（测试计量技术及仪器专业论文）烟气氧含量检测技术的研究.pdf

摘要 氧含量的检测在工业生产、环境保护等领域有着重要的意义。在石油、能源、 化工等领域，烟气中氧的含量可直接反应燃烧情况。根据烟气中的氧气含量来调 整燃料与空气的配比，可以起到保护环境、节约能源的作用。 本文设计并研制了一种基于能斯特方程的烟气氧量检测系统。阐述了烟气氧 量检测系统的硬件和软件设计。硬件设计部分以m s p 4 3 0 单片机为核心，主要包 括检测电路的设计。包括m s p 4 3 0 f 1 6 9 接口电路、热电偶信号前端处理电路、氧 化锆氧传感器信号前端处理电路、a d 转换电压基准电路、4 2 0 m a 标准信号输 出电路、温度控制电路、数据存储电路以及串口通讯电路共八个部分。软件设计 部分主要包括主程序设计和控温算法设计。开展的具体工作如下： l 、根据烟气氧含量检测的总体要求，选用氧化锆传感器，设计了检测电路，并 绘制硬件线路板； 2 、以功能丰富的m s p 4 3 0 单片机为中央控制单元，仅利用模糊控制算法，实现 了传感器温度的恒温控制，经实验验证，传感器温度可长期稳定在7 0 0 2 c 的 范围内； 3 、利用标准气体单元和传感器氧含量修正方程，对系统进行了参数校正，并利 用另一种浓度的标准气体对校正后的氧含量修正方程进行了检验，相对误差为 0 9 9 ，线性良好； 4 、利用单片机内部d a 转换器及外围v i 电路，实现了4 2 0 m a 标准工业控制 信号的输出以供其他仪表使用，输出电流的精度等级为5 0 级。 关键词：烟气氧含量氧化锆模糊算法恒温控制m s p 4 3 0 a b s t r a c t d e t e c t i n go x y g e nc o n t e n ti sv e r yi m p o r t a n ti nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i no i l ，e n e r g y , c h e m i c a la n dm a n yo t h e ra r e a s ，t h e o x y g e nc o n t e n to ft h ef l u eg a sc a nd i r e c t l yr e f l e c tt h ec o m b u s t i o nc o n d i t i o n s t h ed e s i g no fo x y g e nc o n t e n td e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nt h en e r n s te q u a t i o ni s i n t r o d u c e d t h e p a p e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fo x y g e n d e t e c t i n gs y s t e m i nt h ep a r to fh a r d w a r e ，t h i sd e s i g nu s e sm s p 4 3 0 f 16 9a st h ec p u t h i sp a r tm a i n l yi n t r o d u c e sd e t e c t i n gc i r c u i tw h i c hm a i n l yc o n t a i n st h em s p 4 3 0 f16 9 i n t e r f a c ec i r c u i t ，t h et h e r m o c o u p l ep r o c e s s i n gc i r c u i t ，t h ez i r c o n i as e n s o rp r o c e s s i n g c i r c u i t ，t h ev o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t ，4 - 2 0 m as t a n d a r ds i g n a lo u t p u tc i r c u i t ，t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t ，d a t as t o r a g ec i r c u i ta n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n c i r c u i t i nt h ep a r to fs o f t w a r e ，t h em a i np r o g r a ma n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o la l g o r i t h ma r e i n t r o d u c e d t h ew o r ka c c o m p l i s h e di ss h o w na sb e l l o w ： 1 t h ez i r c o n i ao x y g e ns e n s o ri su s e da n dt h ed e t e c t i n gc i r c u i ti sd e s i g n e do nt h e b a s i so fo x y g e nd e t e c t i n gr e q u i r e m e n t s ，a n dt h ep c bd e s i g ni sc o m p l e t e d ； 2 m s p 4 3 0i su s e da st h ec e n t r a lc o n t r o lu n i t 。