧化鋯氧氧氣測(cè)定儀的國內(nèi)外現(xiàn)狀2</p><p>　　1.1.2 氧化鋯檢測(cè)器的發(fā)展4

11、</p><p>　　1.1.3 氧量變送器的發(fā)展4</p><p><b>　　1.2制作背景4</b></p><p>　　第2章 方案論證6</p><p>　　2.1原電池式氧探測(cè)方法6</p><p>　　2.2熱磁式氧探測(cè)方法6</p><p>　　2

12、.3氧化鋯式氧探測(cè)方法7</p><p>　　2.4光纖式氧探測(cè)方法7</p><p>　　2.5可調(diào)諧激光式氧探測(cè)方法8</p><p>　　第3章 氧化鋯控制器的硬件設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1氧化鋯智能控制器工作原理10</p><p>　　3.2 TMS320LF2407性能特點(diǎn)10<

13、/p><p>　　3.3智能控制器TMS320LF2407接口電路11</p><p>　　3.3.1數(shù)據(jù)選擇通道14</p><p>　　3.3.2前置放大電路15</p><p>　　3.3.3 V/F轉(zhuǎn)換電路15</p><p>　　3.3.4顯示電路16</p><p>　　第4章

14、 氧化鋯分析儀的軟件設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.1 DSP調(diào)試及開發(fā)工具18</p><p>　　4.2氧化鋯氧量分析儀軟件流程及設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.2.1主程序流程圖及設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.2.2線性化處理子程序流程圖及設(shè)計(jì)21</p><p><b>　　總結(jié)2

15、3</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　致謝25</b></p><p><b>　　附錄126</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p

16、>　　隨著工業(yè)的發(fā)展，能源短缺與環(huán)境污染兩大難題已日益凸現(xiàn)出來，節(jié)能和環(huán)保工作也越來越多的受到了人們的關(guān)注。在電廠、石油、化工、鋼鐵工業(yè)、玻璃、陶瓷工業(yè)、冶金、紡織輕工等領(lǐng)域中，鍋爐、加熱爐、窯爐等燃?xì)庠O(shè)備每天都要消耗大量的能源，同時(shí)也造成了大氣污染。因此，在燃料燃燒時(shí)，合理組織燃燒，可以達(dá)到節(jié)約能源，減少污染和延長爐齡的三重效果[8]。</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，所用的燃料主要有油、煤、氣三種

17、燃料。任何燃料都是通過燃燒而發(fā)出熱量的，燃燒的效率在這里就十分重要了。燃燒效率反映了燃料中多少能量被有效的轉(zhuǎn)化成為熱量。這個(gè)過程包括三種基本的因素，既燃料，空氣和熱量。要使某一種燃料完全被燃燒，同時(shí)產(chǎn)生最大值的熱量，就必須通入一定量的空氣，使燃燒完成后燃料與空氣中的氧氣恰好耗盡。在燃燒過程中，鍋爐的通風(fēng)過大的時(shí)候，然后之后剩余的空氣量過大，剩余的氧含量也偏高高，雖然這樣可以使得燃料的燃燒率增打，但是過多的氣體也會(huì)打走大量的熱量，影響熱能

18、的使用效率，還有由于剩余空氣中有大量的氧氣存在，這部風(fēng)氧氣與燃燒物中的硫以及燃燒產(chǎn)生的氮?dú)庠跁?huì)在高溫作用下下形成硫化合物和氮化合物，當(dāng)這些化合物氣體排放到大氣中去的時(shí)候就會(huì)與空氣中的水結(jié)合，這樣就會(huì)變成酸雨，酸雨對(duì)環(huán)境造成的污染眾所周知是非常大的。當(dāng)鍋爐之中通風(fēng)量過小的時(shí)候，燃燒之后的氣體的氧氣含量過低，雖然這樣可以排除過多氣體帶走熱量這個(gè)問題，但是這導(dǎo)致燃料無法充分燃燒，這就會(huì)使得熱能使用效率降低，同時(shí)很多無法充分燃燒的燃料的小顆粒隨

19、著氣體一起排放出去，這樣也會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染。因此我們想要使得鍋爐熱</p><p>　　測(cè)量氣體之中的剩余氧氣含量，這樣可以在第一時(shí)間知道氧含量的變化從而通過設(shè)備進(jìn)行控制通風(fēng)量，調(diào)高燃燒的效率，這是提高燃燒效率最有效的一個(gè)方法。氧化鋯氧量儀自50年代末60年代初誕生以來,發(fā)展很快,由于氧化鋯氧分析儀的應(yīng)用能取得明顯的節(jié)能和環(huán)保效果,所以它越來越成為現(xiàn)代化生產(chǎn)中必不可少的工業(yè)儀表。由于國內(nèi)當(dāng)前使用的氧量分析儀

20、大多存在測(cè)量不準(zhǔn)、智能化程度不高等一系列問題[3]，為此，我們以DSP為控制核心研制出一種智能型氧量分析儀，該儀器可在線連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量煙氣中的氧氣濃度，數(shù)字顯示爐內(nèi)氧氣的百分含量、溫度等多種參數(shù)，并能輸出4-20mA線性模擬量信號(hào)與其它自控系統(tǒng)相連接。</p><p>　　氣體探測(cè)和監(jiān)控是是當(dāng)今社會(huì)一個(gè)非常熱門的話題，他不僅經(jīng)與我們的生命息息相關(guān)，而且在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、國防等很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

21、在上世紀(jì)的五十年代我國就已經(jīng)在這個(gè)方面有著一定的研究，與世界上許多的發(fā)達(dá)國家相比，并沒有絕對(duì)時(shí)間上的差距（一般國際社會(huì)對(duì)于氣體探測(cè)器這一塊也是起始于上世紀(jì)的五十年代的電化學(xué)傳感器而產(chǎn)生的），但是國際上最早的氣體探測(cè)器是從上世紀(jì)20年代的催化燃燒氣體傳感器的產(chǎn)生而開始的。</p><p>　　1.1 氧化鋯氧氧氣測(cè)定儀的國內(nèi)外現(xiàn)狀</p><p>　　其實(shí)人們?cè)诤茉绲臅r(shí)候就知道了，某以些固體

22、化合物有離子導(dǎo)電的性能，其中氧化鋯在一定的溫度下有離子導(dǎo)電現(xiàn)象[1]。在此后的很長一段時(shí)間里，人們對(duì)對(duì)很多具有離子導(dǎo)電性能的化合物進(jìn)行了大量的研究，但是進(jìn)展始終不盡如人意[2]。直至一九五七年，K.Kiukkala和C.Wagner第一次使用具有離子導(dǎo)電性能的化合物質(zhì)組裝成功了一個(gè)原電池，并且成功的從理論上闡明了其原理，從此固體離子導(dǎo)電化合物這個(gè)方面的研究和應(yīng)用才迅速的發(fā)展。固體電解質(zhì)有很多，有氧化物，鹵化物，硫化物等等，其中氧化鋯是在

23、目前來說研究應(yīng)用得最最廣泛的一種。它不僅可以應(yīng)用于高溫化學(xué)，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究，而且氧化鋯已經(jīng)在高溫技術(shù)領(lǐng)域，特別是高溫的測(cè)試檢測(cè)技術(shù)上得到了極其廣泛的應(yīng)用。氧氣探測(cè)儀的的氧探頭中使用氧化鋯固體電解質(zhì)為其測(cè)試的敏感元件用來檢測(cè)氧濃度的裝置。1961年，J.Weissbart和R.Ruka研制成功的第一個(gè)氧化鋯濃差電池測(cè)氧儀[3]。在上世紀(jì)七十年代初期，出現(xiàn)了商業(yè)用的氧化鋯氧探頭，這個(gè)商業(yè)氧化鋯氧探頭引起了多方面的重視，特別是在一些發(fā)達(dá)

