氧传感器应用电路设计

摘 要 东北石油大学 课 程 设 计 2013年7 月 16日 任务书 课程 传感器课程 目 氧传感器应用电路设计 专业 测控技术与仪器 姓名 *** 学号 ************ 主要内容： 本文主要讲述基STC12C5A60S2单片机和LM358、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控制中心完成氧传感器输出信号的采集，氧传感器感应氧含量并输出信号，LM358实现信号处理，用LED指示灯显示表示当前的氧含量。 基本要求： 1、了解测试分析氧传感器的信号 2、能够处理氧传感器输出信号 3、STC12C5A60S2单片机的使用及其片内资源，能够使用片内AD模块资源 3、能够绘画电路原理图 4、能够C语言编程 主要参考资料： [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入门实用教程[M],北京:机械工业出版社,2011. [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.2005.1. [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,2010. 完成期限 2013.7.12—2013.7.16 指导教师 *** *** 专业负责人 **** 2013年 7 月 12 日 摘 要 本文主要讲述基STC12C5A60S2单片机和LM358、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控制中心的氧传感器系统。系统中采用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理，最终将结果输入单片机，在STC12C5A60S2单片机的控制下，用LED指示灯显示表示当前的氧含量，并在特定条件下使用蜂鸣器进行报警。 关键字：STC12C5A60S2单片机，氧传感器，LM358 目 录 TOC \o "1-2" \h \z \u 一 、设计要求 1 二、设计及其特点 1 1、方案说明 1 2、方案论证 2 三、传感器工作原理 2 四、电路的工作原理 4 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 5 1、单元电路设计 5 2、器件选择 8 系统需要的元器件清单 10 六、总结 10 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控制中心完成氧传感器输出信号的采集，氧传感器感应氧含量并输出信号，LM358实现信号处理，用LED指示灯显示表示当前的氧含量。 二、设计方案及其特点 1、方案说明 图2.1 系统方框图 1、硬件电路部分 ：（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； 1、硬件电路部分 ：（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； 2、软件编程部分：（1）、系统复位初始化；（2）、跳键设置与处理；（3）、AD采样处理；（4）、输出模块程序编写； 采用宏晶公司的STC89C52单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。 2、软件编程部分：（1）、系统复位初始化；（2）、跳键设置与处理；（3）、AD采样处理；（4）、输出模块程序编写； 2、方案论证 方案一：使用功能较为简单的AT89C51单片机作为控制器，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。其优点是价格便宜。但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单片机不可以ISP下载，下载仿真比较麻烦； 方案二：使用功能齐全的STC12C6A60S2单片机作为控制器，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，该系列芯片具有普通51单片机的所有共性，可以和AT89C51单片机完全兼容，同时可以ISP下载，下载仿真也很方便； 比较以上两种方案，根据我们设计的实际要求，需要AD转换，因此我们选择STC12C6A60S2单片机做为系统的核心控制芯片。 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，两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极。在一定温度下，由于两侧氧浓度不同，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1.0V左右的电动势；当空燃比等于14.7时，此时陶瓷管内外两侧产生的电动势为0.4V~0.5V， 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，所以产生电动势很低，接近为零。 图3.1 氧传感器 图3.2 氧传感器原理图 氧传感器是利用陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空燃比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。它是目前最佳的燃烧气分测量方式，具有结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便、测量准确等优点。运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量，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。其基本工作原理是：在一定条件下(高温和铂催化)，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，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实际上不含氧，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，两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)，这个电压信号被送到ECU放大处理，ECU把高电压信号看作浓混合气，而把低电压信号看作稀混合气。根据氧传感器的电压信号，电脑按照尽可能接近14.7：1的理论最佳空燃比来稀释或加浓混合气。因此氧传感器是电子控制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)其特性才能充分体现，才能输出电压。它在约800°C时，对混合气的变化反应最快，而在低温时这种特性会发生很大变化。 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很好的相关性。然而这个电压跟氧含量的关系并不是线性的。氧传感器在最佳空燃比附近最敏感（很小的空燃比变化便会产生很大的输出电压变化），而在空燃比过浓或过稀时不敏感。低电压对应高氧含量，所以0.1－0.4伏的电压输出表明稀混合比，而0.6－1.0伏代表浓混合比。当氧传感器输出电压为0.45伏的时候，空燃比最佳。 四、电路的工作原理 图4.1电路总图 系统使用STC12C6A60S2作为系统主控芯片，主要有传感器加热初始化、使用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指示做出相应控制。 跳键设置好之后，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，我们使用12V-2A电源适配器为单片机供电，在电源的输入端使用LM7805制作的5V系统稳压电源可以满足系统电源的使用，电路构造简单，处理输入电源的纹波，输出端根据负载使用470uF的电容可以满足输出电流的纹波滤除。其中D1为电源信号指示灯。 另外，我们使用PNP三极管驱动蜂鸣器报警。