t h et e m p e r a t u r eo ft h es e n s o ri s m a d ec o n s t a n tb yu s i n gf u z z yc o n t r o la l g o r i t h mo n l y , t h u st h ec o n t r o lp r o c e s si s s i m p l i f i e d i nt h i se x p e r i m e n t ，t h et e m p e r a t u r eo ft h es e n s o rc a nb ek e ：p ti nar a n g eo f 7 0 0 - a ：2 1 2 ； 3 s t a n d a r dg a si su s e dt oc a l i b r a t et h es y s t e mb a s e do nt h es e n s o rc o r r e c t i n g e q u a t i o n ，a n o t h e rs t a n d a r dg a si su s e dt oi n s p e c tt h ee q u a t i o n ，t h er e l a t i v ee r r o ri s - 0 9 9 ，t h eo x y g e nc o n t e n tm o d i f i e de q u m i o nh a sag o o di i n e a r i t y ； 4 t h e4 2 0 m as t a n d a r ds i g n a li so u t p u tb a s e do nt h ed ac o v e t e ra n dv ic i r c u i t ， a n dt h ea c c u r a c yg r a d ei sg r a d e5 k e yw o r d s ：f l u eg a s ，o x y g e nc o n t e n t ，z i r c o n i a ，f u z z yc o n t r o l ，c o n s t a n t t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，m s p 4 3 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：簪，细签字日期： 仍。7 年6 月中日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：豫 导师签名： 签字日期：u 1 ) ( 7 年彭月中日 签字日期： 驴日 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 氧不仅与人的生存息息相关，而且也是与化学、生物反应以及物理现象关系 最密切的一种化学元素，无论是在工业、农业、能源交通、医疗、生态环境等各 个方面，还是在日常生活中，氧是需要控制与检测最多的一种物质元素【l 】。 在工业领域，燃烧工业锅炉最佳送风量的控制是工业锅炉一个非常重要的问 题。送风量太小，会使燃料燃烧不充分，产生大量的一氧化碳，污染环境，同时 还使燃烧效率降低；送风量过大，不但会使排烟热损失增加，增大锅炉煤耗，而 且因为锅炉炉膛内氧含量的增加，排烟中硫化物和氮氧化物的含量增加，加大了 省煤器和烟道的腐蚀，缩短了它们的寿命，加剧了环境的污染。因此工业锅炉最 佳送风量的控制一直是工业锅炉工作者探索和研究的问题。由于工业锅炉是动态 运行的，当锅炉的负荷或燃料发生变化时，运行人员必须及时调整送风量，使燃 烧过程继续保持在最佳过量空气系数下进行，以保证获得较高的燃烧效率。然而， 对于人工调整送风量来说，特别是对于没有烟气分析设备的工业锅炉，仅通过对 火焰及排烟的颜色来判断空气过量系数，不可能获得最佳过量空气系数。把氧传 感器和计算机技术结合起来应用到工业锅炉，就可以获得最佳过量空气系数和实 现最佳经济运行。 测量烟气中的残氧含量，通过自动控制设备对氧量的变化迅速做出响应，调 节燃烧状态从而合理组织燃烧，是提高燃烧效率最有效的方法之一。氧化锆氧传 感器能在各种高温环境下使用，具有灵敏度高、响应快、信号易于处理的优点， 在工业、农业、医学和环境等领域具有广泛的应用1 2 j 。