24、國家如西德、日本、美國等國家都對(duì)這個(gè)商業(yè)用的探頭進(jìn)行了很多產(chǎn)品開發(fā)的研究工作。一</p><p>　　氣體探測(cè)儀向著低功耗、多功能、集成化方向發(fā)展</p><p>　　目前，氣體探測(cè)儀的發(fā)展正向著低成本低功耗微型化簡單化與其它設(shè)備相結(jié)合，同時(shí)向著高靈敏度，高工作效率方向發(fā)展，同時(shí)這個(gè)也是氣體探測(cè)儀一直以來所追求的沒標(biāo)。比如像日本的費(fèi)加羅公司生產(chǎn)并推出了可以檢測(cè)（0.1～10）×1

25、0－6硫化氫的低功耗氣體探測(cè)儀，還有英國的CITY公司生產(chǎn)推出的MICROceL?微型傳感器探測(cè)儀，還有就是美國IST所提供的使用壽命可以長達(dá)10年以上的氣體探測(cè)儀，美國FirstAlert公司生產(chǎn)并推出的生物模擬型低功耗一氧化碳?xì)怏w探測(cè)儀等。</p><p>　　氣體探測(cè)儀向智能化方向發(fā)展</p><p>　　二十一世紀(jì)人們都在追求智能化的設(shè)備，所以氣體探測(cè)儀也必須向著這個(gè)方向進(jìn)行發(fā)展。

26、但同時(shí)在可靠性方面必須增強(qiáng)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的元件以及其應(yīng)用電路向著集成化和多功能化方向發(fā)展，同時(shí)還需要對(duì)MEMS技術(shù)的深入發(fā)展，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)適用的變送器和智能型傳感器也是大力的發(fā)展。比如像美國GeneralMonitors公司已經(jīng)在氣體探測(cè)儀的傳感器中加入了微處理器芯片，這樣就使的氣體傳感器可以隨時(shí)校準(zhǔn)以及有了可以實(shí)時(shí)監(jiān)視故障狀況的功能，這樣就大大的實(shí)現(xiàn)了其智能化的程度；還有美國IST公司生產(chǎn)的有微型處理器的“MegaGas”氣體傳感

27、器同樣也實(shí)現(xiàn)了多功能化和智能化。國內(nèi)在這個(gè)方面也有很大的突破在深圳特安電子有限公司的ESD3000系列產(chǎn)品之中技術(shù)人員就采用了智能化得傳感器技術(shù)，在傳感器的內(nèi)部嵌入了微處理器，也使氣體探測(cè)儀傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化。</p><p>　　氣體探測(cè)技術(shù)與現(xiàn)代的通訊技術(shù)以及數(shù)字技術(shù)相結(jié)合</p><p>　　隨著現(xiàn)代科技水平的快速發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了氣體探測(cè)技術(shù)的高速發(fā)展。探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的一次探測(cè)儀與二次探

28、測(cè)儀的實(shí)時(shí)通訊， 二次探測(cè)儀再與其他的儀器進(jìn)行通訊，在通訊過程中其實(shí)應(yīng)用了很多的數(shù)字通訊技術(shù)，有485，Modbus和Hart等，應(yīng)用了先進(jìn)的數(shù)字通訊技術(shù)大大的提高探測(cè)儀的智能化的程度。</p><p>　　產(chǎn)品的輸出控制模塊化</p><p>　　產(chǎn)品的輸出控制單獨(dú)模塊化處理， 和二次儀表之間使用現(xiàn)代通訊技術(shù)來管理和控制， 智能管理和編組，實(shí)現(xiàn)智能化和多功能化。特安公司推出的ESC500

29、型總線產(chǎn)品和日本新宇宙公司一款產(chǎn)品就具有此項(xiàng)功能。 這一功能特別適合智能大廈的氣體安全控制， 上海金茂大廈氣體控制就采用了此項(xiàng)目技術(shù)。</p><p><b>　　現(xiàn)代電子技術(shù)的結(jié)合</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 很多新產(chǎn)品和新技術(shù)都被應(yīng)用到氣體探測(cè)器上去， 如彩色液晶顯示屏， 多層板和SMT技術(shù)等。</p><p&g

30、t;　　多合一產(chǎn)品，集成化產(chǎn)品</p><p>　　由于現(xiàn)在的用戶對(duì)于安全的問題越來越重視，所以現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多組合產(chǎn)品，二合一，四合一產(chǎn)品，比如英思科的四合一便攜式的組合產(chǎn)品，深圳特安公司的二合一固定組合產(chǎn)品。國家將會(huì)在不久之后推出相關(guān)的法律法規(guī)，規(guī)定在一些企業(yè)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢有毒氣體檢測(cè)的時(shí)候必須配備的聲、光報(bào)警，現(xiàn)在有些企業(yè)的外已經(jīng)安裝了的聲光報(bào)警裝置和防爆氣體檢測(cè)器、深圳特安公司去年推出了一個(gè)ESD300

31、0型的產(chǎn)品，它具有聲光報(bào)警功能，同時(shí)將燃?xì)馓綔y(cè)器集成到儀器內(nèi)部，這樣不僅節(jié)省空間，還減少故障率，這是在未來的一個(gè)趨勢(shì)。</p><p>　　氣體探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化， 和國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。</p><p>　　現(xiàn)在國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)的接軌，推動(dòng)中國產(chǎn)品向國際靠攏，為中國產(chǎn)品走向世界奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　產(chǎn)品的規(guī)范化，規(guī)?；?lt;/p><p>

32、　　2006開始， 公安部加強(qiáng)了對(duì)氣體探測(cè)器產(chǎn)品的管制， 取締了一些無牌無證的生產(chǎn)、銷售單位。 公安部消防產(chǎn)品型式認(rèn)可中心（CCCF）定期在網(wǎng)站上公布合格企業(yè)名單， 從最初的上千家單位，到目前為止， 只有106家合格單位。 一些小的企業(yè)， 三無企業(yè)被淘汰出時(shí)常，規(guī)范了市場(chǎng)秩序，逐漸現(xiàn)成了一些規(guī)?；钠髽I(yè)。深圳特安電子有限公司目前是國內(nèi)最大的一家可燃、有毒氣體探測(cè)器設(shè)計(jì)、制造和銷售的單位。</p><p>　　20

33、06年年初,公安部加強(qiáng)控制氣體探測(cè)器，對(duì)于一些無牌無證禁止生產(chǎn)、銷售單位嚴(yán)厲打擊。公安部消防產(chǎn)品型式認(rèn)證中心定期發(fā)布在網(wǎng)上的名單,從一開始的成千上萬的單位，合格公司到現(xiàn)在的只有106合格單位。很多小型企業(yè)，三無企業(yè)被淘汰，從而規(guī)范了市場(chǎng)秩序，逐步形成一定數(shù)量的大型企業(yè)。深圳特安電子股份有限公司是現(xiàn)在國內(nèi)最大的一個(gè)易燃、有毒氣體檢測(cè)器的設(shè)計(jì)，制造與銷售的單位。</p><p><b>　　產(chǎn)品的國際化。&