当单片机输出为低电平时，三级管导通，蜂鸣器发声报警。这样设计的原因在于，51系列单片机在复位时的电平输出为高电平，这样可以防止在单片机复位的时间里发出蜂鸣声。 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 1、单元电路设计 （1）电源电路设计 图5.1 电源电路设计图 方案在系统中，我们使用市场上的12V-2A电源适配器获取系统的电源，在电源的输入端使用LM7805制作的5V系统稳压电源可以满足系统电源的使用，电路构造简单，处理输入电源的纹波，输出端根据负载使用470uF的电容可以满足输出电流的纹波滤除。其中D1为电源信号指示灯。 （2）信号处理电路设计 在信号处理电路中，我们使用LM358芯片作为放大器对传感器传回的信号做放大处理。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，它的使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使用运算放大器的场合。经过LM358处理后得到稳定的信号送到单片机进行处理。 图5.2 传感器及信号处理电路 （3）跳键输入电路设计 图5.3 跳键输入电路图 （4）单片机最小系统 系统使用STC12C6A60S2作为系统主控芯片，主要有传感器加热初始化、使用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指示做出相应控制。跳键设置好之后，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5.4 单片机最小系统电路图 （5）显示电路及报警电路 图5.5 显示及报警电路原理图 为排阻控制流过LED的电流，保护LED和单片机，我们使用了PNP三极管驱动蜂鸣器报警。当单片机输出为低电平时，三级管导通，蜂鸣器发声报警。这样设计的原因在于，51系列单片机在复位时的电平输出为高电平，这样可以防止在单片机复位的时间里发出蜂鸣声。 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/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051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MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。 1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051； 2.工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V（3V单片机）； 3.工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通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1280字节RAM； 6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通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，每个I/O口驱动能力均可达到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），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片； 8.有EEPROM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电阻到地）； 11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%； 12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～15.5MHz，3.3V单片机为：8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准； 13.共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器； 14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/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， Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)； 16. PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）：可用来当2路D/A使用；可用来再实现2个定时器；也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)； 17.A/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，可再用定时器或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/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)； 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-48 I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接。 （2）LM358芯片 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，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。它的使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使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(±1.5 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Vcc-1.5V) 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，通过查阅各种相关的资料，终于对所需要使用的元件有所了解，并且正确的使用在电路中。氧传感器系统可以对所在环境的氧浓度进行检测，并把结果显示在LED屏幕上，在氧浓度达到一定值时还可以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，其广泛用于石油、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。氧传感器可以检测大气中的氧气含量，据此可以判断空气可燃性，是否危险等，可以检测相关的设备是否故障，气体是否泄漏等。可以说，氧传感器是现代工业中不可或缺的。 在本次设计中，我深深的到知识的重要性，许多书中的知识觉得熟悉，事实上并没有完全掌握，在需要的时候还要不断的翻书才能完成设计。同时，时间也是必不可少的，即使课本上的只是很全面，但是没有经过实践，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入门实用教程[M],北京:机械工业出版社,2011. [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.2005.1. [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,2010. 东北石油大学课程设计成绩评价表 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，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