传统的基于氧化锆传感器 的氧量分析仪，在控温部分均不同程度地使用了p i d 算法，这就需要在实验中不 断调整各项参数1 3 j 。本文采用模糊控制算法实现了传感器工作温度的恒温控制， 省去了传统p i d 控制算法中调整参数的过程，简化了控制流程。给出了氧含量修 正方程，并对其进行了验证。 1 2 国内外研究现状 氧传感器的类型多种多样。在设计时， 等因素考虑，选用合适的氧传感器。目前， 需要根据设计要求及使用环境、性能 国内外氧量分析仪表按照测量原理划 第一章绪论 分主要有以下几种【4 j 。 ( 1 ) 磁压式氧传感器1 5 】：测量精度高，既可进行常规的氧含量测量，又可以 测量微量氧含量；不受样气的导热性能、密度等变化的影响：在0 1 0 0 范围内 线性刻度，可以制成多种量程的氧分析仪；仪器校验方便，用n 2 和空气两点校 验即可；不受h 2 等导热系数高的背景气体的影响，响应速度快，随安装没有严 格的要求；为防止n o 产生干扰，需要将背景气体中的n o 去除掉；样气流量的 变化、环境温度的变化、仪器的振动均会产生误差，因此要采用恒温、防振和恒 定流量的措施。 ( 2 ) 热磁式氧传感器：不需要参比气，无可动部件，敏感元件耐腐蚀。它 的测量范围为固定量程的百分氧含量，一般在0 1 0 2 到0 2 1 0 2 。被测样气中 非测量组分的任何变化，都会引起气体的密度、导热系数及温度的变化，从而影 响示值。所以它不适用于背景气体成分复杂、变化范围宽的混合气体分析。使用 该方法的优点是技术成熟，传感器在使用过程中无损耗，测氧设备能够长期连续 运行，具有较高的使用寿命。 ( 3 ) 电化学式氧传感器：择性好，灵敏度高，适合微量氧的连续测定。例 如用于制氧系统中产品氮或产品氩中微量氧的测量。但是电化学传感器存在着如 下问题：在正常情况下，气候条件的变化( 温度、湿度和气压的波动) 会对氧传感 器性能的稳定性产生不同程度的影响；电化学氧传感器的可靠性偏低；由于残余 电流的影响，需要定期使用高纯度氮气或氨气校正残余电流。 ( 4 ) 光纤氧传感器：工作时不产生电磁干扰，本身不易受电磁干扰，可在 高温、高压和化学反应条件下工作；光纤材料无毒、生物兼容性好；可连续监测； 不需要参比信号，简单、可靠、使用方便。光纤传感器技术的结构已经得到很好 的确立，但为适应实际应用的要求，还需要解决一系列的问趔酬。 ( 5 ) 氧化锆氧传感器：能在各种高温环境下使用，具有灵敏度高、响应快、 信号易于处理的优点，在工业、农业、医学和环境等领域具有广泛的应用。尤其 是在各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的控制领域中的应用尤为广泛 7 1 。比如 汽车尾气检测瞵j 由于电化学式氧传感器只适用于微量氧的测量，所以不能用作烟气分析仪 表。热磁式氧传感器反应速度慢，容易堵塞，腐蚀严重；磁压式氧传感器磁压与 氧量的关系特性又因燃料的不同分散性较大，因此逐渐被淘汰；光纤传感器目前 还不成熟；用氧化锆元件测量氧含量是近十几年来发展起来的项新技术，而且 应用比较广泛。 1 9 6 1 年，j w e i s s b a r t 和r r u k a 研制成功第一个氧化锆浓差测氧仪。七十年 代初出现商用氧化锆探头，自此，德国、日本、美国等国都进行了深入的研究和 第一章绪论 产品开发工作。到七十年代中期氧探头的理论和实践已趋成熟，开发出了多种 结构形式的氧探头。在国内外众多的氧化锫氧量分析仪生产商中，德国的安诺奉 克公司的技术展为先进，产品质量最好，拥有最广泛的客户。 安诺泰克公司生产的氧量分析仪的技术指标如下： 铡量极限为i p p m ；测量精度为测量值的o2 ；4 - 一2 0 m a 电流信号最大负载 为5 0 0 欧姆；控温精度为士02 5 。 氧化锆氧量仪作为一种新型的烟气分析仪表，近年来在我国发展很快，有众 多的仪器仪表公司和研究所，如中科院长春应用化学研究所、北京英博以搜杭州 聚光等，都在研究生产。其中z o 系列氧化锆氧量仪是其中性能较好、应用较为 广泛的一种，如图】所示。 图i 1z o 系列氧化锆探头 北京英博生产的y b 8 8 氧量分析仪的技术指标如下： 最大测量范围为0 2 5 ；可输出4 2 0 m a 标准电流信号；控温精度为l ； 准确度小于满量程的2 。 氧化锆氧量仪由氧传感器和信号变送器两部分组成。早期的氧量变送器由模 拟电路组成，包括高阻抗变送器，温度变换级，倒向器和线性化电路等几部分， 将氧电势信号进行反对数运算并线性化，输出标准工业控制信号。随着单片机技 术的发展，以单片机为控制核一t l , 的数字式变送器逐步取代了老的模拟式变送器， 氧量变送器朝着智能化、小型化、模块化方向发展。其不仅可咀实现氧电势的快 速转换，还能实现氧化锆探头的温度控制，提高检测精度，延长探头的使用寿命， 经过软件优化的信号控制器可以对仪表进行自校正，消除放大器的漂移误差及探 头的老化误差，大大提高了仪表的检测精度。本文应用具有丰富片上资源的 m s p 4 3 0 单片机，以求达到更好的测量效果。由于烟气中的氧含量一般为3 q ， 空气的氧含量为2 06 左右所咀本设计的目标是：测量范围为l 2 1 ，测量精 度为满量程的1 。 