34、lt;/b></p><p>　　現(xiàn)在在世界市場(chǎng)上暢銷的產(chǎn)品有相當(dāng)一大部分是在中國生產(chǎn)。一些國內(nèi)和外國公司的合作,通過合作發(fā)展生產(chǎn)氣體探測(cè)儀器，這也使得我國的氣體探測(cè)達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)。但在這個(gè)過程中，一些現(xiàn)有國內(nèi)企業(yè)被外資且所合并控制，喪失了原有品牌，讓中國氣體探測(cè)器工業(yè)控制在國外的雙手之中，這是一個(gè)值得考慮的問題。</p><p>　　國內(nèi)制造商已經(jīng)開始進(jìn)入國際市場(chǎng),并取得國際認(rèn)證(

35、CE認(rèn)證和UL認(rèn)證)。深圳特安電子有限公司第一個(gè)走像世界的單位，是中國第一個(gè)成功地獲得了CE、UL認(rèn)證的，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷歐美、南美、中亞、西亞等地區(qū)。</p><p>　　近幾年氧氣測(cè)定儀作為一個(gè)新型的但在我們生產(chǎn)生活中又必不可少的儀表其發(fā)展速度非常之快，在國內(nèi)已經(jīng)有很多儀器儀表類的公司和研究所在從事研究和生產(chǎn)工作。其中性能較好且應(yīng)用較為廣泛的一種其中是ZO系列氧化鋯氧量儀。而這個(gè)系列的氧化鋯測(cè)量儀最主要分檢測(cè)器和變送

36、器兩部分。</p><p>　　1.1.2 氧化鋯檢測(cè)器的發(fā)展</p><p>　　最初檢測(cè)器使用的是直插式的氧化鋯探頭，直插式氧化鋯氧分析儀具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢(shì)，而且該探頭是直接接觸被測(cè)氣體的，所以反映比較靈敏。由于該探頭的工作環(huán)境比較復(fù)雜，經(jīng)常要受到高溫氣體，小顆粒粉塵的沖刷所以其壽命是現(xiàn)今一個(gè)非常大的問題，這個(gè)也給推廣方面增加了難度?，F(xiàn)在市面上的直插式氧化鋯測(cè)氧儀檢測(cè)器主要有自溫式氧氣

37、探測(cè)儀和它溫式氧氣探測(cè)儀兩種。顧名思義自溫式就是自身帶有一個(gè)溫控的裝置，可以在低溫環(huán)境下工作；而它溫式就需要對(duì)環(huán)境提出一定的要求，它必須在一定的高溫下傳感器才會(huì)導(dǎo)通工作，但是工作溫度不穩(wěn)定會(huì)影響氧化鋯檢測(cè)器的應(yīng)用范圍靈敏度[5]?，F(xiàn)在國內(nèi)市場(chǎng)上的氧氣探測(cè)儀基本上市直插式的氧化鋯氧氣測(cè)定儀，因?yàn)樗淖龉け容^簡單。但是這個(gè)探頭的的壽命問題一直是它的硬傷，于是就有人提出將鍋爐里面的氣體用抽氣泵抽到外面再進(jìn)行檢測(cè)，這樣對(duì)被測(cè)氣體處理過之后在進(jìn)行

38、檢測(cè)對(duì)探頭的損害大大降低，這樣就可以大大的提高其壽命，但是一系列的處理之后就無法做到其及時(shí)性，設(shè)備又增加了一個(gè)氣泵，而且這樣還是將設(shè)備放在高溫高硫高粉塵成的的工作環(huán)境之中，這樣對(duì)該探測(cè)儀的適用范圍也產(chǎn)生了一直制約。</p><p>　　在20世紀(jì)80年有人提出了具有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直插式探測(cè)儀，它可以有效地克服了由于被測(cè)氣體的侵蝕造成的探頭壽命減短，也確保了直插式的氣體探測(cè)儀的敏感度，同時(shí)也消除了抽出氣體進(jìn)行檢測(cè)的

39、響應(yīng)時(shí)間過慢的問題，節(jié)省了抽出氣體需要的設(shè)備。帶有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的直插式探測(cè)儀的特征是有一個(gè)簡短的探測(cè)器，并且是安裝在一個(gè)取樣的導(dǎo)管里面的。取樣管叫導(dǎo)流管，導(dǎo)流管可以根據(jù)自己的要求來選擇尺寸。它的作用是攔截一部分代表性樣本氣體使流過氣體探測(cè)器，這樣不僅保證了氣體探測(cè)器測(cè)量的準(zhǔn)確度和靈敏度的洗的是不受影響，還避免了探頭被氣體侵蝕導(dǎo)致壽命減小的問題。這種類型的氧化鋯氧分析儀是目前的主要類型的推廣[6] 。</p><p>

40、　　1.1.3 氧量變送器的發(fā)展</p><p>　　早期的氧量變送器由模擬電路組成，包括高阻抗變換器，溫度變換級(jí)，倒向器和線性化電路等幾部分，將氧電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行反對(duì)數(shù)運(yùn)算并線性化，輸出標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制信號(hào)。由于采用模擬電路，所以結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，易損壞，準(zhǔn)確度也較低[7]。進(jìn)入80年代，隨著單片機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，以單片計(jì)算機(jī)為控制核心的數(shù)字式變送器逐步取代了老的模擬式變送器，氧量變送器朝著智能化，小型化，模塊化方向發(fā)展。

41、其不僅可以實(shí)現(xiàn)氧電勢(shì)氧量的快速轉(zhuǎn)換，還能實(shí)現(xiàn)氧化鋯探頭的溫度控制，提高檢測(cè)精度，延長探頭的使用壽命。經(jīng)過軟件優(yōu)化的信號(hào)控制器可以對(duì)儀表進(jìn)行自校正，消除放大器的漂移誤差，及探頭的老化誤差，大大提高了儀表的檢測(cè)精度。本文應(yīng)用處理速度更快、功能更強(qiáng)的TMS320C2407為核心的控制器，以求達(dá)到更好的效果。為了保證高可靠性和安全性，還在變送器里增加了溫度故障檢測(cè)電路，當(dāng)檢測(cè)器溫度過高或者熱電偶出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)報(bào)警并切斷加熱器。</p&

42、gt;<p><b>　　1.2制作背景</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們所使用和接觸的氣體越來越多，需要對(duì)這些氣體的成分進(jìn)行分析、監(jiān)測(cè)及報(bào)警的領(lǐng)域也日益擴(kuò)大。在眾多的氣體監(jiān)測(cè)中，氧氣監(jiān)測(cè)應(yīng)用廣泛，得到越來越多的關(guān)注。長期以來，人們研究和應(yīng)用了多種氣體檢測(cè)方法，如氣相色譜法，火焰光度法、質(zhì)譜法等，能夠精確地分析氧的濃度。但是這些方法的共同點(diǎn)是成本高、設(shè)備

43、復(fù)雜，使用和維修都較繁瑣，在一些需要在線測(cè)量的場(chǎng)合中使用受到很大限制，不宜廣泛采用。氧傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、使用方便、價(jià)格便宜，逐漸成為人們注目的焦點(diǎn)。</p><p><b>　　第2章 方案論證</b></p><p>　　其主要方法主要有以下幾種：</p><p>　　2.1原電池式氧探測(cè)方法 </p><p&

44、gt;　　催化電化學(xué)氧氣傳感器是基于與氧氣有關(guān)的催化電極測(cè)量反應(yīng)來測(cè)定待測(cè)氣體的氧氣濃度。它包括兩種類型：一種為電極恒電位電解式，另一種為原電池型氧傳感器,兩者都是對(duì)氧氣進(jìn)行催化還原反應(yīng)，兩種傳感器都是以氧有催化還原活性的金屬(如Pt ，Ag，Au等)為陰極, 不能極化的金屬(如Pb，Cu，Cd等)為陽極，電解質(zhì)一般使用堿或酸及其鹽類溶液，正極就采用比較容易氧化的金屬，負(fù)極使用黃金，鉑等貴重的金屬。氧氣溶解在電解液層，然后再到為負(fù)極表面

45、還原,而正極的鉛進(jìn)行氧化反應(yīng)，其方程式可以表達(dá)如下：氧氣在陰極時(shí)被還原，其電極反應(yīng)方程式為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　同時(shí)鉛在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)： </p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　當(dāng)外電路有負(fù)載時(shí)電流與氧濃度成正比，

46、根據(jù)測(cè)得的電壓值或電流值可求得氧濃度。它不需要外電源，且結(jié)構(gòu)簡單，也不需要熱源，工作電流小，是一 種比較理想的小型化氧傳感器。 但因其使用過程即為 陽極的消耗過程，氧化能力很充足時(shí)輸出非常平穩(wěn)， 氧化能力減弱后輸出穩(wěn)定性減弱，因此在其輸出穩(wěn)定 性保持方面還有待改進(jìn)。</p><p>　　2.2熱磁式氧探測(cè)方法 </p><p>　　氧氣是一種具有順磁性的氣體，熱磁式氧傳感器就是利用氧氣的

47、順磁性研制而成的。所謂順磁性，就是物質(zhì)的體積磁化率大于零。氧氣的磁化率較于其它氣體大(一氧化氮除外，但一氧化氮極易與氧化合為二氧化氮)，故氣體的總磁化率可以認(rèn)為是取決于氧氣的含量，我們通 過測(cè)量混合氣體磁化率便能夠確定氧氣含量。但是，氧氣的磁化率絕對(duì)值很小，難于直接測(cè)量，利用熱磁對(duì)流現(xiàn)象，將磁化率的變化轉(zhuǎn)換為熱敏元件的電阻值變化進(jìn)行測(cè)量鋤。氧氣作為順磁性氣體 ，在不均勻磁場(chǎng)中能被磁場(chǎng)所吸引而流向磁場(chǎng)較強(qiáng)處。我們?cè)诖颂幵O(shè)置加熱絲，由于溫度

48、升高磁化率下降，未被加熱的氧分子將受熱氧分子推出，因此形成熱磁對(duì)流，通過測(cè)試此風(fēng)大小即可得知氧氣含量。熱磁式氧氣傳感器可分為外對(duì)流式，內(nèi)對(duì)流式和磁力機(jī)械式等型式。熱磁式氧傳感器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和調(diào)整，傳感器在使用過程中無損耗，采用熱磁式原理的測(cè)氧設(shè)備能夠長期連續(xù)運(yùn)行，具有較長的使用壽命。但由于其反應(yīng)速度慢，測(cè)量誤差大，容 發(fā)生測(cè)量環(huán)室堵塞和熱敏元件腐蝕嚴(yán)重等缺點(diǎn)，使熱磁式氧氣傳感器在火電廠的應(yīng)用日漸減少，逐漸被氧化鋯

49、氧氣傳感器所取代。</p><p>　　2.3氧化鋯式氧探測(cè)方法 </p><p>　　氧化鋯氧傳感器是采用氧化鋯固體電解質(zhì)組成的對(duì)氧敏感的傳感器，屬于固體離子學(xué)中的一個(gè)重要應(yīng)用方面。下面根據(jù)氧化鋯式氧傳感器的工作原理對(duì)其進(jìn)行介紹。濃差電壓型氧傳感器由固體電解質(zhì)(YSZ等)，工作電極(常用Pt) 及參比電極(常用 P t ) 組成。氧離 子的遷移過程如下：氧原子在參比電極一側(cè)得到電子變?yōu)檠?/p>

50、氣，進(jìn)入YSZ晶體的氧氣空穴，由于存在濃度差，氧氣向電解質(zhì)另一側(cè)定向擴(kuò)散，在工作電極處又失去電子。這樣在工作電極和參比電極之間形成濃度差，根據(jù)Nernst方程求出：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　其中：E一氧濃差電池電動(dòng)勢(shì)； </p><p>　　R一理想氣體常數(shù)； </p><p&

51、gt;　　F一法拉第常數(shù)； </p><p><b>　　T一工作溫度； </b></p><p>　　P—工作電極處氧氣壓強(qiáng)； </p><p>　　P一參比電極處氧氣壓強(qiáng)（一般使用空氣壓強(qiáng)）</p><p>　　當(dāng)工作溫度一定時(shí)，由Nernst方程可測(cè)定工作電極處的氧濃度。在工作點(diǎn)基礎(chǔ)氧氣壓強(qiáng)等于參比處壓強(qiáng)時(shí)靈

52、敏度較高，適于氧氣濃度比較低時(shí)的測(cè)量；當(dāng)兩壓強(qiáng)近式時(shí)，E較小，不易測(cè)定，此時(shí)測(cè)氧濃度是比較不準(zhǔn)確，需采用極限電流型氧傳感器來測(cè)定氧的 濃度 。 </p><p>　　極限電流型氧傳感器由固體電解質(zhì)，陽極，陰極組成，陰極處有多空擴(kuò)孔陶瓷層的屏障。在陰極陽極間加上外電壓，然后用陶瓷層上的小孔控制氧氣進(jìn)入速度，氧離子的移動(dòng)過程如下：進(jìn)入小孔的氧氣在陰極處得到電子；氧離子在YSZ中擴(kuò)散。氧離子又在陽極失去電子。外電壓增

53、加初期，兩極問通過電解質(zhì)的電流隨著電壓增大而增加，當(dāng)電壓增加到一定程度的時(shí)候，電流由于受到陰極表面氧氣濃度的限制而達(dá)到飽和值，就不再增加，即達(dá)到了極限電流，通過該值我們可以得到氧氣濃度 。 極限電流型氧傳感器不用參比電極，對(duì)氧具有較高的敏感度，響應(yīng)時(shí)間短，但精確控制陶瓷層的孔隙尺寸較困難，且孔隙易堵塞，影響測(cè)量精度。</p><p>　　氧化鋯氧傳感器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度和分辨率高，測(cè)量范圍寬，響應(yīng)較快。現(xiàn)主要應(yīng)用于

54、熱處理爐的氣溫控制，工業(yè)鍋爐的燃燒控制及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣，燃料比控制和廢氣排放控制等方面。但傳感元件內(nèi)部易產(chǎn)生熱應(yīng)力；傳感器制備工藝復(fù)雜，控制參數(shù)多；貴金屬Pt作為電極材料成本高，且工作溫度較高，抗中毒能力較差；高溫工作會(huì)促使可燃?xì)怏w與氧氣反應(yīng)，導(dǎo)致測(cè)量誤差。所以，降低氧化鋯氧傳感器的工作溫度，傳感器薄膜化以及采用微機(jī)械工藝等問題也越來越受到關(guān)注，向多功能化，微型化，低成本等方向發(fā)展成為顯著趨勢(shì)。</p><p>