1 3 主要完成的任务 本文主要完成的任务有：( 1 ) 基于氧化锆氧含量传感器，以m s p 4 3 0 单片机 第一章绪论 为核心，设计温度检测电路、控温电路以及氧电势采集电路，组建烟气含氧量在 线检测系统。( 2 ) 采用模糊控制算法实现传感器工作温度的恒温控制，省去了传 统p i d 控制算法中在线调整参数的过程，简化了控制流程。( 3 ) 利用标准气体和 传感器氧含量修正方程，对检测系统进行检定。 4 第二章氧化锆氧传感器的测量原理 第二章氧化锆氧传感器的测量原理 2 1 氧化锆氧传感器简介 氧化锆传感器正常工作的必要条件有p j ： ( 1 ) 工作温度要恒定，传感器要有温度调节的环节，工作温度，的变化直 接影响氧浓差电势e 的大小，传感器还要有温度补偿环节， ( 2 ) 必须要有参比气体参比气体的氧含量要稳定不变。二者氧含量差别 越大，传感器灵敏度越高。例如用氧化锆传感器分析烟气的氧含量时，以空气为 参比气体时，被测气体氧含量为3 州，传感器可以有几十毫伏的输出。 ( 3 ) 参比气体与被测气体压力应该相等。 氧化锆传感器的工作温度为6 5 8 5 0 之间。所咀在氧化锫管的外围装有加 热电阻丝，管内部还装有热电偶，用来检测管内温度，并通过温度控制器调整加 热功率，使氧化锆的温度恒定l 。目前国内外的自温式氧化锫氧传感器一般都集 成有热电阻丝和热电偶，可以分别用于氧传感器的加热及其工作温度的检测。集 成性好。接线简单。 与其它气体分析仪器相比，最大的优势在于氧化锆传感器探头可以直接插入 烟道中进行测量，不需要复杂的采样和预处理系统，减少了仪器的维修工作量- i “。 因此在近2 0 年来，在石化、电力、冶金、轻工等许多行业测量各种加热炉、锅 炉和焙烧炉等烟气含氧量中得到了广泛的应用。图2 一i 为本项目用到的氧化锆氧 传感器。 圈2 - 1 氧化镑氧传感器 第二章氧化锆氧传感器的测量原理 2 2 氧化锆氧传感器的测氧原理 2 2 1 氧化锆材料的导电性 氧化锆材料是一种应用较广，技术较成熟的测氧元件。由氧化锆材料制成的 氧量仪在石化、电力、冶金、轻工等许多行业中得到广泛应用。氧化锆( z r 0 2 ) 是 一种金属氧化物陶瓷材料，在常温下它具有单斜晶体结构；当温度升高至1 5 0 0 时，晶体排列由单斜晶体变为立方晶体，同时约有7 的体积收缩；当温度降低 时，发生反方向相变又成为单斜晶体。氧化锆晶体随湿度变化，是不稳定的，经 过反复加热和冷却，氧化锆就会断裂。因此，纯净的氧化锆不能用作测量元件。 如果在氧化锆中掺入少量( 1 2 - - 1 5 ) 的氧化钙( c a o ) 等稀土氧化物作稳定剂， 再经过高温焙烧，其晶型变成不随温度而变化的稳定莹石型立方晶体，是一种稳 定的氧化锆材料。由于钙化合价与锆不同，在晶体中将产生一些氧离子空穴。如 一个氧化钙分子取代了一个氧化锆分子，钙离子只与一个氧离子结合，晶格中留 下一个氧离子空穴，如图2 2 所示。这种有氧离子空穴的氧化锆材料在6 0 0 8 0 0 温度时 图2 - 2 掺杂有氧化钙的氧化锆产生氧离子空穴示意图 2 2 2 氧浓差电池原理 应用氧化锆固体电解质测量氧量时，一般做成圆管状，在管的内、外壁表 面分别烧结上一层长约2 0 m m 的多孔铂金属( 尸f ) 作为电极，并用直径为0 5 m m 的铂丝作为内、外电极引线| 1 5 】，其结构如图2 3 所示。 6 第二章氧化锆氧传感器的测量原理 ab 图2 - 3 氧化锆管结构 a 掺杂氧化钙的氧化锆材料；b ，c 铂电极；d 习i 线 测量时管内通入空气( 参比气体) ， 属铂( r ) 吸附，并且在其催化作用下， d 管外走烟气。这时两侧气体中的氧被金 都有得到电子成为氧离子02 进入氧化 锆离子空穴中去的趋向，而在金属铂( p t ) 表面上留下过剩的正电荷的同时，氧 化锆中的氧离子0 2 也有失去电子成为氧分子，回到空气或烟气中的趋向。当固 体电解质( z r 0 2 ) 中氧离子浓度一定时，气体的氧分子浓度越大，这种趋向越大。 当这两种以相反方向进行的过程最后达到动态平衡时，金属铂( p t ) 带正电而氧 化锆带负电，两者之间具有静电吸引作用，这种作用不是均匀地分布在氧化锆固 体电解质中，而是较多的氧离子聚集在铂金属( p t ) 附近，形成双电层( 如图2 4 所示) 。在金属铂和氧化锆之间产生电位差，该电位差称作电极电位。设空气和 烟气中氧的容积含量分别为，切和a ，上述过程可用电极反应式表示。即 空气侧：d ，( p 。) + 4 p 付2 d 2 一 烟气侧：0 2 ( p ，) + 4 p 付2 0 2 一 铂申极 t 烟气 图2 - 4 氧浓差电池原理 第二章氧化锆氧传感器的测量原理 电极电位的大小不仅取决于组成电极的物质本性，而且与物质温度、离子及 浓度等因素有关。由于空气中氧分子浓度大于烟气中氧分子浓度( 即p 口 a ) ， 空气一侧铂电极电位大于烟气一侧铂电极电位，两极之间产生了电位差。当两个 电极用导线连接起来时，导线内就有电流流过，构成氧浓差电池，如图2 3 所示。 