55、;　　2.4光纖式氧探測(cè)方法 </p><p>　　氧是一種非常有效的熒光猝滅劑，對(duì)一些熒光物質(zhì)的熒光具有猝滅作用，從而導(dǎo)致其熒光強(qiáng)度的降低和熒光壽命的縮短。光纖氧氣傳感器即以熒光物質(zhì)作為指示劑，在一定波長光的激發(fā)下指示劑產(chǎn)生熒光，氧氣對(duì)熒光進(jìn)行猝滅。通過檢測(cè)指示劑熒光被猝滅的程度，則可達(dá)到檢測(cè)氧氣的目的。熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度或壽命與氧氣濃度的關(guān)系可用Stern-Volmer動(dòng)態(tài)熒光猝滅方程描述為：</p&g

56、t;<p><b>　　（2.4）</b></p><p>　　式中I0，I，τ0，τ分別為無氧氣和有氧氣條件下的熒光強(qiáng)度和壽命，[Q]為氧氣的濃度，K為Stern-Volmer常量，對(duì)于特定的猝滅劑其值是固定的。通過測(cè)定I0，I或τ0，τ，即可測(cè)定氧氣的濃度。</p><p>　　熒光指示劑所產(chǎn)生的熒光的強(qiáng)度通常很弱，比較容易受外界的干擾，不宜采用測(cè)量

57、熒光強(qiáng)度變化的方法測(cè)量。由于熒光壽命是熒光物質(zhì)的本征參量，不易受其他因素影響通過對(duì)熒光壽命的測(cè)定來測(cè)定氧的體積分?jǐn)?shù)，可顯著提高檢測(cè)精度和抗干擾能力。</p><p>　　熒光比激發(fā)光在相位上延遲Φ角，且滯后相位Φ與熒光壽命t存在如下關(guān)系： </p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　式中：f為正弦調(diào)制頻率。因此，通過

58、測(cè)定Φ即可得到不同氧濃度下熒光的壽命t，從而得出氧的濃度值。由（4）（5）式可得： </p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式中Φ0和Φ分別為無氧氣時(shí)和有氧氣時(shí)的滯后相移；[Q]為氧的濃度。因此，測(cè)定不同情況下的Φ，即可導(dǎo)出氧濃度的值。這種方法即為鎖相放大技術(shù)。</p><p>　　光纖氧傳感器是一門新技術(shù)，它測(cè)

59、量迅速靈敏，結(jié)構(gòu)輕巧易攜帶，可在有毒，強(qiáng)輻射環(huán)境下使用，因而應(yīng)用廣泛，除以上介紹的醫(yī)學(xué)，生物，海洋監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用外，還可以制造長達(dá)數(shù)百米的傳感光纖用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)氧，用于汽車制造中控制及減少汽車尾氣的有毒排放等。</p><p>　　2.5可調(diào)諧激光式氧探測(cè)方法 </p><p>　　可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)是一種高靈敏度，高分辨率，具快速檢測(cè)特點(diǎn)的氣體檢測(cè)技術(shù)，是近年發(fā)展

60、起來的一種新型氣體檢測(cè)方法，具有啡侵入式原位快速在線測(cè)量和遙測(cè)等特有優(yōu)勢(shì)，己日益廣泛地應(yīng)用于測(cè)量氣體污染物的濃度，有毒氣體泄漏遙測(cè)，大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。</p><p>　　可調(diào)諧激光式氧傳感器是基于可調(diào)諧激光光譜吸收技術(shù)對(duì)氧氣濃度進(jìn)行測(cè)量。利用半導(dǎo)體激光的窄線寬，可調(diào)諧特性，通過掃描氣體的一條振轉(zhuǎn)吸收線實(shí)現(xiàn)氣體濃度的速檢測(cè)，避免了氣體取樣和其他氣體干擾。當(dāng)光束通過待測(cè)氣體后，測(cè)量透過的光信號(hào)可獲得完整的“單線吸收光

61、譜”信息。傳感器選擇的激光器波長與氧氣。的特征吸收譜線相匹配，此波長在近紅外760nm。</p><p>　　可調(diào)諧激光式氧傳感器的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波與正弦波的調(diào)制信號(hào)和鎖相放大器的正弦波參考信號(hào)；通過調(diào)節(jié)激光器的工作溫度和工作電流，將激光器的輸出波長固定在已選定的氣體吸收線附近；將調(diào)制信號(hào)輸入到控制激光器的電源上，使其產(chǎn)生調(diào)制光；經(jīng)調(diào)制的激光出射后進(jìn)入充滿一定濃度氧氣的多次反射池，氧氣吸收了特定波長(760n

62、m)的光強(qiáng)后，出射光通過聚焦透鏡由探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換為光電信號(hào)，然后再經(jīng)過鎖相放大器解調(diào)得到二次諧波信號(hào)。其中鎖相板主要利用波長調(diào)制技術(shù)來降低低頻噪聲的影響，提高系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。該信號(hào)的幅值與被測(cè)氣體的氧氣濃度成一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將其送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集處理，得到待測(cè)氧氣濃度。</p><p>　　由于采用的是精細(xì)光譜吸收技術(shù)，所以傳感器對(duì)氧氣的測(cè)量不受化學(xué)和干擾氣體的影響，傳感器具有較高的檢測(cè)精度。通過在傳感器中放

63、置溫度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)溫度的在線補(bǔ)充，在保護(hù)窗口和聚焦透鏡附近布置加熱電阻，可以防止結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生?？烧{(diào)諧激光式氧傳感器是一種比較高端的氧氣測(cè)量設(shè)備，具有很高的精度，穩(wěn)定性，抗干擾和環(huán)境適應(yīng)性，但這種氧傳感器制造成本較高，一般應(yīng)用在對(duì)測(cè)量要求比較高的場(chǎng)合。</p><p>　　第3章 氧化鋯控制器的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1氧化鋯智能控制器工作原理</p><

64、p>　　本設(shè)計(jì)選用TMS320LF2407為控制核心。首先，檢測(cè)器將氣體濃度信號(hào)及溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過前置放大電路后，再經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換變成DSP能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，送入TMS320LF2407中。外圍電路主要包括四個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、濃度顯示和按鍵處理、標(biāo)準(zhǔn)電流輸出、加熱控制。其硬件組成框圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1氧化鋯控制器的硬件組成框圖</p><p>　

65、　3.2 TMS320LF2407性能特點(diǎn)</p><p>　　在氧化鋯氧量儀的設(shè)計(jì)中，DSP是儀表的核心部件。它一方面接收氧濃度及溫度信號(hào)對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，另一方面要對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)操作，與此同時(shí)判斷是否收到了外部發(fā)射的中斷請(qǐng)求信號(hào)。DSP所實(shí)現(xiàn)的這眾多功能之中，在信號(hào)處理的這一個(gè)部分中對(duì)控制器提出了更多的要求，要求其速度更加迅速，這樣才能在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于氣體濃度的檢測(cè)做出更加快速，更加準(zhǔn)確

66、的檢測(cè)，并進(jìn)行及時(shí)的處理。同時(shí)我們要考慮研制同一個(gè)系類的低功耗芯片所相應(yīng)的低價(jià)實(shí)用的機(jī)型。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計(jì)選用美國TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407作為氧量儀的核心控制器。</p><p>　　TMS320LF2407是美國TI公司TMS320C2000系列產(chǎn)品，此芯片作為24X系列的新成員，具有低成本、低功耗、高性能的特點(diǎn)。TMS320LF2407采用144引腳TQFP四邊形封裝，采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)

67、構(gòu)，使數(shù)據(jù)處理能力大大增強(qiáng)。程序、數(shù)據(jù)空間的分離，使得可以同時(shí)執(zhí)行程序指令和數(shù)據(jù)的存取，并且具有極高的并行性。芯片TMS320LF2407作為本設(shè)計(jì)所選用的理想芯片，它具有有以下一些性能特點(diǎn)：</p><p>　?。?）采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的消耗。30MIPS的執(zhí)行速度，使指令周期縮短到33ns（30MHz），從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。</p>&

68、lt;p>　?。?）基于TMS320C2xxDSP的CPU核，保證TMS320LF2407代碼和TMS320C2xx系列其它的芯片代碼相兼容。</p><p>　?。?）片內(nèi)有高達(dá)32K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1.5K字節(jié)的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字節(jié)雙口RAM（DARAM）和2K字節(jié)的單口RAM（SARAM）。</p><p>　?。?）兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每

69、個(gè)都包括2個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位脈寬調(diào)制（PWM）通道，它們能夠?qū)崿F(xiàn)三相反相器,控制PWM的對(duì)稱和非對(duì)稱波形。</p><p>　?。?）可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192K字節(jié)空間，這包括64K字節(jié)的程序空間，64K字節(jié)的數(shù)據(jù)空間，64K字節(jié)的地址空間。</p><p>　　（6）10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)2個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器。<

70、/p><p>　?。?）控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）2.0B模塊。</p><p>　?。?）串行通信接口（SCI）模塊。</p><p>　　（9）16位串行外設(shè)（SPI）接口模塊。</p><p><b>　?。?0）通訊模塊</b></p><p>　　3.3智能控制器TMS320LF2407接口電

71、路</p><p>　　TMS320LF2407采用PQFP貼片式的封裝形式，有144個(gè)管腳。根據(jù)本設(shè)計(jì)工作的原理以及所實(shí)現(xiàn)的功能，其接口電路主要分為十個(gè)部分。</p><p><b>　?。?）復(fù)位模塊</b></p><p>　　復(fù)位操作可以使DSP初始化，也可以使死機(jī)狀態(tài)下的DSP重新啟動(dòng)，因此非常重要。TMS320LF2407A內(nèi)部帶有

72、復(fù)位電路，因此可以直接在RS復(fù)位引腳外面接一個(gè)上拉電阻即可，本設(shè)計(jì)為了調(diào)試方便采用了如圖3.2所示的復(fù)位電路。</p><p><b>　　圖3.2復(fù)位電路圖</b></p><p><b>　　（2）系統(tǒng)時(shí)鐘模塊</b></p><p>　　由圖可見，本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)有源晶體振蕩器與鎖相環(huán)相連接組成一個(gè)時(shí)鐘模塊，這里晶體

73、振蕩器采用的是低電壓（3.3V）供電。有源振蕩驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)，頻率范圍也較寬，在1Hz-400Hz之間。如圖3.3（a）</p><p>　　圖3.3（a）有源振蕩</p><p>　　由于采用了外部振蕩器獲取時(shí)鐘源，因此PLLF2和PLLF引腳的連接方法如圖3.3（b）</p><p>　　圖3.3（b）鎖相環(huán)連接</p><p><

74、b>　?。?）電源電路</b></p><p>　　電源電路的選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的部分，設(shè)計(jì)好壞對(duì)系統(tǒng)影響很大。電源供電為標(biāo)準(zhǔn)5V直流電流，而本設(shè)計(jì)所選用的TMS320LF2407為3.3V電源，因此必須進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。常見的3.3V電源設(shè)計(jì)方案有兩種，即線性調(diào)壓器和集成電源穩(wěn)壓電路，后者體積小、功耗低，可靠且效率高。本設(shè)計(jì)采用TI公司的TPS7333芯片，可以將5V直流輸入轉(zhuǎn)換成一路3.3

75、V固定電壓輸出，最大可提供500mA的輸出電流，能夠滿足一般功耗的需求。電源電路如圖3.4所示。</p><p><b>　　圖3.4電源電路</b></p><p>　?。?）存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊</p><p>　　盡管2407A片內(nèi)的FLASH可用作程序存儲(chǔ)器，但產(chǎn)品開發(fā)階段使用FLASH作為程序存儲(chǔ)區(qū)極為不便。從硬件調(diào)試的角度考慮，應(yīng)該至少擴(kuò)

76、展一片程序RAM，同時(shí)為了滿足系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)計(jì)算和交換的需要，擴(kuò)充外部RAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也是必不可少的。為此，擴(kuò)展一片IS61LV6416作為外部RAM（空間為64K字節(jié)）。將DSP的程序/數(shù)據(jù)時(shí)序控制總線PS/DS進(jìn)行邏輯與之后，連接至IS61LV6416的片選信號(hào)。連接如圖3.5。</p><p>　　圖3.5存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路</p><p>　?。?）檢測(cè)信號(hào)輸入模塊</p&g

77、t;<p>　　經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換后，從6N137出來的氧氣濃度和溫度信號(hào)接到EVA中的第37腳（TCLKINTA），從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的輸入。</p><p>　?。?）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出模塊</p><p>　　由TMS320LF2407的6腳（T4PWM）輸出一個(gè)與氣體濃度對(duì)應(yīng)的PWM波形，經(jīng)過RC低通濾波以及V/I轉(zhuǎn)換電路，輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，供遠(yuǎn)傳通信和實(shí)時(shí)控制。</

78、p><p><b>　?。?）顯示模塊</b></p><p>　　由TMS320LF2407的腳30（SPISIMO）、腳35（SPICLK）、腳33（IOPC5）三管腳與LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219相連即可完成顯示功能，節(jié)省了管腳。</p><p><b>　　（8）按鍵模塊</b></p><

79、p>　　由TMS320LF2407的腳73（IOPE0）、腳65（IOPE1）、腳62（IOPE2）、腳59（IOPE3）、腳55（IOPE4）、腳46（IOPE5）、38（IOPE6）引出3×4掃描鍵盤，完成參數(shù)的設(shè)置、修改和零點(diǎn)標(biāo)定。</p><p>　　（9）PWM溫控模塊</p><p>　　由TMS320LF2407的腳8（T3PWM）輸出的PWM波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱

80、器的控制。</p><p><b>　?。?0）通訊模塊</b></p><p>　　由TMS320LF2407的腳93（TX）和腳95(RX)與RS485通訊模塊的RX01，TX04相連接，實(shí)現(xiàn)通訊功能。連接如圖3.6</p><p>　　圖3.6 通訊電路模塊</p><p>　　3.3.1數(shù)據(jù)選擇通道</p&

81、gt;<p>　　本設(shè)計(jì)中需要采集氧電勢(shì)及熱電勢(shì)兩路信號(hào)，為了減少芯片，增強(qiáng)儀器的可靠性，本設(shè)計(jì)采用了多路模擬開關(guān)CD4051，CD4051是8選1多路模擬開關(guān)，它由邏輯電平轉(zhuǎn)換電路、8選1譯碼電路和8個(gè)CMOS開關(guān)單元三部分組成，它有三位二進(jìn)制地址輸入端A、B、C，其輸入電平與TTL兼容。INT是地址輸入禁止端，它為高電平時(shí)，地址輸入無效。連接如圖3.7所示</p><p>　　圖3.7 CD40

82、51連接電路</p><p>　　由于本系統(tǒng)只需要完成4路信號(hào)的選通，所以CD4051的三個(gè)通道選擇端A、B分別與DSP的I/O口IOPB0，IOPB1連接，C端與INH口均接地，由DSP的輸出信號(hào)控制哪個(gè)信號(hào)選通。 </p><p>　　3.3.2前置放大電路</p><p>　　氧電勢(shì)與氧濃度成對(duì)數(shù)關(guān)系，越接近測(cè)量上限，氧電勢(shì)變化就會(huì)越小，所以需要對(duì)氧電勢(shì)信號(hào)先