p t ( 砌) 为正极，p t ( a ) 为负极，电流流动方向由正极流向负极。 由于大量的正电荷通过导线由正极流向负极，使正极正电荷减少，负极正电 荷增多，即破坏了正负电极的正逆反应平衡，导致空气侧将有更多的氧分子变成 氧离子02 进入氧化锆中，即反应0 2 ( 尸口) “e 0 2 - 力口剧，而氧化锆中将有更多 的氧离子0 2 失去电子变成氧分子o2 进入烟气中，即负极反应2 02 一一“e 加强。 只要氧化锆管内外存在氧浓差，上述反应就继续进行，从而维持电极之间的电位 差，该电位差称作氧浓差电动势( 简称浓差电势) 。 2 2 3 能斯特方程 宏观上，氧浓差电池总反应效果是含氧量高一侧的氧气通过氧离子的方式向 含氧量低一侧移动。氧浓差电势可由能提特( n e m s t ) 公式计算【1 5 】，即： e ：丝l n 丝( 2 1 ) 4 f p x 式中，卜氧浓差电势( m v ) ； 卜理想气体常数( 8 3 1 4 j m o l k ) ； 卜工作温度( k ) ； 卜法拉第常数( 9 6 5 0 0 c m 0 1 ) ； p 口一参比气体氧的容积含量，( 一般取空气为参比气体，p a 取2 0 6 ) ； 段一被测气体氧的容积含量。 令： s o = r t 4 f ( 2 2 ) 将式( 2 - 2 ) 代入式( 2 - 1 ) 可得： e ：s 。i n 丝 ( 2 3 ) 、px 由式( 2 3 ) 可知，氧浓差电池的温度r 一旦选定，其岛值是一个常数，只 要测得氧电池电势便可由式( 2 3 ) 求得待测氧含量值( ) ： f p x = p a xe x p ( - ) ( 2 - 4 ) 第三章氧传感器检测电路设计 第三章氧传感器检测电路设计 烟气氧含量检测电路主要由以下几部分组成：单片机的接口电路、传感器的 模拟前端电路、a d 转换电压基准电路、4 - 2 0 m a 标准信号输出电路、温度控制 电路、数据存储电路以及串口通讯电路。 3 1 系统工作原理 控制电路设计选用m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机为核心。系统组成框图如图3 1 所示。 首先，热电偶检测温度信号，并将其送入单片机中。单片机根据温度值与设定值 的偏差和偏差变化的速率来调节输出方波的占空比，将该方波作用于外围控温电 路，从而达到调节加热功率的目的。当温度上升到一定温度并且稳定后，即可对 氧电势信号进行采集。 3 2m s p 4 3 0 f 1 6 9 性能特点 图3 1 系统组成框图 在氧含量检测仪表中，单片机是核心器件。它一方面接收传感器送来的模拟 信号，并对其进行判断、处理。另一方面要输出一个相应的控制量，使传感器工 9 第三章氧传感器检测电路设计 作温度保持恒定。最后单片机还负责与上位机以及其他外接工业仪表的通信。 m s p 4 3 0 f 1 6 9 是美国t i 公司m s p 4 3 0 x 1 6 x x 系列产品之一。此芯片采用6 4 引脚p l a s t i cq u a df l a tp a c k ( q f p ) 和q u a df l a tn o n 1 e a d e dp a c k a g e ( q f n ) 两种封 装。采用冯诺依曼存储器结构。m s p 4 3 0 f 1 6 9 作为本设计所选用的芯片有以 下性能特点【1 6 】： ( 1 ) 供电范围为1 8 v 3 6 v 以及超低功耗，减小了单片机的能耗。 ( 2 ) 6 微秒内从等待状态唤醒；1 6 位精简指令结构，1 2 5 纳秒指令周期时 间，提高了单片机的实时控制能力。 ( 3 ) 片内有高达6 0 k b + 2 5 6 b 的f l a s h 存储器以及2 k b 的r a m 。 ( 4 ) 2 个1 6 位定时器，均可工作在p w m 模式。 ( 5 ) 看门狗( w d t ) 定时器模块。 ( 6 ) 具有内部参考电平、采样保持和自动扫描特性的8 通道1 2 位a d 转 换器。 ( 7 ) 2 个串行通讯接口( u s a r t ) ，其中u s a i 玎l 具有异步u a r t 或者同 步s p i 接口的功能；u s a r t 0 具有异步u a r t 或者同步s p i 或者1 2 c 接口。可以 方便地实现与外部器件的通信。 ( 8 ) 同步的两个1 2 位d a 转换器，无需外接d a 器件即可得到模拟电压 输。 ( 9 ) 具有可编程电平检测的供电电压管理器监视器。 3 3 检测电路设计 3 3 1m s p 4 3 0 f 1 6 9 接口电路设计 m s p 4 3 0 f 1 6 9 为6 4 引脚，本设计采用q f p 封装类型芯片。根据本设计的原 理及要实现的功能，单片机的接口电路可分为如下几个部分。 1 0 第三章氧传感器检测电路设计 图3 2m s p 4 3 0 f 1 6 9 接口电路图 l 、电源模块 由于使用的外部电源模块为1 5 v 电源，为了防止电源器件功耗过大，引起 器件发热。本设计使用固定三端稳压器件l m 7 8 0 8 ，以及可调三端稳压器件 l m 3 1 7 ，将其电压转换为3 5 v ，为单片机和外部a d 基准芯片供电。 