83、放大再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。雖然采用程控放大電路可以充分利用AD轉(zhuǎn)換的位數(shù)，但是由于程控放大電路需要串連電位計(jì)，而電位計(jì)又易損壞，所以為了簡化電路，降低成本，增加系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)仍采用固定倍數(shù)放大電路。</p><p>　　集成運(yùn)算放大器選用NS公司的低成本高速運(yùn)放OP07。OP07的特點(diǎn)是失調(diào)電壓小，溫度漂移極小，適用于弱信號(hào)放大。在本電路中運(yùn)算放大器的工作電壓為－15～＋15V，輸出電壓V0最大值取10V，考慮

84、到被測(cè)氣體氧濃度大于參比氣體氧濃度時(shí)，檢測(cè)器輸出的氧濃差電勢(shì)Em為負(fù)，而本底電勢(shì)E0亦可能為負(fù)值，不便進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所以在放大器輸入端加一偏置電壓，當(dāng)輸入電壓Vi＝0V時(shí)，輸出電壓V0＝1V。取放大倍數(shù)K＝50，則Vi＝－20～180mV時(shí)，V0＝0～10V，符合量程要求。放大電路如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8前置放大電路</p><p>　　3.3.3 V/F轉(zhuǎn)換電路&l

85、t;/p><p>　　在整個(gè)儀器的電路中，數(shù)據(jù)采集部分對(duì)整個(gè)儀器的性能起著重要作用。A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最重要的一環(huán)，A/D轉(zhuǎn)換器的性能直接影響到數(shù)據(jù)采集通道的性能。本系統(tǒng)中由于在測(cè)量上限時(shí)，氧的濃度從24.9到25.0氧電勢(shì)僅變化0.08570mV，放大50倍后為4.28mV。A/D采樣后應(yīng)能區(qū)分氧濃度變化0.1%時(shí)氧電勢(shì)的變化值，所以A/D的位數(shù)應(yīng)在12位以上。而傳統(tǒng)的多位并行A/D價(jià)格高，引腳多，所以為了

86、兼顧精度、線性和采樣速度，本設(shè)計(jì)選用V/F式轉(zhuǎn)換芯片。</p><p>　　AD654的作用是將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的頻率信號(hào)，與目前常用的逐次逼近型A/D相比，具有較高且可調(diào)的分辨率、較強(qiáng)的抗干擾能力和較遠(yuǎn)的信號(hào)傳輸距離。并且它還兼顧了精度、線性和采樣速度，因此儀器采用了高性能的電壓頻率轉(zhuǎn)換集成電路AD654作為數(shù)據(jù)采集的核心，由AD654構(gòu)成的V/F轉(zhuǎn)換電路，分別將鋯管和熱電偶的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信

87、號(hào)。</p><p>　　AD654供電電壓是（單極電源）5～36V或（雙極電源）±5～±18V，輸入電壓Vin的范圍是-VS～（+VS-4）伏（VS是芯片的供電電壓），輸入阻抗是250兆歐，輸出頻率的范圍是0～500KHZ。本采集器的工作電壓是單極電源5V，輸入電壓Vin是0～10 V。由于AD654的輸入阻抗是250兆歐，可以看成輸入阻抗是無窮大，因此可以不考慮與前續(xù)電路的阻抗匹配問題]。

88、如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.9 V/F轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　本系統(tǒng)中AD654選用的工作頻率范圍是0～200KHZ。系統(tǒng)的微處理器采用2407A，按DSP2407A的要求，其計(jì)數(shù)器的最高外接時(shí)鐘(TCLKINA)不得大于其工作頻率的1/4，可見0～200KHZ完全滿足要求。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要指標(biāo)是分辨率，此系統(tǒng)要求的分辨率是13位。為了達(dá)到13位的分辨率（即D=2

89、</p><p>　　13=8192），所以Ts=213/200000=41.0ms，取Ts=50ms。</p><p>　　由于此系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，存在著大量的電磁干擾，且頻率的變化較大，頻率較高，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，AD654的輸出接一光電隔離元件。由于系統(tǒng)的工作頻率較高，因此選用高速光耦元件6N137，而且通過它使系統(tǒng)的模擬部分和數(shù)字部分相互隔離，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力

90、。</p><p><b>　　3.3.4顯示電路</b></p><p>　　目前控制系統(tǒng)微型化的要求越來越高，為了使數(shù)字處理系統(tǒng)微型化，必須舍棄常用的并行總線接口方案，采用只需少量引腳線的串行總線接口方案。SPI就是這樣一種串行總線的外設(shè)接口，它只需3根引腳線便可與外設(shè)相接。SPI實(shí)際上是一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)，它是一種真正的同步方式，兩臺(tái)設(shè)備在同一個(gè)時(shí)鐘下工作，因此傳

91、輸速率高達(dá)幾十兆?，F(xiàn)在與SPI總線兼容的芯片越來越多，因此，SPI為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了很大方便。本文通過MAX7219驅(qū)動(dòng)LED顯示，這樣既簡化了硬件設(shè)計(jì)，又提高了代碼效率。</p><p>　　MAX7219是MAXIM公司生產(chǎn)的7段共陰極LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)芯片，每一片7219最多可驅(qū)動(dòng)8位LED，它集BCD碼譯碼器、多路掃描器、段驅(qū)動(dòng)和位驅(qū)動(dòng)電路于一體，內(nèi)含8×8位雙口靜態(tài)SRAM，可保存8位LE

92、D數(shù)據(jù)，使用方便，連線簡單，還可串聯(lián)使用，大大簡化了硬件電路，減小了軟件的工作量。MAX7219具有典型的三線串行接口，命令與數(shù)據(jù)組成16位字串，從DIN管腳進(jìn)入，從DOUT管腳輸出，當(dāng)每一個(gè)CLK脈沖上升沿到來時(shí)，串行數(shù)據(jù)從DIN管腳進(jìn)入MAX7219內(nèi)部移位寄存器，最先收到的是最高位，這便與SPI的數(shù)據(jù)輸出順序正好匹配了。第16個(gè)CLK上升沿，LOAD管腳若變?yōu)楦唠娖?，?shù)據(jù)就會(huì)被鎖存到內(nèi)部寄存器中，再過半個(gè)脈沖，數(shù)據(jù)在CLK下降沿從

93、DOUT管腳輸出。連接電路如圖3.10所示。</p><p>　　鍵盤由DSP管腳PE0-PE6引出3×4掃描鍵盤組成。完成參數(shù)的設(shè)置、修改和零點(diǎn)標(biāo)定。</p><p><b>　　圖3.10顯示電路</b></p><p>　　第4章 氧化鋯分析儀的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 DSP調(diào)試及開發(fā)工具&

94、lt;/p><p>　　嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)往往借助于開發(fā)系統(tǒng)工具，而各種開發(fā)系統(tǒng)一般都比待開發(fā)調(diào)試的嵌入式系統(tǒng)要復(fù)雜得多。TMS320LF2407的調(diào)試、開發(fā)工具由硬件和軟件兩部分組成，硬件只需一臺(tái)PC機(jī)、目標(biāo)板和一個(gè)JTAG控制器。</p><p>　　CCS（Code Composer Studio）是TI公司推出的用于DSP芯片的集成開發(fā)環(huán)境。CCS不僅包含代碼生成工具，具備基本調(diào)試功能，

95、而且具備實(shí)時(shí)分析能力。它能支持整個(gè)軟件的開發(fā)過程：方案設(shè)計(jì)、代碼生成調(diào)試、實(shí)時(shí)分析等。此外，CCS還具備擴(kuò)展結(jié)構(gòu)功能。CCS主要組件如下：</p><p>　?。?）集成開發(fā)環(huán)境Code Composer（編輯器、調(diào)試器、項(xiàng)目管理器、性能分析工具等）。其中，集成可視化代碼編輯器可直接編寫C、匯編、.H文件、.cmd文件等；基本調(diào)試工具可支持執(zhí)行代碼（.out文件）下載。</p><p>　

96、　（2）代碼生成工具。包括C編譯器、匯編優(yōu)化器、鏈接器等。</p><p>　　（3）指令及軟件仿真器Simulator。</p><p>　　（4）實(shí)時(shí)底層軟件DSP/BIOS。利用DSP/BIOS工具可增強(qiáng)對(duì)代碼的實(shí)時(shí)分析能力。</p><p>　　（5）實(shí)時(shí)分析和可視化工具。如：數(shù)據(jù)的圖形顯示工具，可繪制時(shí)域/頻域波形、眼圖，并具有自動(dòng)刷新功能。</p&

97、gt;<p>　　（6）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換工具RTDX。利用該技術(shù)可在不中斷目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)DSP與其它應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　可編程DSP開發(fā)步驟大體可分為代碼生成和代碼調(diào)試兩部分工作，其開發(fā)流程如下圖4.1所示：</p><p>　　圖4.1 DSP軟件開發(fā)流程圖</p><p>　　4.2氧化鋯氧量分析儀軟件流程及設(shè)計(jì)<

98、;/p><p>　　儀器的軟件主要包括兩部分：主程序模塊和中斷程序模塊。</p><p>　　4.2.1主程序流程圖及設(shè)計(jì)</p><p>　　主程序模塊：主要用于儀器的控制和管理。系統(tǒng)加電后，DSP自動(dòng)上電復(fù)位，開始運(yùn)行主程序。儀器首先顯示“01”“UUUU”，表示系統(tǒng)在進(jìn)行自檢。儀器不斷地讀取溫度測(cè)量中斷程序模塊，比較溫度是否達(dá)到700°C，直到達(dá)到要求時(shí)

99、為止，然后調(diào)氧勢(shì)測(cè)量中斷程序模塊完成氧濃度的測(cè)量顯示工作，儀器完成一個(gè)測(cè)量循環(huán)后，進(jìn)入待機(jī)低功耗工作狀態(tài)，等待下一工作過程。</p><p>　　中斷服務(wù)程序模塊：中斷程序模塊又由6個(gè)子程序模塊組成，分別為數(shù)據(jù)采集程序（A/D轉(zhuǎn)換）；數(shù)據(jù)處理程序；氧量、溫度計(jì)算程序；顯示程序；按鍵處理程序溫度控制程序；二→十進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序。由中斷程序完成V/F信號(hào)采集、放大器自動(dòng)校準(zhǔn)、氧量、溫度的計(jì)算及參數(shù)顯示。中斷程序模塊在運(yùn)行

100、時(shí)，首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行初始化設(shè)置，啟動(dòng)T1定時(shí)器（T1的定時(shí)時(shí)間為50ms）和T2計(jì)數(shù)器，由T2記錄V/F轉(zhuǎn)換輸出的脈沖數(shù)。數(shù)據(jù)分別采樣6次，根據(jù)數(shù)據(jù)處理程序利用數(shù)字濾波技術(shù)得出當(dāng)前的有效采樣值。讀取氧電勢(shì)及熱電勢(shì)；接著，判斷是否正在進(jìn)行氣體校正。若正在進(jìn)行氣體校正，則先進(jìn)行系統(tǒng)的自校正，修正參數(shù)，最后根據(jù)控制命令顯示這些參數(shù)，其中參數(shù)顯示采用了復(fù)用鍵，由軟件設(shè)計(jì)的奇偶次切換決定。若已完成了自校正工作，則繼續(xù)后續(xù)程序塊；調(diào)溫度計(jì)算程序計(jì)

101、算溫度值，進(jìn)行溫度顯示；調(diào)溫控程序進(jìn)行溫度控制，氧化鋯傳感器溫度控制在700°C左右，超過850°C，為保護(hù)傳感器不被損壞，應(yīng)報(bào)警指示，以便及時(shí)處理；調(diào)氧量計(jì)算程序計(jì)算氧量值，氧量計(jì)算程序采用分段線性查表法進(jìn)行氧電勢(shì)－氧量的轉(zhuǎn)化；進(jìn)行氧量顯示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)地顯示氧量值和溫度</p><p>　　圖4.2主程序流程圖</p><p><b>　　

102、數(shù)據(jù)處理模塊程序：</b></p><p>　　數(shù)據(jù)處理程序?qū)B續(xù)6次采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去掉最大值和最小值，計(jì)算中間四個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，作為Em，Et的值。在工業(yè)控制等應(yīng)用場(chǎng)合中，經(jīng)常會(huì)遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其它采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)相差比較大，如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計(jì)算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的采樣值的偏差。為此，可采取先對(duì)N個(gè)

103、數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計(jì)算剩下的N-2個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。它既可濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，N可取任何值，但為了加快測(cè)量計(jì)算速度，一般N不能太大，常取為6，即為3取1再平均值法，它具有計(jì)算方便、速度快、需存儲(chǔ)容量小等特點(diǎn)，故得到廣泛的用。</p><p>　　需要說明的是，儀器為防止誤操作，在氣體校正部分還具有簡單的密碼設(shè)置功能。

104、一旦設(shè)置密碼，再進(jìn)行參數(shù)修改時(shí)，必須首先輸入正確的密碼，否則系統(tǒng)不予以響應(yīng)。這樣能在一定程度上保證儀器參數(shù)的安全性。</p><p>　　4.2.2線性化處理子程序流程圖及設(shè)計(jì)</p><p>　　在DSP測(cè)控系統(tǒng)中，使用之前必須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定（校準(zhǔn)），以得到輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的關(guān)系—輸出曲線，用來作為使用過程中的計(jì)量依據(jù)。但是標(biāo)定時(shí)輸出曲線往往不是一條理想的直線，所以要對(duì)標(biāo)定曲線進(jìn)行線性化

105、處理，用一條擬合直線近似代替輸出曲線，線性化是智能儀表的典型功能之一。</p><p>　　公式（2-5）可以看出，電壓值與氣體濃度之間是非線性的關(guān)系，為了實(shí)時(shí)顯示氣體濃度，需要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。在誤差許可范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)定曲線形狀，把曲線分成21段，對(duì)每小段分別線性化。濃度0.1%LEL～25%LEL分成21段，如圖3-3所示。</p><p>　　0.1%～1%1%～2%</p&

106、gt;<p>　　2%～3%3%～4%</p><p>　　4%～5%5%～6%</p><p>　　6%～7%7%～8%</p><p>　　8%～9%9%～10%</p><p>　　10%～11%11%～12%</p><p>　　12%～13%13%～14%</p><p>

107、;　　14%～15%15%～16%</p><p>　　16%～17%17%～18%</p><p>　　18%～19%19%～20%</p><p>　　20%～21%21%～25% </p><p>　　圖4.3 DSP采集電壓值與氣體濃度關(guān)系折線圖</p><p>　　DSP經(jīng)6次采樣后，經(jīng)處理得到6個(gè)采樣值的一