u 4 7 戤8 图3 - 3 ( a ) 电源模块l m 7 8 0 8 u 第三章氧传感器检测电路设计 图3 3c b ) 电源模块l m 3 1 7 2 、时钟模块 本设计选用3 2 7 6 8 h z 晶振，对于m s p 4 3 0 x l x 系列单片机而言，3 2 7 6 8 h z 晶 振无需外接电容即可工作。所以将晶振引脚直接连接到单片机相应管脚即可。 3 、复位模块 复位操作可使单片机初始化，也可使死机状态下的单片机重新启动。 3 3 t - z u 3 9 r 2 5 显| 11 2 0 k i i爿富i s w d i p - 2 图3 - 4 复位电路 4 、检测信号输入模块 传感器信号经前端模拟电路处理后，送入单片机的内部a d ，从而实现检测 信号的输入。 5 、a d 电压基准模块 将一个精密电压加在m s p 4 3 0 f 1 6 9 的1 0 脚( v e r e f + ) ，即可为单片机的内 部a d 转换器提供一个基准电压。 6 、控制信号输出模块 由m s p 4 3 0 f 1 6 9 的1 8 脚( t a l ) 输出一个与温度偏差以及温度偏差变化率 相对应的p w m 波形，送入外部控温电路，从而实现恒温控制。 第三章氧传感器检测电路设计 7 、标准信号输出模块 由m s p 4 3 0 f 1 6 9 的6 脚( d a c 0 ) 输出一个与氧含量对应的电压，经外部 v i 转换电路，输出4 - , 2 0 m a 标准信号，供远传通信和实施控制。 8 、串口通讯模块 由m s p 4 3 0 f i6 9 的3 3 脚( u d o ) 、3 2 脚( u t x d 0 ) 与通讯模块连接，实 现与上位机的通讯。 9 、数据存储模块 由m s p 4 3 0 f 1 6 9 的的2 9 脚( s d a ) 、3 1 脚( s c l ) 与数据存储模块连接， 实现对外围存储器件的读写。由于已经将u s a r t 0 用作u a r t 模式，为了提高 程序可靠性，此时采用i o 口线模拟1 2 c 协议对e e p r o m 进行读写。 3 3 2 热电偶前端电路 热电偶是用来检测传感器工作温度的，这是因为氧电势实际上也是跟传感器 温度有关的。那么，我们就首先来分析一下温度误差对测量仪器误差的影响。 控制浓差电池的温度为定值温度t 磊，或者记为丁( 1 s r ) ，其中 唧= 磊t 。磊称为温度的绝对误差，i - k r 称为温度的相对误差。下面对温 度误差的选择进行讨论： 根据式( 2 1 ) 可得： 堡：一r - 一e a i n ( 3 1 ) 一= k j j 取近似条件( 用差分代替微分) 后可得： a e ：r a t1 ne a ( 3 2 ) 将唧= a t t 和s o = r t 4 f 代入上式得： 丝即讪尝 ( 3 - 3 ) 令仪器的相对误差为占丹，1 1 0 f 段：等：( p 警一1 ) ( 3 - 3 ) f 段2 百5 ( p “一1 ) 3 3 ) 将上式泰勒展开，并取一次近似后得： g h ：一a e ( 3 4 ) g 段2 一- ( 3 4 ) 由式( 3 2 ) 和式( 3 4 ) 可以推导出温度的相对误差和测量相对误差的关系： 占p ，：垒：丝 1 n p a( 3 5 ) 2 嵩一一s o - - - - - 一c t1 n p x ( 3 。5 ) 第三章氧传感器检测电路设计 即： 鄢e 7 = - i n p a p x ( 3 - 6 ) 负号表示仪器测量结果随着温度的减小而偏高。 例如：当定值温度为7 0 0 ，温度误差为2 时，采用空气参比，对1 和 2 0 的氧含量测量带来的误差分别为： 嘣1 蚴= 而五2 丽l n 半o 6 占 ( 2 0 0 z ) = 而丽2 l n 等= 0 0 0 6 由此可见，当定值温度为7 0 0 * ( 2 时，如果能够保证控温精度为4 - 2 ，就可 以忽略由温度误差给氧含量测量带来的误差。 本设计选用的传感器内部集成有k 型热电偶，用来检测传感器的工作温度。 热电偶前端电路放大倍数的选取要满足两个要求：精度和量程。首先考虑精度要 求：k 型热电偶在很大范围都具有较好的线性，温度每变化1 ，电压变化约为 4 0 州。因为m s p 4 3 0 系列单片机内部l2 位a d c 的总不可调整误差典型值为2 个l s b ，最大值为5 个l s b 。这里取最坏情况考虑，即认为a d c 总不可调整 误差为5 个l s b 。单片机内部a d c 的参考为3 3 v ，所以其分辨力为 3 3 v 5 4 0 9 5 4 o m v 。如果要保证1 的分辨力，放大电路的放大倍数应不小 于4 0 m v 4 0 “v = 1 0 0 。然后再考虑量程要求：因为k 型热电偶在7 0 0 时的输出 电压约为2 9 m v ，为了不超出量程，放大电路的放大倍数应不大于 3 3 v 2 9 m v = l1 4 。综合上述两种情况考虑，可以将放大倍数取为1 0 5 ，此时无论 对于精度还是量程的要求均可满足。 由于热电偶会产生与测温点和基准接点之间的温差成比例的热电动势【1 9 】，因 此需要在基准接点加上一个室温补偿电压，使两接点间的温差热电动势仍保持在 基准接点为0 c 时的数值。在本设计中选用集成温度传感器a d 5 9 0 作为室温补 偿元件18 1 。其输出电流，与温度丁的关系为 i = ( 2 7 3 2 + t ) u a ( 3 7 ) 设a d 5 9 0 的负载电阻为r ，则a d 5 9 0 输出的补偿电压就可以表示为 圪d 5 9 0 = ( 2 7 3 2 + r ) 尺( y ) ( 3 8 ) k 型热电偶电势输出为 = 口( 乃一瓦) ( 甜矿) ( 3 9 ) 式中： 乃熟端温度 靠冷端温度( 即室温) a 一温度电压转换系数，常温下o 【二4 0 4 4 p v l c 。 1 4 第三章氧传感器检测电路设计 经过补偿后的电压变为 圪= + 呢d 5 9 0 ( 3 1 0 ) 即 = 口( 乃一疋) 】+ ( 2 7 3 2 + 疋) r u v ( 3 1 1 ) 为消除室温影响，即消除上式中的，可取r = 4 0 4 4 欧姆，则式( 3 1 1 ) 可 转换为 ( 4 0 4 4 x 1 0 - 3 乃+ 11 0 5 ) m v ( 3 1 2 ) 由上式可见，由于a d 5 9 0 的引入，会带来额外的1 1 0 5 m v 的电压常量。要 想使最终输出电压与温度成正比关系，就需要消除掉该电压常量消除掉。这可以 通过在a d 6 2 0 反相输入端接1 1 0 5 m v 的补偿电压来实现。 选用a d 6 2 0 作为放大电路的核心器件。a d i 公司生产的a d 6 2 0 是一种高精 度仪表放大器，它只需接一个外接电阻，即可设置大范围增益( 1 1 0 0 0 ) 。a d 6 2 0 与分离元件组成的仪表放大器相比，具有体积小、功耗低、精度高等优点。多年 来，a d 6 2 0 已经成为工业标准的高性能、低成本的仪表放大器。a d 6 2 0 是一种 完整的单片仪表放大器，提供8 引脚d i p 和s o i c 两种封装。a d 6 2 0 a 级器件的 输入失调电压典型值为3 0 t a v ，输入失调漂移为1 0 p v ，输入偏置电流为2 0 n a ， 共模抑制比为输入电压噪声为9 n v h z ，a d 6 2 0 的输出电压可以表示为 ：( 1 4 4 9 了4 k q ) ( + 一一) + ( 3 1 3 ) 式中： r 广增益调节电阻5 + 同相输入端电压； 反相输入端电压； e 广- 参考端电压。 补偿电压通过电压基准芯片配合电阻分压的方式得到，电压基准芯片选用 m c l 4 0 3 。由于a d 6 2 0 输入端具有很高的输入阻抗，可以直接将补偿电压送入 a d 6 2 0 的反相输入端。放大电路如图3 5 所示。 第三章氧传感器检测电路设计 0h乞 图3 5 热电偶信号前端电路 3 3 3 氧化锆前端电路 由能斯特方程可知，氧电势与氧含量成对数关系。氧传感器的灵敏度品为： 彳fc s 。= 竺= 坐 ( 3 1 4 ) 6 d pp 由式( 3 1 4 ) 可知，越接近测量上限，氧电势变化就会越小。 在氧电势的前端电路中，同样选用a d 6 2 0 作为核心器件。如果定值温度取 为7 0 0 c ，那么传感器在氧含量为l 时的输出约为6 3 4 m v ，则放大电路的放大 倍数最大可取为3 3 v 6 3 4 m v 5 2 1 。由于系统在接近测量上限时，氧含量由 2 l 到2 1 2 ，氧电势仅变化约为0 2 m v ( 7 0 0 时) ，为保证0 2 的分辨力，则 放大电路的放大倍数至少应为4 0 m v 0 2 m v = 2 0 。综合上述两种情况考虑，可以 将放大倍数取为4 0 ，此时可以满足量程的要求，并且在全量程范围内，也能保 证分辨力不低于0 2 。 为了保证送入单片机的电压信号均为正值，需要在a d 6 2 0 的参考端接上一 个补偿电压。这是由下面两个原因决定的： ( 1 ) 当待测气体氧含量大于空气氧含量时，传感器输出电势为负值。那么， 此时如果想测量较高的氧含量，就需要在a d 6 2 0 的参考端加一个补偿电压。 ( 2 ) 理论上当探头两端氧含量相同时，探头输出为0 ，实际上当探头两端氧 含量相同时，探头也会输出一个电势值即励，这个电势称作氧浓差电池的本底 电势【1 9 】。并且大多数氧化锆传感器的本底电势为负值。这也需要在a d 6 2 0 的参 考端加一个补偿电压。 由于本底电势绝对值一般不超过3 m v 。可以将补偿电压取为0 2 v ，放大倍 数取为4 0 ，这样不仅可以消除3 m v 以内的负的本底电势，还能留有至少l m v 的补偿电势。在定值温度为7 0 0 时，1 m v 氧电势对应的氧含量约为2 1 5 。 1 6 第三章氧传感器检测电路设计 可见，这样不仅能消除本底电势的影响，也能够保证当待测气体氧含量稍大于空 气氧含量时，系统也能正常工作。由此也可以得到系统的量程为1 0 o - - 2 1 ，其中 最大量程跟传感器的本底电势相关。 补偿电压同样利用m c l 4 0 3 基准芯片与电阻分压产生，此时需要加一级跟随 器作为缓冲级。然后送入仪用放大器的参考端。放大电路如图3 - 6 所示。 图3 - 6 氧化锆信号前端电路 3 3 4a d 转换电压基准电路 m s p 4 3 0 x l x x 系列单片机内部集成有1 2 位a d 转换器，其参考电压可编程 选择为电源电压a v c c 、内部参考电压v p z r 、外部参考电压v 。r e f 。由于电源电 压离散性比较大，并且内部电压参考误差比较大，所以需要选用外部参考电压。 对于a d 转换而言，参考电压的提高有利于提高测量精度和增大量程，所以需 要选用尽可能高的电压基准芯片。由于m s p 4 3 0 系列单片机最高工作电压为 3 6 v ，而且内部a d 转换器参考电压不能大于单片机的电源电压，所以此时需 要选用3 3 v 的电压参考芯片。 t i 公司生产的r e f 3 3 3 3 为3 3 v 带隙串联电压参考；初始精度为0 1 5 ；输 入电压范围为3 4 6 7 5 v ；温漂9 3 0 p p m c ；0 7 0 时线性误差为6 p p m v ；建 立时间2 m s ；采用3 s c 7 0 和3 s o t - 2 3 两种封装。可以为a d 转换提供一个高精 度、低漂移的稳定电压参考。其应用电路如图3 7 所示。 第三章氧传感器检测电路设计 u 1 2 图3 7 电压基准电路 3 3 54 - 2 0 m a 标准信号输出电路 在工业测控现场中，经常会出现待测模拟电压信号与测量设备之间有较远传 输距离的情况，信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减，信号接收 端的输入电阻越低，电压衰减越大。为了避免信号在传输过程中的衰减，只有增加 信号接收端的输入电阻，但信号接收端输入电阻的增加，使传输线路抗干扰性能 降低，易受外界干扰，信号传输不稳定，这样在长距离传输模拟信号时，不能用电 压输出方式，而把电压输出转换成电流输出或者频率信号。 通常采用的方法是：在测量现场对对待测模拟信号进行放大、滤波等预处理， 再经过变换后进行远距离传送，在测量设备附近再反变换成电压信号进行测量。 适合工业测控系统远距离传送的信号一般有电流源或频率信号。 本设计采用4 - - 2 0 m a 电压电流转换电路实现信号的转换。 m s p 4 3 0 f 1 6 9 内部集成有1 2 位d a 转换模块，可以根据氧含量的大小调节 输出一个相应的模拟电压，再经过外界的v l 转换电路即可得到4 2 0 m a 标准信 号。 v i 转换电路采用专用的v l 转换芯片x t r l l 5 。b u r r - b r o w n 公司生产的 x t r ll5 是4 - 2 0 m a 电流环路发送器。采用s o i c 8 封装，工作电压为7 5 v 到3 6 v ， 非线性误差为0 0 0 3 ，跨度误差为0 0 5 。x t r i1 5 的保护电路包括过压保护电 路和反向保护电路。过压保护电路采用一只1 n 4 7 5 3 a 型稳压管，其稳定电压为 3 6 v ，稳定电流为7 0 m a 。当环路电压过高时，就被钳制为3 6 v 。反向保护电路 由4 只二极管d i d 4 组成，可防止因将环路电源的极性接反而损坏芯片。整流 二极管选用1 n 4 1 4 8 型高速硅开关二极管。采用桥式保护电路之后就不用考虑环 路电源极性的影响，因为无论外接电源的极性是否接反，它总能保证v + 端接的 是正电压。x t r l1 5 典型应用电路如图3 - 8 所示。 第三章氧传感器检测电路设计 d lld 2 i n 4 1 4 81 n 4 1 4 8 i ) 3d 4 3 3 6 温度控制电路 图3 84 - 2 0 m a 电流输出电路 系统检测到的热电偶温度信号，被送入单片机参与比较运算，由此得出的控 制量调节电阻丝加热功率的大小，使传感器的工作温度保持在7 0 0 。c 。本设计利 用模糊控制算法，根据温度偏差和温度偏差变化率，计算出p w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，脉宽调制) 波形的占空比。用p w m 方波控制开关驱动电路，调节 电炉丝的功率，以获得恒定的温度。加热控制电路如图所示。在可控硅控制电路 中，常常需要可控硅在电源电压为零或刚过零时触发，以减少可控硅导通时对电 网的影响。这就需要加上过零检测电路，或者选用自带过零检测模块的光耦器件。 图3 - 9 中，u 5 为光耦器件m o c 3 0 6 3 ，用来接收单片机的方波信号。美国 m o t o r o l a 公司生产的m o c 3 0 6 3 为光电双向可控硅驱动器，内部含有过零触发电 路，触发电流为5 m a 。内部的过零触发电路保证了可控硅在0 电压附近导通或 关断；由于m s p 4 3 0 单片机的i o 驱动能力为6 m a ，所以此时不用外加三极管就 能驱动该光耦。t 1 为双向可控硅b t a 0 6 ，用来控制加热回路的导通与截止。双 向可控硅和热电阻丝